论文文献阅读综述.doc
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1、个人收集整理 勿做商业用途合肥工业大学攻读工程硕士专业学位研究生文献阅读综述报告研 究 生 姓 名 程 龙 工 程 领 域 控制工程 入 学 时 间 2010年8 月 指 导 教 师 王华强 所 在 学 院 电气与自动化工程学院 工
2、程硕士文献阅读综述报告说明:1、依照本人的培养计划,取得规定的学分和成绩后,开始文献阅读。2、在导师指导下,结合本人工程领域和研究方向,阅读3040篇国内外相关的学术文献,撰写文献阅读综述报告,3、报告不少于8000字,应详细阐述本工程领域(方向)最新技术研究成果、学术动态和发展方向以及本人阅读后的体会和收获(不少于4000字)。4、导师根据综述报告写出300字左右的评语,姓名程龙工程领域控制工程入学时间2008。8文献阅读综述在研究生的学习过程中,根据学校的培养计划已学完了全部的基础理论和专业课程.结合所选课题阅读了大量的参考文献,极大的丰富了自己的理论基础,也使我更清楚地认识到大量的科技工
3、作者在这方面所作的探索和它将来的发展方向,也为本人在以后的工作中作进一步的研究和应用打下坚实的基础.一、 PLC系统国际电工委员会(IEC)1985年1月对可编程序控制器作过如下定义:“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器,用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。” PLC具有抗干扰能力强,可靠性极高;编程方便,容易掌握;使用方便;维护方便;设计、施工、调试
4、周期短; 易于实现机电一体化等诸多优点。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用。PLC的硬件系统主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理模块、电源模块和编程设备组成(如图),各种模块安装在机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口,PLC连接到通信网络上,可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。电源编程器中央处理单元编程器接 口通 讯接 口输入输出接口I/O扩展接口系 统 总 线如图所示:PLC硬件系统CPU模块主要有微处理器(CPU芯片)和存储器组成。在PLC控制系统中,CPU相当于人的大脑和心脏,它不断地采集输入
5、信号,执行用户程序,刷新系统的输出;存储器用来存储程序和数据,它包括只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。从硬件结构图可以看出PLC有丰富的输入、输出模块(I/O接口模块),PLC针对工业现场信号(如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等)都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接相连。当用户需要的输入输出点数或类型超过主机I/O单元能力是可通过I/O扩展来解决,I /O扩展与主机的接口类型分为简单性和智能型两种。简单性I/O扩展模块本身不带CPU,其I/O能力的实现依赖于主机的程序扫描过程,多用并口与主机通信。智能型I/O扩展模块自身带有CPU,能够独完成
6、现场信号的输入输出处理。PLC的基本功能包括:逻辑控制功能、定时控制功能、计数控制功能、步进控制功能、数据处理功能、回路控制功能、通讯联网功能、监控功能、排序查表功能、停电记忆功能、故障诊断功能及特殊功能函数运算等功能。(1)PLC的工作方式PLC采用循环扫描工作方式,这个工作过程一般包括五个阶段:内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理,其工作过程如图所示。PLC经过五个阶段的工作过程,称为一个扫描周期,完成一个扫描周期后,又重新执行上述过程,扫描周而复始地进行。当PLC方式开关置于RUN(运行)时,执行所有阶段;当方式开关置于STOP(停止)时,不执行后3个阶段,此
7、时可进行通信处理,如对PLC联机或离线编程。如图所示:PLC工作过程每次扫描用户程序之前,都会先执行故障自诊断程序。自诊断内容包括I0部分、存储器、CPU等,如果发现异常及时停机并显示出错.若自诊断正常,继续向下扫描。第二阶段PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求,若有则进行相应处理,如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据,并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。与计算机等的通信请求,也是在这段时间完成数据的接受和发送任务的。第三阶段PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描,将所有输入端的状态送到输入映象寄存器.然后中央处理器CPU将逐条执行用户指令程序,即按程序要求对数
8、据进行逻辑、算术运算,再将正确的结果送到输出映像寄存器中。最后当所有的指令执行完毕时,集中把输出映象寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号,以驱动被控设备。 PLC经过这五个阶段的工作过程,称为一个扫描周期,完成一个扫描周期后,又重新执行上述过程,扫描周而复始地进行。在不考虑另外因素(通讯处理)时,扫描周期T的大小为: T=(读入一点时间输入点数)+(运算速度程序步数)+(输出一点时间输出点数)+故障诊断时间扫描周期T主要取决于程序的长短,一般每秒钟可扫描数十次以上,这对于工业设备通常没有什么影响.但对控制时间要求较严格,响应速度要求快的系统,就应该精确的计算响应时间,
9、细心编排程序,合理安排指令的顺序,以尽可能减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。(2)PLC的应用根据PLC的特点,可以将其应用归纳为以下几种类型。1。逻辑量控制 PLC具有强大的逻辑运算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。这是PLC最基本的应用领域,以前用传统继电器控制的系统都可用PLC取代,实现逻辑控制.在单机控制、多机群控制和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例,如机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、电梯的控制、家电自动装配线的控制、化工、轧钢自动生产线的控制等。2.模拟量控制 PLC配置有AD和DA转换模块。其中
