Unit 8 基于计算机网络的工业控制
1、 网络类型
计算机集成制造是一种（通过）集成硬件和集成软件来实现全面自动化的原理。尽管每一个公司对CIM 的含义有自己的理解，但大多数类似于图8•1的模式。在这个图中，显示了分布一个工厂的、专用的过程任务。由于计算机被从实际的制造领域中移走，它们的功能从实时控制转向监督。
通常认为至少需要三层的计算机集成来为CIM 工作，即：单元级、装置级和厂级。每一级在它的执行任务范围内都有确定的任务。例如，单元控制器通常负责数据采集和直接的机器控制。区域控制器被分配的任务是机器和工具的管理、跟踪维护、物料输送和跟踪，以及计算机辅助仿真和设计设备。厂及计算机负责例如：采购、账目、物料管理、资源计划和报表生成这样的事情。
当你开发一个CIM 系统时，最好从最低层开始，参考图8•1，完整的开发每个单元控制开始，然后做下一个单元等等。然后开发区域控制器。只有当单元控制器的功能良好时你才能开发厂级控制器。如果CIM 系统失效，它们的失败主要有两方面的原因。首先，系统设计是从厂级控制器的顶层开始并从上往下进行。这样不能工作——它是反向的。系统不能正常在线工作的第二个原因可能是使用了不同制造商生产的机器。例如，在4个单元里，我们有17个独立的单元装置。你的公司(需要) 取得17台机器和5台电脑作为单元控制器。当联接后，电脑和机器之间不能交流，不能共同工作。当你给电脑制造商和17台单元设备制造商打电话时，你会发现没有人为装置间的通讯负责。每一个制造商只为自己设备的程序负责。在一个CIM 工程中，买任何设备前需要确定设备间的通讯能力。一个组织或个人，在工程时间期限前，能够为CIM 单元写出编程整个网络程序。
从技术上讲，任何一个电脑包括PLC ，既能够执行控制任务也能够执行监控任务。然而，趋势是定制计算机来实现特定的应用。这些定制的控制器被称为厂型控制器。从CIM 的层次结构可以看出，（采用）专用计算机是有利的。实际上，很多公司正在生产计算机来满足每一个CIM 层的特殊要求。不变地，在每一个CIM 中，大型计算机总是被放置在大型设备的厂层。在这些情况下，这些计算机被用来处理像存货清单和工资单这样的工作。为了提升它们到CIM 金字塔的顶层，简单地选择合适的软件。这些电脑通常生产现场。它们所需要的整个信息是从整个工厂下级的区域控制器的主机中获得。
区域控制器通常在生产现场，因此而遭受恶劣的环境。一种被称为工业控制计算机的专用计算机为这种应用已经被开发出来。一个PC 机和工业控制计算机的主要差别在于物理结构。非常简单，工业机被生产是为了抵抗高温、强震动，电磁干扰环境，和野蛮操作。由于它们的的工作在本质上仍是监管，所以它们的工作硬件和一个ＰＣ机的没有显著地差别。再者是软件将普通计算机转变为工业控制计算机，PC 作为强有力的区域控制器的位置竞争者不能被排除。个人计算机价格低廉，有大量的复制，它们很充足。使用PC 机实现区域控制的另一个优点是已经为这样的计算机提供了一个大的软件平台。
最专业的计算机是单元控制器，他们被用来控制工作单元。一个单元被定义为：集中执行一个单元的制造过程中的一组设备和工具。因此，在单元内部调整动作的计算机有专用的硬件需求和软件需求。这样的计算机有多个数据通道，通过它和不同的单元装置进行交流。
通常，单元控制使用PLC 来完成，它们是为这一特定目的设计的。然而，一个CIM 结构需要单元协调器程序，能够和其他的单元控制器，以及区域控制器交流。在这方面，PLC 语言是受到约束的。另外，多数PLC 语言不能很好的有助于他们自己来分析和记录保管任务。
2、 PLC 系统
