搜索
XF-PLC关于高校PLC实验室建设的三点建议——以“应用”“常用”“实用”为主循序渐进建设好PLC实验室(V2005.10)沈阳旭风电子科技开发有限公司沈阳旭风电子公司第2页关于高校PLC实验室建设的三点建议——以“应用”“常用”“实用”为主循序渐进建设好PLC实验室PLC是基于电子计算机技术的新型电控制装置。上个世纪70年代问世后，经历了70年代中期发展，到70年代末期，已进入成熟阶段。不仅在技术上向大规模、高速度、高性能方向发展，而且在产品的品种上也向系列化方向发展，高、中、低档产品日增齐全。由于应用范围日趋扩大，使得PLC成为一个新兴的产业，产值与销售量都在不断地增加。如早在1984年，美国注册生产PLC的厂家有48个，品种有150多种，销售额达6亿美元。1982年，日本有40多个厂家生产PLC，品种有120多种。1984年，欧洲有60多个厂家生产PLC，品种近200多种。80年代以来，PLC发展更为迅速。不到30年时间，各主要厂家都已更新或换代过多种系列的产品，大体每3～5年就有换代的，年年都有更新。销售额年增长率一直保持为30～40%。1993年，销售额达39亿美元，2000年销售额达76亿美元。几乎都已占了该年整个自动化控制系统产品（含PLC、DCS、IPC等）市场份额的一半。已名副其实地成了控制技术的重要支柱。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。我国的PLC研制、生产和使用也发展很快。特别在使用方面，在引进一些成套设备的同时，也引进不少PLC。如上海宝钢第一期工程，就采用了250台，第二期也采用了108台。再就是秦皇岛煤码头第二期和第三期、天津化纤厂、秦川电站、北京吉普汽车生产线、西安的彩电和冰箱生产线等，也都采用了PLC。国内不少公司，或为代理国外公司质量与档次较高的PLC产品，并负责售后服务；或与国外公司合资，生产各种档次的PLC，既返销国外，也向国内销售。目前，国内PLC生产企业约30多家，年产量超过1000台的不到10家，在国内的市场份额不到10％。在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。进入21世纪后，由于IT技术、各种控制技术的迅速发展，PLC既面临着很多新挑战，同时，也又有很多的新发展。它的性能在不断提高，应用在不断扩展，概念在不断更新，类型在不断增加，正以比过去更高的发展速度在前进着。沈阳旭风电子公司第3页当今，PLC已成为工业、农业及其它诸多产业实现自动化、信息化、远程化及智能化的重要电气装置，是提高生产效率、工作效率，确保人身安全、设备安全，增加经济效益、社会效益的重要基础设施。为此，各高等学校的自动化专业，为使培养的学生能适用工作需要，从上世纪90年代开始，逐渐开始开设了PLC课程。同时，为了确保教学效果，各有关学校还建设了PLC实验室。为适应高校PLC实验室建设的需要，目前国内已经发展有十多家PLC教学实验设备的生产厂家。它们制作辅助的控制模型和控制对象，展示PLC的应用实例，并提供了有关PLC的技术支持或服务。这些高校的教学实践证明，相关专业开设PLC课程，使学生学到了PLC知识，对学生参与国家的现代化建设有很大的帮助，为他们就业增加了很多难得的机会。这个举措得到了相关专业学生及用人单位普遍欢迎。但是，有的高校虽然也开设了PLC课程，但因为没有设施较为齐全的实验室以及实验设备，也就不能让学生亲自动手操作、结果只能纸上谈兵，很难收到应有教学效果。有的高校自动化专业至今还未讲授含有PLC内容的课程。显然，这就更不合时宜了。根据目前的发展趋势分析，在大学中，将来是否会要设置PLC这个专业，也值得探讨，也许在若干年后，有可能会在某个院校诞生这个专业。总之，对自动化专业来讲，开设含有PLC内容的课程，是绝对必须的，相应地建设好PLC实验室也是绝对必须的。