10、AD模块能将现场的温度、压力、流量、速度、位移等这些模拟量经过AD转换变为数字量。再经PLC中的微处理器进行处理去进行控制或经DA模块转换后,变成模拟量去控制被控对象.大、中型的PLC都具有PID闭环控制功能,运用PID子程序或使用专用的智能PID模块,可以实现对模拟量的闭环过程控制。随着PLC运用规模的扩大,控制的回路也从几个增加到几十个甚至上百个,可以组成较复杂的闭环控制系统。目前PLC的模拟量控制功能已广泛应用于工业生产各个行业,例如锅炉运行控制、压力罐液位控制、液体管道流量控制等都是典型的闭环过程控制的应用场合。3.运动控制运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制,也称为位置控制,
11、早期PLC通过开关量I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能.PLC一般都配备了PID控制模块,可进行闭环过程控制。当控制过程中某一个变量出现偏差时,PLC能按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程,把变量保持在整定值上.目前,PLC的运动控制功能广泛应用在金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上。4.数据处理 现代PLC都具有不同程度的数据处理功能,能够完成数学运算(函数运算、矩阵运算、逻辑运算)、数据的移位、比较、传递、数值的转换和查表等操作,对数据进行采集、分析和处理。数据处理通常用在大、中型控制系统中,如柔性制造系统、机器人的控制系统等。PL
12、C不仅能进行算术运算、数据传送、排序、查表等,而且还能进行数据比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等,具有很强的数据处理能力。5.通信联网 通信联网是指PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信,利用RS232或RS422接口可以实现PLC和计算机的通讯,PLC有专用通信模块,用双绞线和同轴电缆或光缆将它们联成网络,可实现相互间的信息交换,构成多级分布式控制系统,建立区域的自动化网络。现代PLC一般都有通信功能,它可以对远程IO进行控制,又能实现PLC与PLC,PLC与与计算机之间的通信,这样用PLC可以方便地进行分布式控制。6.定时和计数控制P
13、LC具有很强的定时和计数功能,它可以为用户提供几十甚至上百个、上千个定时器和计数器,计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定,也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定,实现定时和计数的控制。如果需要对频率较高的信号进行计数,如光栅尺和光电编码器等,则可以选择高速计数模块。7.顺序控制所谓顺序控制是指生产设备及生产过程,根据工艺要求按照逻辑运算、顺序操作、定时和计算数等规则通过预先编制的程序,在现场输入信号(包括开关量、模拟量)的作用下,执行机构按预定程序动作,实现以开关量为主的自动控制.PLC的设计安装就是根据这一原则来实现的。其输入主要是靠按钮、行程开关、限位开关、动断触点、
14、电机的启停等开关量为主的控制信号。输出为继电器、电磁阀等驱动元件。PLC内部控制部分有定时器、计数器、中间继电器等元器件以及许多的常开、常闭触点 .而传统的顺序控制是由继电器控制屏来实现的,由于设备体积大、功耗高、动作速度缓慢、接线复杂、通用性、灵活性差、维护工作量大、故障频发率高而导致可靠性差,没有计算和储存功能,而PLC控制系统克服了继电器控制的弱点,把计算机技术与继电器控制有机地结合起来,为工业自动化提供了十分完美的现代化控制装置。二、工业以太网技术(1)工业以太网通信技术工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。该技术基于工业标准,利用了交换以太网结构,有很高
15、的网络安全性、可操作性和实效性,最大限度地满足了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力,吸引着越来越多的制造业厂商。工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络应用的需要,采用标准导轨安装,安装方便,适用于工业环境安装的要求。工业网络器件要能方便地安装在工业现场控制柜内,并容易更换。工业现场对工业以太网产品的要求包括:1、工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在,要求工业级的产品具有气候环境适应性,并要求耐腐蚀、防尘和防水;2、工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在,需要采取防爆措施保证安全生产;工业生产现场的振动、电磁
16、干扰大,工业控制网络必须具有机械环境适应性(如耐振动、耐冲击)、电磁环境适应性或电磁兼容性(EMC-Electro Magnetic Compatibility)等;工业网络器件的供电,通常是采用柜内低压直流电源标准,大多的工业环境中控制柜内所需电源为低压24V直流。其关键性技术主要有:1、通信实时性问题:以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式,其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用.需要有针对这一问题的切实的解决方案。2、对环境的适应性与可靠性的问题:以太网是按办公环境设计的,将它用于工业控
17、制环境,其环境适应能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在产品的设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑到在工业环境下的安装要求,例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45一类的连接器,在工业上应用太易损坏,应该采用带锁紧机构的连接件,使设备具有更好抗振动、抗疲劳能力.3、总线供电:在控制网络中,现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求.现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网目前没有对网络节点供电做出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中另一对空闲线对
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