起初，PLC 是用首字母来表示的，由于它通常用来表示个人计算机，使用这个缩写词有时会产生混淆。现在PLC 被普遍认为是可编程逻辑控制器。
一个PLC 是用户有好的基于微处理器的专用计算机，能够实现许多种复杂水平的控制功能，它的目的是监控重要的过程参数并相应的调整过程操作。它能够被一个不熟练计算机操作的人编辑、控制和操作。本质上讲，一个PLC
操作员使用键盘在显示屏上画线和构造梯形图。画的结果被转换成计算机语言并且作为运用程序运行。
计算机代替了控制过程所需要的许多外部接线。PLC 可以操作带有输出设备的任何系统的继续和断开（我们所知道的离散的或数字的输出）。它也可以操作有可变（模拟）输出的任意系统。PLC 可以通过开关设备（离散的、数字的）或者可变（模拟）输入设备在输入端工作。
今天，在PLC 工业中，大单元的增长处于越来越小型化的低端。几年前，当微型PLC 进入市场时，有些人认为这些设备已经降到最低点了。现在，纳米级PLC ——通常认为16个或者更少的IO 口——正在发展，一些可以装进衬衣口袋，比纸牌还小，在这篇论文期用。PLCDiret 公司计划推出一款糖果盒大小的PLC ，它将包含现有微型PLC 模型的许多特征。
在20世纪60年代末，70年代初，第一个PLC 系统从传统的计算机逐渐进化。首批PLC 主要被安装在自动化工厂。通常的，自动化工厂在模型完全转换前需要关闭将近一个月。早期的的PLC 被用来和其他的新自动技术来缩短完全转换时间。主要的耗时安全转换之一是需要重新布线或布继电器和控制电容之间的接线。PLC 键盘重新编程过程取代了重新布大量线、继电器、定时器和其他元件之间的线。新的PLC 可以速度按大约几天的安全转换时间。
20世纪70年代，在这些早期的计算机或PLC 程序重调过程中，存在一个主要的问题。程序被复杂化并需要一个训练有素的程序员来进行修改。在20世纪70年代之间，在PLC 程序中做出了许多改进，使它们界面更友好。1978年，微机芯片的出现，增强了各种自动化系统中计算机能力并降低了计算机成本。机器人，自动化装置，和各种类型的计算机，包括PLC ，也随之经历了许多改进。PLC 程序，被用高级语言编程，变得更易理解，PLC 变得更廉价了。
在20世纪80年代，随着单位美元计算机功率的增加，PLC 的使用开始指数增长，一些大型的电子和计算机公司，和一些多种多样的电子产品部门发现PLC 已成为他们最大的批量产品。PLC 的市场从1978的每年8千万美元的订单到1990年每年10亿美元，并且继续在增长。甚至以前使用计算机数控的机床工业也在使用PLC 。PLC 也被广泛的用在建筑能源和安全控制系统上。在20世纪90年代，其他的非传统的PLC 应用，例如家庭和医疗设备，也在迅速增长，并且在进入新千年得到进一步增加。
精通继电器逻辑系统的人能够在数小时内掌握PLC 的主要功能。这些功能可能包括线圈、触点、定时器和计数器。对具有数字逻辑背景的人也是一样。然而，对于不熟悉梯形图或者数字原理的人学习过程需要花费更多时间。
一个熟悉继电器逻辑的人在适当指导下可以在几天内掌握高级PLC 功能，公司培训和操作手册在掌握这些先进的功能时非常有用。高级功能的学习顺序包括顺序磁鼓控制器、位寄存器和移位功能。
3、下面是使用程序控制器的8个主要优势：
① 灵活性 在过去，每一个不同的电控制生产机器需要有自己的控制器，15个机器也许需要15个不同的控制器。现在仅仅需要一个PLC 模块来运行15个机器中的任何一个是可能的。而且，你可能需要少于15个控制器，因为一个PLC 可以很容易地运行许多机器，PLC 控制下的这15台机器中的每一个都有自己独立的程序。
