電氣控制系統(tǒng)發(fā)展的四個階段

現(xiàn)在電氣工程及其自動化的觸角已伸向各行各業(yè)，小到一個開關(guān)的設(shè)計(jì)，大到宇航飛機(jī)的研究，都有它的身影。電氣控制技術(shù)的發(fā)展走過了幾個比較有代表性的階段，了解這幾個有代表性的發(fā)展階段及其特點(diǎn)，對于學(xué)習(xí)電氣控制柜的制作有很大幫助。

開關(guān)控制電器階段

早期的電氣控制都比較簡單，主要是實(shí)現(xiàn)電器與電源之間的通斷控制。由于當(dāng)時的電器電壓不是很高，電流不是很大，所以開關(guān)普遍采用裸露的非封閉形式，因此稱為可見斷點(diǎn)的開關(guān)?？梢姅帱c(diǎn)的開關(guān)因?yàn)槠浣油ê蛿嚅_狀態(tài)一目了然，從心理上可以給人安慰，而且實(shí)際上在斷開狀態(tài)下也確實(shí)是合適的。比較有代表性的開關(guān)電器就是刀開關(guān)，至今仍然在普遍使用。

早期的刀開關(guān)一般由人直接操作，開關(guān)的通斷速度不可能很快，因此只能用于低壓且電流不太大的控制場合。因?yàn)殡妷狠^高及電流較大的開關(guān)在接通和斷開的過程中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧，電弧會將開關(guān)的接觸部分燒壞，電弧還會危及操作者。為了解決電弧的危害，一是在開關(guān)上采用機(jī)械速動裝置，減少產(chǎn)生電弧的時間;二是采用滅弧裝置，減小電弧并降低電弧的溫度;三是將開關(guān)用外殼完全封閉起來，避免對人的傷害;四是利用杠桿機(jī)構(gòu)操作開關(guān)，使人處于對的位置;五是采用電動操作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的遠(yuǎn)距離操控和自動控制。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，一般電氣控制中的隔離開關(guān)應(yīng)采用可見斷點(diǎn)的開關(guān)。對于全封閉型開關(guān)及遠(yuǎn)距離操控開關(guān)，要在在操作器件上醒目標(biāo)示出開關(guān)接通和斷開位置。對于自動控制開關(guān)，則要在操作后有檢測開關(guān)通斷狀態(tài)的反饋信號顯示，以確保操作的可靠性。

繼電控制電器階段

“繼電保護(hù)”是輸變電過程中的一種專門技術(shù)，是由各種繼電器及量測設(shè)備組成的保護(hù)電路，目的是保證持續(xù)不間斷供電?！袄^電保護(hù)”技術(shù)的發(fā)展為電氣自動控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

繼電控制是利用具有繼電特性的元件進(jìn)行控制的自動控制系統(tǒng)。所謂繼電特性是指，在輸入信號作用下輸出僅為通、斷等幾個狀態(tài)的特性。由于其控制方式是斷續(xù)的，故稱為斷續(xù)控制系統(tǒng)。例如，電爐溫度調(diào)節(jié)中，根據(jù)爐溫是否超過規(guī)定值而斷開或接通電源。這種只有通、斷兩個狀態(tài)的控制又稱雙位式控制。繼電控制中使用的元件并不限于電磁式繼電器，也可用別的手段來實(shí)現(xiàn)繼電特性。例如，在雙位式溫度調(diào)節(jié)中，常采用雙金屬片作為敏感元件，溫度變化時雙金屬片因兩部分金屬的膨脹系數(shù)不同而彎曲變形，接通或斷開觸點(diǎn)。液壓和氣動閥等也是具有繼電特性的元件。

7.可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能

根據(jù)每一個繼電器的控制功能，其接點(diǎn)連接上信號燈和電鈴，就可以顯示控制電路各個部分的工作狀態(tài)，并可以實(shí)現(xiàn)故障顯示、報(bào)警和監(jiān)測功能。

8.擴(kuò)大控制范圍

多觸點(diǎn)繼電器控制信號達(dá)到某一定值時，可以按觸點(diǎn)組的不同形式，同時換接、斷開、接通多路電路。

9.綜合信號功能

根據(jù)電氣控制邏輯的需要，將多個控制信號按規(guī)定(串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián))的形式輸入多繞組繼電器時，經(jīng)過比較、綜合，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。

數(shù)字邏輯控制階段

開關(guān)電器和繼電器控制的實(shí)質(zhì)就是開關(guān)量的控制，因?yàn)橹挥薪油ā?”和斷開“0”兩個狀態(tài)。

這里所講的數(shù)字邏輯控制階段是指，集成電路普遍采用以后，使用邏輯門電路進(jìn)行的數(shù)字邏輯控制。盡管繼電控制系統(tǒng)也可以進(jìn)行一些比較簡單的數(shù)字邏輯控制，但是由于繼電控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這些邏輯電路結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、成本高且可靠性差，并且存在難以避免的時序上的競爭問題，要解決這一問題，對設(shè)計(jì)人員的要求很高，結(jié)果往往需要通過實(shí)驗(yàn)才能解決。

電子計(jì)算機(jī)控制階段

1971年，Intel公司設(shè)計(jì)了微處理器芯片Intel 4004，并以它為核心組成了微型計(jì)算機(jī)MCS-4。它開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新時代。但是將普通PC直接移植于電氣控制系統(tǒng)，存在系統(tǒng)過于復(fù)雜、成本太高的問題。直到專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的單片機(jī)誕生，這一問題才得以解決。

1.單片機(jī)

單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括地講，一塊芯片就是一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、軟件可修改、為應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。利用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)柔性控制、通信技術(shù)、多目標(biāo)控制、仿真與智能控制。

2.可編程邏輯控制器(PLC)

隨著大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，電氣控制技術(shù)也發(fā)生了根本性的變化，在20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了將計(jì)算機(jī)存儲技術(shù)引入順序控制器，產(chǎn)生了新型工業(yè)控制器—可編程序控制器(PLC)，它兼?zhèn)淞擞?jì)算機(jī)控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前在世界各國已作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用電器普遍應(yīng)用于工業(yè)自動控制領(lǐng)域。

可編程控制器技術(shù)是以硬接線的繼電器-接觸器控制為基礎(chǔ)，逐步發(fā)展為既有邏輯控制、計(jì)時、計(jì)數(shù)，又有運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、模擬量調(diào)節(jié)、連網(wǎng)通信等功能的控制裝置。它可通過數(shù)字量或模擬量的輸入、輸出滿足各種類型設(shè)備控制的需要。可編程控制器及有關(guān)外部設(shè)備，均按既易于與工業(yè)控制系統(tǒng)組成一個整體，又易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。可編程控制器已成為生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備中開關(guān)量控制的主要電氣控制裝置。

不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1μs到幾十μs之間。PLC用梯形圖編程，在計(jì)算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，掃描周期在微秒量級，計(jì)算1KB邏輯程序用時不到1ms。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位(也有32位的)為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運(yùn)算，把計(jì)算結(jié)果傳送給PLC的控制器。

對于相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)(DCS)的成本要低一些(大約能省40%)。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個大型的PLC控制器可以接收幾千個I/O點(diǎn)(可達(dá)8000多個I/O)。如果被控對象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用小型PLC較為合適。PLC由于采用通用軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面要容易一些。

通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時，可以認(rèn)為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。可編程控制器作為離散控制的產(chǎn)品，以微處理器為核心，通過軟件手段實(shí)現(xiàn)各種控制功能。它具有通用性強(qiáng)、可靠性高、能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場連接安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)的控制中。