从硬连线中继逻辑升级

在20世纪70年代早期，可编程逻辑控制器(plc)从蓝图发展成为控制产品市场增长最快的部分之一。这主要是由于与机电继电器中的运动部件相比，其固态部件的坚固性。plc通过减少布线和相关的布线错误来提供设备、安装、故障排除和节省人工成本。它们比计数器、计时器和其他它们通常取代的控制组件占用更少的空间。当改变控制方案时，它们的重新编程能力大大增加了灵活性。

虽然转向plc并不是什么新鲜事，但一些制造商和机器制造商并没有做出改变，而是继续评估他们的控制系统，以确定旧的新技术是否会使他们受益。plc是需要电气或电子设备协调操作的控制应用的理想选择。基于以下任何特性运行的机器或过程可以被认为是潜在的控制应用:

• 重复的操作
• 一个完全时间驱动操作项目
• 事件驱动的业务
• 高速控制，以及
• 数据采集/操作的要求。

应用实例包括输送机，形式和填充操作，包装，捆扎机，码垛和包装机，红绿灯排序，闸门控制，切割长度线，半自动焊接和喷涂，存储和检索系统，泵发电机，洗车机，印刷机，自动售货机，以及更多。

这些应用程序可以由继电器、单板控制器(sbc)或plc控制，所有这些都具有逻辑功能。值得注意的是，一些从继电器切换到sbc的机器制造商和oem现在正在考虑从sbc切换到plc。但是，在选择控制系统之前，必须考虑应用程序的要求，因为它们有助于指导选择过程。

应用程序需求

无论最终选择哪种类型的控制系统，接近控制情况的第一步是为应用程序指定以下要求:

• 输入输出设备要求
• 除了离散(开/关)逻辑之外，还需要特殊操作，包括定时、计数、排序、数据采集和计算
• 输入、输出和系统电源的电气要求
• 控制系统必须运行多快(运行速度)
• 如果应用程序需要在进程之外共享数据，即通信
• 如果系统需要操作员控制或交互，以及
• 控制系统所处的物理环境。

为了确定应用需求，设计人员需要首先确定控制系统需要执行的所有操作以及影响系统的条件。例如，设想为一个可容纳500辆汽车的停车场设计一个控制系统。第一步是定义和描述停车流程。停车场的理想操作是什么?

• 汽车驶近门口的自动售票机。
• 司机按售票机上的按钮领取车票。如果车库有剩余空间，司机将收到一张罚单。如果车库已满或大门已经打开，机器不应提供票。
• 取下车票，大门就会打开，绿灯就会亮起。
• 汽车通过大门后，大门降低，绿灯熄灭。
• 车库中的车辆数量需要随时知道。
• 如果达到最大容量，“车库已满”的标志会亮起，售票机将不会提供票，大门将保持关闭状态。
• 当大门被堵住时，必须发出警报。

输入/输出需求

在定义了系统的操作之后，下一步是确定系统需要什么输入和输出设备。列出所需的功能，并确定特定类型的设备。此外，根据设备是否感知到事件已经发生或正在发生(输入)，或者它们是否控制某些东西(输出)，对设备进行分组。

从停车场控制系统的描述中，可以列出以下I/O要求:

从现场设备列表来看，停车场控制系统需要7个输入和6个输出。

选择控制方法

一旦定义了应用程序需求，下一步就是确定哪种类型的控制方法可以完成任务。为了帮助确定哪种控制方法(继电器、plc或sbcs)最适合这项任务，请开发一个集成了应用需求和控制方法的图表。下面的图表(图1)是关于停车场示例的。

如图1所示，三种控制方法都可以完成任务，因此选择控制方法不能只根据应用需求。然而，这并不意味着所有三种方法都能提供最佳解决方案。为了区分不同的控制方法，请使用以下标准评估每种方法的相对成本影响(图2)。

空间和成本

系统设计者通常考虑物理空间和组件成本，这是迄今为止最重要的两个问题。许多应用程序，特别是机械应用程序，分配给控件的空间很小，数量有限。如果一个装配好的控制系统占用的空间超过分配的空间，它通常不能使用，因为需要对机器进行太多的改变来适应它。

一旦安装在面板上，基于继电器的控制系统通常比微型PLC或SBC实现的等效控制占用更多的空间。由于微型plc(图3)只有一块砖那么大，甚至更小，所以只有最简单的基于继电器的系统占用的空间更少。停车场的控制系统需要13个I/O连接和一个计数器，微型PLC或SBC是最节省空间的控制解决方案。

几个成本因素会影响控制方法的选择，包括控制系统的设计和开发、组件的成本、组装、空间和逻辑实现。

控制系统的设计和开发费用是在系统设计中产生的。

• 对于继电器系统，这些成本不适用，因为组件已经设计和生产。
• 对于微型PLC，这些成本不适用，因为PLC已经设计和生产出来了。
• 对于SBC，成本包括确保电子工程师的服务，以设计电路板并测试其可行性(与继电器和plc不同，SBC通常不是现成的)。
• 许多安装要求控制系统满足全球工业标准，如UL, CE或CSA。plc通常已经通过认证以满足这些标准，而基于继电器和sbc的系统通常没有。

组件成本是与控制相关的硬件。成本还包括部件的接收、库存和质量控制。

• 对于继电器系统，这包括继电器、机械计时器和计数器。
• 对于微型PLC，所有必要的硬件都打包在PLC中。
• 对于SBC，这包括电路板，其组件和电路。

组装成本包括将组件组装在一起以使它们可用。

• 对于继电器系统，这包括在面板上安装组件和连接逻辑电源。
• 对于微型PLC，唯一的组装成本是用螺钉或DIN导轨将单元安装到面板上。
• 对于SBC，这涉及到确保生产设施来生产它。因此，sbc通常只有在大批量或非常独特的应用中才具有经济可行性。