② 实现变更和校正误差 对于一个线路连接的继电器面板来说，任何程序变更都需要时间去 给面板和设备重新布线。当PLC 程序回路或者顺序设计产生改变，（那么）这个PLC 程序可以在几分钟内由输入的改变而发生改变，PLC 控制系统不需要重新布线。如果在一个PLC 控制梯形图中一个程序误差不得不校正，变更也可以迅速的输入。
③ 大量接触器 在PLC 的程序里有大量的接触器提供给每一个可供使用的线圈。假定一个面板连线的继电器有4个接触器，当设计变更需要三个以上的接触器时所有的都会被使用。不得不花费时间去采购并安装一个新的继电器或者继电器接触模块。然而，使用PLC 仅三个以上的接触器被输入。在PLC 里这三个继电器将自动启动，实际上，一个继电器可以使用一百个接触器——如果计算机有足够的内存可供使用。
④ 低成本 发展的技术使压缩到体积更小，价格更低的封装件中更多功能成为可能。现在你花费几百美元就可以购买一个有大量继电器、定时器、计数器、定序器和其他功能的PLC
⑤ 领示运行 PLC 程序路可以在办公室或者实验室里预行动和评估。如果需要程序可以被输入、测试、观察
和需要时的修改，节省了宝贵的工厂生产时间。相比较而言，传统的继电器系统必须在生产现场被很好的调试，非常的耗时
⑥ 可视化观察 一个PLC 电路的操作可以通过一个CRT 屏幕直接被观测到。电路操作或者误操作在它一发生就可以观察到。当它们一通电逻辑路径就在显示器上显示，在可视化观察中故障排除可以更快的运行。
在先进的PLC 系统中，对于每一个可能的故障，可以编程一个操作信息，当故障被PLC 发觉时故障说明就出现在显示屏上（例如七号电机过载) 先进的PLC 系统也有关于每一个回路部分的功能描述。例如，在表格中输入#1可能有“传送或限制切换”的描述出现在表格中。
⑦ 操作速度 继电器可以花费大量难以接受的时间启动。PLC 程序操作是非常快的。PLC 逻辑操作速度取决于几微秒的扫描时间。
⑧ 梯形图或者布尔编程法 一个电工或者技术员可以使用梯形图完成PLC 编程。作为另外一个选择，一个以数字或布尔控制系统工作的PLC 编程员也以轻松地完成PLC 编程
4、PLC 系统概述
在图8.2的方块中显示了PLC 系统的四个主要单元和它们是如何互相连接的，四个主要部分是：
1) 中央处理器（CPU ）它是系统的核心，拥有三个部件。
a.
c. 微处理器 执行数学和逻辑操作的计算机中心 电源 电源把交流线路的电压转换成不同值的工作直流电压。在这个过程中，电源滤波和调整直流b. 内存 CPU 里数据和信息存放和获取的地方。保存系统软件和用户程序。 电压以确保合适的计算机操作。
2）编程器/ 监视器 PM 是一个和PLC 电路交流的装置。手持终端、工业终端和个人电器作为PM 设备存在。在一个手持单元里，输入通过隔膜键区产生并且显示屏通常是液晶的。随着工业终端和个人电脑更复杂，打字机型的键盘，阴极射线管被采用。
3）I/O口模块 输入模块有由传感器或变送器产生的外部过程电信号的输入终端。如果需要，可以增加一个连接I/O口模块和远端位置的电子系统。在PLC 控制下的实际操作程序距CPU 和他的I/O模块可以有几千尺。
4）机架 机架上安装PLC 零件并且在机壳上安装CPU 和CPU 、pm 和I/O模块
打印机 打印CPU 中程序的一种设备。另外，操作信息可以在命令下被打印出来。
演示器 一些老的PLC 系统利用磁带为CPU 程序提供次级存储介质。当今，PLC 用软盘并用硬盘作为次级存储。存储的程序提供备份以及从PLC 过程系统离线编写程序的下载方法。
对于大规模运行，主机经常用来协调许多单独的，或者相互连接的PLC 。在这样的系统中，相互连接的电气总线有时被称为数据高速公路。