为了建设好PLC实验室，结合很多高校实验室建设的经验，在此，我们提出以下三点建议：即应以“应用”为主，以“常用”为主，以“实用”为主，循序渐进，进行实验室建设。一、以“应用”为主当今，我国多数高校自动化专业学生学习PLC，目的主要是为了能正确使用PLC，而不是开发或研制PLC。这也是当今高校开设PLC课程的出发点与落脚点。这正如很多高校开设计算机专业，多数院校的这个专业方向是应用，而不是研发。“学以致用”嘛！一般讲，任何学习都应如此。但特殊地讲，学习PLC的“学以致用”强调的是，学会使用PLC，而不是仅仅弄懂它的道理。无论理论教学，还是实验教学都应如此。这也是中国当前PLC技术发展阶段所决定的。所以，当今高校PLC教学，不仅讲PLC的基本原理，重点还是要讲应用。总不能学生学了PLC知识，还不知PLC都能用在什么地方？都是怎么用的？那样，教学效果就成问题了。其实，随着PLC技术的发展，PLC的应用已有了长足的发展：PLC源于继电控制装置，其初衷就是替代继电器，并增强其相应功能。所以，它的特长就是处理逻辑量。使用它，能够方便地对离散生产过程的顺序进沈阳旭风电子公司第4页行控制。但是，PLC又基于电子计算机，实质上是一台工业现场用的微型计算机。它在处理逻辑量的同时，还可进行数字量、脉冲量处理与相当大容量的数据存贮，以及具有很强的联网通讯能力。凡普通计算机一般用于信息处理与控制方面能做到的，它几乎也都能作到。所以，当今的PLC不再是简单的继电控制的替代，不仅仅用于开关量的控制，仅局限在顺序控制领域派上用场。而且，它已涉足到了过程控制、运动控制、信息处理及通讯联网领域，即用于模拟量、运动量控制，用于信息处理，用于联网通讯。试想，仅仅使学生弄懂PLC道理，而没有引导学生学会怎样使用PLC去实现上述种种控制，怎么能够做到“学以致用”呢。为此，最好的做法是，所开设PLC课程不仅要讲PLC自身的道理，还要讲有关控制知识，以及怎样用PLC去实现这些控制，使学生学完PLC，不仅能懂PLC，也将能使用PLC。而且，要以学会“应用”为主。当今PLC可用在那些控制上呢？具体地讲有五大控制功能：1．顺序控制（开关量控制）它的目的就是，根据有关开关量的当前与历史的输入状况，产生所要求的开关量输出，以使系统能按一定顺序工作。学会用PLC去实现这个控制就得学会编写实现这个控制的程序。而这个控制程序设计方法基本上有两类：一是用逻辑处理方法，用组合或时序逻辑综合，进行输入、输出变换；另一是用工程方法设计，按不同要求输出控制命令。逻辑处理方法比较严密，可设计出简练、高效的程序，但较难把握，要有相应的逻辑设计知识。而工程设计方法比较简明，好把握，但效率不是太高。不过，当今PLC的资源已足够丰富，效率已不是什么问题了。工程设计可使用分散、集中或混合的算法实现控制。集中原则（发布命令原则）：其控制命令是由集中控制器发出。这集中控制器就是PLC程序产生的顺序输出的命令。集中原则控制比较简单，也好设计。但它没有反馈，前一个命令不被执行，后续的命令仍照发不误。这种控制用的也很多，如音乐喷泉控制、十字路口红绿灯控制多是使用这个原则。分散原则（反馈控制原则）：其控制命令是由分散信号提供。如果把控制输出比喻为发命令，分散控制发出命令的内容及时刻，则是由分散动作完成反馈信号决定。分散控制的优点是，有反馈，若收不到反馈信号，后续的命令不会出现，可使所控制的系统能安全、可靠地工作。混合原则：（发布命令与反馈控制原则）：分散与集中均有之。它发什么命令是集中控制的，而什么时候发命令，则是分散控制的，由反馈的条件满足与否确定。PLC的步进指令、移位指令为用这个原则进行设计提供了方便。混合原则兼有分散与集中原则的优点。但程序要复杂一些，使用的指令多沈阳旭风电子公司第5页些。2．过程控制（模拟量控制）一般讲，过程控制要用到模拟量。模拟量一般是指连续变化的量，如电流、电压、温度、压力等物理量。而这个模拟量要能被PLC处理，必须离散化、数字化。