面板空间成本包括面板的尺寸和容纳控制系统所需的外壳。外壳越大，材料成本就越高。

• 对于有许多组件的继电器系统，尺寸可能是一个禁忌。
• 对于微型PLC，尺寸是最小的。
• 对于SBC，尺寸通常是最小的。

与将逻辑安装到控制系统相关的逻辑实现成本(假设开发逻辑的成本与所有三种控制方法相似)包括以下内容。

• 对于中继系统，实现逻辑需要将组件连接在一起。每个后续应用程序都需要相同数量的人工来组装、调试和调整定时器和计数器预置。
• 对于微型PLC，成本包括购买编程软件或手持编程器。编写后续应用程序只需要下载该程序;对于重复的应用程序没有程序调试成本。但是，用户仍然需要对每个控制系统进行调试。
• 对于SBC，成本包括聘请一位电气工程师为微处理器编程。编程每个后续应用程序通常需要复制一个存储芯片;对于重复的应用程序没有程序调试成本。还需要调试。

由于plc的价格和性能，已经从继电器转向sbc的oem和机器制造商现在正在从sbc转向plc。此外，微型plc的进步提供了更多的灵活性、通信和扩展内存。用于模拟和数字i /O的插件模块使机器制造商能够个性化控制器以增加功能，而无需扩大产品占地面积或迫使用户购买“刚刚足够”的控制。

未来的成本

控制系统的总成本不会在实施后结束。系统启动后，可能需要修改控制逻辑，记录系统更改，并排除系统故障。

对于基于中继的系统，与逻辑更改相关的重新布线成本可能非常高。继电器所涉及的劳动可能是密集的和昂贵的，特别是如果多台机器需要重新布线。此外，记录中继布线逻辑更改需要起草新的接线图。因为这项任务非常乏味，而且还增加了成本，所以系统更改可以没有文档记录。事实上，如果不跟踪每条线路，就无法确保最新的接线图实际反映了系统正在执行的逻辑。

在基于sbc的控制系统中，用户通常不能与微处理器通信，也没有编程软件。逻辑更改不容易实现，通常不存在自动记录功能，用户通常不能上传或下载程序。基于sbc的系统很难进行故障排除，因为它们的软件中很少内置故障排除功能。这些系统的用户必须向制造商寻求支持，因为没有其他人了解SBC操作。

plc提供了相当大的灵活性。编程软件有助于相对快速的逻辑更改，并允许新程序轻松地下载到多台机器上。该程序始终是最新的，文档只需按一下按钮就可以完成。故障排除帮助和诊断功能是该软件的标准部分，也可以通过手持编程器进行。

plc的数据采集和通信能力也值得特别提及，因为它们远远超过了传统继电器的能力。plc可以从机器上收集信息，用于生产和状态报告，不合格或故障部件计数，总部件计数，生产率和机器运行时间，这对于定期维护操作是有价值的。此外，plc可以将这些数据通信到其他控制设备或远程位置的操作员。

这些功能有助于使plc成为最容易支持的控制系统。编程和故障排除方面的帮助可以以合理的价格从许多来源获得。而且，如果PLC出现故障，通常可以从最近的工业电气供应商那里购买现成的替代PLC，而不需要等待工厂发货。此外，与sbc相比，plc的坚固性使它们在恶劣环境或耐久性是主要考虑因素时具有明确的优势。

应该使用PLC吗?

在20世纪70年代和80年代初，许多工程师、制造经理和控制系统设计师花了大量时间讨论这个问题，试图评估成本效益。

今天，一个普遍接受的规则是plc在需要三到四个或更多继电器的控制系统中变得经济可行。考虑到微型plc的成本只有几百美元，再加上制造商对生产率和质量的重视，成本争论几乎变得无关紧要。

除了节约成本，plc还提供了许多增值好处:

• 可靠性。一旦一个程序被编写和调试，它可以很容易地传输和下载到其他plc。这减少了编程时间，减少了调试，并提高了可靠性。由于所有的逻辑都存在于PLC的内存中，因此使用继电器不会出现逻辑连接错误。唯一需要的接线是电源、输入和输出。
• 的灵活性。只需敲击几下键盘，就可以修改程序。原始设备制造商可以通过发送新程序而不是服务人员轻松实现系统更新。最终用户可以在现场修改程序，或者，相反，原始设备制造商可以阻止最终用户修补程序(一个重要的安全特性)。
• 先进的功能。plc可以执行各种各样的控制任务，从单一的重复动作到复杂的数据操作。plc标准化为设计人员打开了许多大门，并简化了维护人员的工作。
• 通信。与操作员界面、其他plc或计算机通信，便于数据收集和信息交换。
• 速度。由于一些自动化机器每分钟处理数千个项目，而物体在传感器前只花费几分之一秒的时间，许多自动化应用程序需要PLC的快速响应能力。
• 诊断．编程设备的故障排除能力和PLC中的诊断功能允许用户轻松跟踪和纠正软件和硬件问题。

plc的产品发展曲线与个人电脑相似。早期的plc体积很大，售价数千美元，功能相对较少。但随着微处理器和其他板级组件的发展，plc变得越来越复杂，而尺寸和成本却在下降。对于评估控制系统的所有主要标准——成本、尺寸、灵活性和可支持性——plc在许多控制应用中为用户提供了优于其他控制选项的独特优势。

Sykora是罗克韦尔自动化公司的全球产品经理。他在自动化应用领域拥有27年的硬件和软件技术经验。

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