Unit 8 基于计算机网络的工业控制
1、 网络类型
计算机集成制造是一种（通过）集成硬件和集成软件来实现全面自动化的原理。尽管每一个公司对CIM 的含义有自己的理解，但大多数类似于图8•1的模式。在这个图中，显示了分布一个工厂的、专用的过程任务。由于计算机被从实际的制造领域中移走，它们的功能从实时控制转向监督。
通常认为至少需要三层的计算机集成来为CIM 工作，即：单元级、装置级和厂级。每一级在它的执行任务范围内都有确定的任务。例如，单元控制器通常负责数据采集和直接的机器控制。区域控制器被分配的任务是机器和工具的管理、跟踪维护、物料输送和跟踪，以及计算机辅助仿真和设计设备。厂及计算机负责例如：采购、账目、物料管理、资源计划和报表生成这样的事情。
当你开发一个CIM 系统时，最好从最低层开始，参考图8•1，完整的开发每个单元控制开始，然后做下一个单元等等。然后开发区域控制器。只有当单元控制器的功能良好时你才能开发厂级控制器。如果CIM 系统失效，它们的失败主要有两方面的原因。首先，系统设计是从厂级控制器的顶层开始并从上往下进行。这样不能工作——它是反向的。系统不能正常在线工作的第二个原因可能是使用了不同制造商生产的机器。例如，在4个单元里，我们有17个独立的单元装置。你的公司(需要) 取得17台机器和5台电脑作为单元控制器。当联接后，电脑和机器之间不能交流，不能共同工作。当你给电脑制造商和17台单元设备制造商打电话时，你会发现没有人为装置间的通讯负责。每一个制造商只为自己设备的程序负责。在一个CIM 工程中，买任何设备前需要确定设备间的通讯能力。一个组织或个人，在工程时间期限前，能够为CIM 单元写出编程整个网络程序。
从技术上讲，任何一个电脑包括PLC ，既能够执行控制任务也能够执行监控任务。然而，趋势是定制计算机来实现特定的应用。这些定制的控制器被称为厂型控制器。从CIM 的层次结构可以看出，（采用）专用计算机是有利的。实际上，很多公司正在生产计算机来满足每一个CIM 层的特殊要求。不变地，在每一个CIM 中，大型计算机总是被放置在大型设备的厂层。在这些情况下，这些计算机被用来处理像存货清单和工资单这样的工作。为了提升它们到CIM 金字塔的顶层，简单地选择合适的软件。这些电脑通常生产现场。它们所需要的整个信息是从整个工厂下级的区域控制器的主机中获得。
区域控制器通常在生产现场，因此而遭受恶劣的环境。一种被称为工业控制计算机的专用计算机为这种应用已经被开发出来。一个PC 机和工业控制计算机的主要差别在于物理结构。非常简单，工业机被生产是为了抵抗高温、强震动，电磁干扰环境，和野蛮操作。由于它们的的工作在本质上仍是监管，所以它们的工作硬件和一个ＰＣ机的没有显著地差别。再者是软件将普通计算机转变为工业控制计算机，PC 作为强有力的区域控制器的位置竞争者不能被排除。个人计算机价格低廉，有大量的复制，它们很充足。使用PC 机实现区域控制的另一个优点是已经为这样的计算机提供了一个大的软件平台。
最专业的计算机是单元控制器，他们被用来控制工作单元。一个单元被定义为：集中执行一个单元的制造过程中的一组设备和工具。因此，在单元内部调整动作的计算机有专用的硬件需求和软件需求。这样的计算机有多个数据通道，通过它和不同的单元装置进行交流。
通常，单元控制使用PLC 来完成，它们是为这一特定目的设计的。然而，一个CIM 结构需要单元协调器程序，能够和其他的单元控制器，以及区域控制器交流。在这方面，PLC 语言是受到约束的。另外，多数PLC 语言不能很好的有助于他们自己来分析和记录保管任务。
2、 PLC 系统