PLC处理后，还要锁存并转换为模拟输出。为此，要配置A/D模块，使模拟量离散化、数字化；及D/A模块，使数字量锁存并模拟化。PLC进行过程控制的目的是根据有关模拟量的输入状况，产生所要求的模拟量输出，以使系统能要求工作。过程控制的类型很多。主要有两类：闭环，开环。闭环控制：传感器监测调节量，并传送给A/D模块。后者使其离散化、数字化。PLC程序再参考要求值，对其进行处理，进而经D/A模块、执行器作用到被控对象上。其目的使调节量按要求变化。闭环控制对种种扰动无须检测及处理，即可达到控制的目的。这是它的最大优点。开环控制：传感器监测扰动量，PLC程序依扰动量与调节量间的关系产生控制量，进而再通过摸出模块、执行器作用到被控对象上。其目的是在干扰量作用于系统的同时，这个控制量也作用于该系统，以克服干扰对系统的不利影响。如果能弄清干扰对系统的影响规律，可作到系统的误差为零。但系统的干扰因素往往较多，要弄清是很不易的。这也是它用得不多的原因。在生产中，有时要求若干变量间保持一定的比例关系，如煤气加热炉，就要求煤气与空气要有合适的比例，即空燃比。比例调节器就是要保证在煤气变化的同时，空气也要有相应的变化。比值控制有开环、闭环及多变量比值等。过程控制用中还有均匀控制。目的是保证，前后设备间的物料流动能得以平衡，以达到均匀生产的目的。还有分程控制，用于有不同工况的生产过程。可作到在各个工况下，都能实现合适的控制。此外，还有一些高级控制，如模糊控制、专家控制、最优控制、自适应控制、自学习控制、预测控制及复合控制。等等。由于PLC已经具有较强的计算能力，所以，一般讲，只要有合适的算法，以上讲的多数控制总是可以实现的。可以这么说，过程控制的程序设计，与其说是取决于设计者对PLC的了解，不如说是取决于设计者对自控知识的掌握。PLC用于过程控制，已是一个趋势。因为用PLC实现这个控制，其价格比用别的要低，而且，用它时，在进行模拟量控制的同时，还可很方便的进行其它控制。再加上各种过程控制模块的开发与应用，以及相关软件的推出及使用，用PLC进行种种过程控制已变得很容易，其编程也很简便。所以，目前有的厂家PLC用于模拟量控制的份额，已超过用于顺序控制。有的还开发了专门用于过程控制的PLC，即P（PROGRAMMABLE）P（PROCESS）C（CONTROLLER），可编程过程控制器，为PLC用于规模较大过程控制提供了可能。3．运动控制（脉冲量控制）沈阳旭风电子公司第6页主要指，对工作对象的位置、速度及加速度所作的控制。可以是单坐标即控制对象作直线运动；也可是多坐标的，控制对象的平面、立体，以至于角度变换等运动。有时，还可控制多个对象，而这些对象间的运动可能还要有协调。凡机械总是要运动的，所以，运动控制是任何机械所不可缺少的。简单的运动可使用开关量处理。如部件运动的起、停控制，方向控制等。但复杂、精确的运动的控制则要使用脉冲量。脉冲量也是开关量，只是它的取值总是在0（低电平）、1（高电平）之间不断地交替变化着。脉冲量可把对象的位移与脉冲数对应，如每脉冲控制的位移量很小，其控制的运动精度将很高。上个世纪50年代诞生于美国的数控技术，简称数控（NC），就是基于电子计算机及这个脉冲量的应用而不断发展与完善的运动控制技术。而今，已发展到非常完善的境地，已是成为当今自动化技术的一个重要支柱。PLC也已具备处理脉冲量的能力。PLC有脉冲信号输入点或模块，可接收脉冲量输入（PI）。PLC有脉冲信号输出点或模块，可输出脉冲量（PO）。有了处理PI/PO这两种功能，加上PLC已有数据处理及运算能力，完全可以依NC的原理进行运动控制。PLC运动控制可用闭环，也可用开环。闭环控制：不断地得知反映控制对象状态的脉冲量，并按要求确定控制输出。这输出可能是开关量出（DO）、模拟量出（AO）或脉冲量出（PO）。用这些输出，使控制对象始终保持所希望的状态。开环控制：按控制要求有步骤地在相应输出口，输出一定频率、一