起初，PLC 是用首字母来表示的，由于它通常用来表示个人计算机，使用这个缩写词有时会产生混淆。现在PLC 被普遍认为是可编程逻辑控制器。
一个PLC 是用户有好的基于微处理器的专用计算机，能够实现许多种复杂水平的控制功能，它的目的是监控重要的过程参数并相应的调整过程操作。它能够被一个不熟练计算机操作的人编辑、控制和操作。本质上讲，一个PLC
操作员使用键盘在显示屏上画线和构造梯形图。画的结果被转换成计算机语言并且作为运用程序运行。
计算机代替了控制过程所需要的许多外部接线。PLC 可以操作带有输出设备的任何系统的继续和断开（我们所知道的离散的或数字的输出）。它也可以操作有可变（模拟）输出的任意系统。PLC 可以通过开关设备（离散的、数字的）或者可变（模拟）输入设备在输入端工作。
今天，在PLC 工业中，大单元的增长处于越来越小型化的低端。几年前，当微型PLC 进入市场时，有些人认为这些设备已经降到最低点了。现在，纳米级PLC ——通常认为16个或者更少的IO 口——正在发展，一些可以装进衬衣口袋，比纸牌还小，在这篇论文期用。PLCDiret 公司计划推出一款糖果盒大小的PLC ，它将包含现有微型PLC 模型的许多特征。
在20世纪60年代末，70年代初，第一个PLC 系统从传统的计算机逐渐进化。首批PLC 主要被安装在自动化工厂。通常的，自动化工厂在模型完全转换前需要关闭将近一个月。早期的的PLC 被用来和其他的新自动技术来缩短完全转换时间。主要的耗时安全转换之一是需要重新布线或布继电器和控制电容之间的接线。PLC 键盘重新编程过程取代了重新布大量线、继电器、定时器和其他元件之间的线。新的PLC 可以速度按大约几天的安全转换时间。
20世纪70年代，在这些早期的计算机或PLC 程序重调过程中，存在一个主要的问题。程序被复杂化并需要一个训练有素的程序员来进行修改。在20世纪70年代之间，在PLC 程序中做出了许多改进，使它们界面更友好。1978年，微机芯片的出现，增强了各种自动化系统中计算机能力并降低了计算机成本。机器人，自动化装置，和各种类型的计算机，包括PLC ，也随之经历了许多改进。PLC 程序，被用高级语言编程，变得更易理解，PLC 变得更廉价了。
在20世纪80年代，随着单位美元计算机功率的增加，PLC 的使用开始指数增长，一些大型的电子和计算机公司，和一些多种多样的电子产品部门发现PLC 已成为他们最大的批量产品。PLC 的市场从1978的每年8千万美元的订单到1990年每年10亿美元，并且继续在增长。甚至以前使用计算机数控的机床工业也在使用PLC 。PLC 也被广泛的用在建筑能源和安全控制系统上。在20世纪90年代，其他的非传统的PLC 应用，例如家庭和医疗设备，也在迅速增长，并且在进入新千年得到进一步增加。
精通继电器逻辑系统的人能够在数小时内掌握PLC 的主要功能。这些功能可能包括线圈、触点、定时器和计数器。对具有数字逻辑背景的人也是一样。然而，对于不熟悉梯形图或者数字原理的人学习过程需要花费更多时间。
一个熟悉继电器逻辑的人在适当指导下可以在几天内掌握高级PLC 功能，公司培训和操作手册在掌握这些先进的功能时非常有用。高级功能的学习顺序包括顺序磁鼓控制器、位寄存器和移位功能。
3、下面是使用程序控制器的8个主要优势：
① 灵活性 在过去，每一个不同的电控制生产机器需要有自己的控制器，15个机器也许需要15个不同的控制器。现在仅仅需要一个PLC 模块来运行15个机器中的任何一个是可能的。而且，你可能需要少于15个控制器，因为一个PLC 可以很容易地运行许多机器，PLC 控制下的这15台机器中的每一个都有自己独立的程序。
② 实现变更和校正误差 对于一个线路连接的继电器面板来说，任何程序变更都需要时间去 给面板和设备重新布线。当PLC 程序回路或者顺序设计产生改变，（那么）这个PLC 程序可以在几分钟内由输入的改变而发生改变，PLC 控制系统不需要重新布线。如果在一个PLC 控制梯形图中一个程序误差不得不校正，变更也可以迅速的输入。
③ 大量接触器 在PLC 的程序里有大量的接触器提供给每一个可供使用的线圈。假定一个面板连线的继电器有4个接触器，当设计变更需要三个以上的接触器时所有的都会被使用。不得不花费时间去采购并安装一个新的继电器或者继电器接触模块。然而，使用PLC 仅三个以上的接触器被输入。在PLC 里这三个继电器将自动启动，实际上，一个继电器可以使用一百个接触器——如果计算机有足够的内存可供使用。
④ 低成本 发展的技术使压缩到体积更小，价格更低的封装件中更多功能成为可能。现在你花费几百美元就可以购买一个有大量继电器、定时器、计数器、定序器和其他功能的PLC
⑤ 领示运行 PLC 程序路可以在办公室或者实验室里预行动和评估。如果需要程序可以被输入、测试、观察
和需要时的修改，节省了宝贵的工厂生产时间。相比较而言，传统的继电器系统必须在生产现场被很好的调试，非常的耗时
⑥ 可视化观察 一个PLC 电路的操作可以通过一个CRT 屏幕直接被观测到。电路操作或者误操作在它一发生就可以观察到。当它们一通电逻辑路径就在显示器上显示，在可视化观察中故障排除可以更快的运行。
在先进的PLC 系统中，对于每一个可能的故障，可以编程一个操作信息，当故障被PLC 发觉时故障说明就出现在显示屏上（例如七号电机过载) 先进的PLC 系统也有关于每一个回路部分的功能描述。例如，在表格中输入#1可能有“传送或限制切换”的描述出现在表格中。
⑦ 操作速度 继电器可以花费大量难以接受的时间启动。PLC 程序操作是非常快的。PLC 逻辑操作速度取决于几微秒的扫描时间。
⑧ 梯形图或者布尔编程法 一个电工或者技术员可以使用梯形图完成PLC 编程。作为另外一个选择，一个以数字或布尔控制系统工作的PLC 编程员也以轻松地完成PLC 编程
4、PLC 系统概述
在图8.2的方块中显示了PLC 系统的四个主要单元和它们是如何互相连接的，四个主要部分是：
1) 中央处理器（CPU ）它是系统的核心，拥有三个部件。
a.
c. 微处理器 执行数学和逻辑操作的计算机中心 电源 电源把交流线路的电压转换成不同值的工作直流电压。在这个过程中，电源滤波和调整直流b. 内存 CPU 里数据和信息存放和获取的地方。保存系统软件和用户程序。 电压以确保合适的计算机操作。
2）编程器/ 监视器 PM 是一个和PLC 电路交流的装置。手持终端、工业终端和个人电器作为PM 设备存在。在一个手持单元里，输入通过隔膜键区产生并且显示屏通常是液晶的。随着工业终端和个人电脑更复杂，打字机型的键盘，阴极射线管被采用。
3）I/O口模块 输入模块有由传感器或变送器产生的外部过程电信号的输入终端。如果需要，可以增加一个连接I/O口模块和远端位置的电子系统。在PLC 控制下的实际操作程序距CPU 和他的I/O模块可以有几千尺。
4）机架 机架上安装PLC 零件并且在机壳上安装CPU 和CPU 、pm 和I/O模块
打印机 打印CPU 中程序的一种设备。另外，操作信息可以在命令下被打印出来。
演示器 一些老的PLC 系统利用磁带为CPU 程序提供次级存储介质。当今，PLC 用软盘并用硬盘作为次级存储。存储的程序提供备份以及从PLC 过程系统离线编写程序的下载方法。
对于大规模运行，主机经常用来协调许多单独的，或者相互连接的PLC 。在这样的系统中，相互连接的电气总线有时被称为数据高速公路。