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電氣控制技術發展的四個階段
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電氣控制技術發展的四個階段

  • 分類:行業新聞
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-08-29 17:44
  • 訪問量:

【概要描述】

電氣控制技術發展的四個階段

【概要描述】

  • 分類:行業新聞
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-08-29 17:44
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詳情
現在電氣工程及其自動化的觸角已伸向各行各業,小到一個開關的設計,大到宇航飛機的研究,都有它的身影。電氣控制技術的發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展階段及其特點,對于學習電氣控制柜的制作有很大幫助。
電氣控制技術發展的四個階段
開關控制電器階段
早期的電氣控制都比較簡單,主要是實現電器與電源之間的通斷控制。由于當時的電器電壓不是很高,電流不是很大,所以開關普遍采用裸露的非封閉形式,因此稱為可見斷點的開關。可見斷點的開關因為其接通和斷開狀態一目了然,從心理上可以給人安全感,而且實際上在斷開狀態下也確實是安全的。比較有代表性的開關電器就是刀開關,至今仍然在普遍使用。
早期的刀開關一般由人直接操作,開關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。因為電壓較高及電流較大的開關在接通和斷開的過程中會產生強烈的電弧,電弧會將開關的接觸部分燒壞,電弧還會危及操作者的人身安全。為了解決電弧的危害,一是在開關上采用機械速動裝置,減少產生電弧的時間;二是采用滅弧裝置,減小電弧并降低電弧的溫度;三是將開關用外殼完全封閉起來,避免對人的傷害;四是利用杠桿機構操作開關,使人處于安全位置;五是采用電動操作機構,實現開關的遠距離操控和自動控制。
為了安全起見,根據國家標準,一般電氣控制中的隔離開關應采用可見斷點的開關。對于全封閉型開關及遠距離操控開關,必須在操作器件上醒目地標示出開關接通和斷開位置。對于自動控制開關,則必須在操作后有檢測開關通斷狀態的反饋信號顯示,以確保操作的可靠性和安全性。
繼電控制電器階段
“繼電保護”是輸變電過程中的一種專門技術,是由各種繼電器及量測設備組成的保護電路,目的是保證持續不間斷供電。“繼電保護”技術的發展為電氣自動控制技術的發展奠定了基礎。
繼電控制是利用具有繼電特性的元件進行控制的自動控制系統。所謂繼電特性是指,在輸入信號作用下輸出僅為通、斷等幾個狀態的特性。由于其控制方式是斷續的,故稱為斷續控制系統。例如,電爐溫度調節中,根據爐溫是否超過規定值而斷開或接通電源。這種只有通、斷兩個狀態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現繼電特性。例如,在雙位式溫度調節中,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不同而彎曲變形,接通或斷開觸點。液壓和氣動閥等也是具有繼電特性的元件。
各種接觸器、繼電器的使用,對電氣控制技術的發展具有決定性的意義。各種接觸器、繼電器的操作方式徹底顛覆了開關設備只能近身操作的觀念,開啟了遠距離電氣操作的時代。繼電器是一種當輸入量(電、磁、聲、光、熱)達到一定值時,輸出量將發生跳躍式變化的自動控制器件。繼電器除具有開關功能外,還具有比較多的其他控制功能,這些功能為實現電氣自動控制立下了汗馬功勞。繼電器與早期的開關電器相比具有以下特點。
1.具有記憶功能
利用繼電器的接點可以連接成自保持電路,即使控制信號消失,繼電器仍然可以保持控制指令的狀態,這就是繼電器的記憶功能。繼電器的記憶功能是實現自動控制的基本條件,在電氣自動控制中應用相當普遍。
2.動作速度快
繼電器的動作一般由電磁鐵控制,其動作速度一般只有零點幾秒。繼電器的動作速度比其他機械結構的開關電器快,有利于減小電弧,用于電壓較高、電流較大的控制場合。
3.可以實現較遠距離控制
繼電器的控制回路中電流很小,因此在控制回路導線截面積一定的情況下,電壓降很小,所以可以進行較遠距離的控制。
4.可以實現非電量的控制
利用時間繼電器可以實現對時間的控制;利用速度繼電器可以實現對速度的控制;利用溫度繼電器可以實現對溫度的控制;利用干簧式或磁保持繼電器可以實現對磁場的控制;利用步進繼電器可以實現順序控制等。繼電器對非電量的控制,較大地擴展了電氣自動控制的應用領域。
5.具有放大作用
繼電器利用工作電流很小的控制回路控制通斷能力很大的主接點,可以控制很大功率的電路,因此繼電器具有放大作用。
6.可以實現各種保護
1)失電壓保護和欠電壓保護
利用繼電器電磁鐵線圈在失電壓和欠電壓狀態時不能吸合的特點,實現失電壓保護和欠電壓保護。
2)過電壓保護
利用電壓繼電器可以實現過電壓保護。
3)短路保護、過電流保護和過載保護
利用熱繼電器可以實現短路保護、過電流保護和過載保護。
4)斷相保護
斷相后其余兩相的電流必然增大,利用熱繼電器或電流繼電器可以實現斷相保護。
7.可以實現監測功能
根據每一個繼電器的控制功能,其接點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,并可以實現故障顯示、報警和監測功能。
8.擴大控制范圍
多觸點繼電器控制信號達到某一定值時,可以按觸點組的不同形式,同時換接、斷開、接通多路電路。
9.綜合信號功能
根據電氣控制邏輯的需要,將多個控制信號按規定(串聯、并聯或混聯)的形式輸入多繞組繼電器時,經過比較、綜合,實現預定的控制目標。
正是由于繼電器具有上述強大功能,自動裝置上的繼電器與其他電器一起可以組成程序控制線路,從而實現自動化運行。正是由于繼電器的出現,人類才第一次實現了電氣控制自動化。因此,繼電器的運用在電氣控制的發展史上具有里程碑的意義。
繼電器接觸式控制系統具有控制結構簡單、方便實用、易于維護、控制容量大、抗干擾能力強、價格低廉等優點,繼電控制系統的主要優點是控制裝置比較簡單。對于同樣的功率,繼電控制裝置的質量和體積在各類控制系統中是比較小的,因此廣泛應用于各類設備的電氣控制。目前,繼電器接觸式控制仍然是電氣控制設備最基本的控制形式之一,繼電器-接觸器控制系統至今仍在許多生產機械設備中廣泛采用。
繼電控制系統的主要缺點是控制的非線性。但也存在接線方式固定、靈活性差、難以適應復雜和程序可變的控制對象的要求,另外還有工作頻率低的問題。由于繼電控制系統的電氣接點太多,接點的銹蝕、燒蝕、熔合及接觸不良,使繼電控制系統的故障率較高,存在可靠性差的問題。同時繼電器的線圈耗電量很大,既不符合當代綠色環保要求,又不易實現電氣控制設備小型化的要求。
數字邏輯控制階段
開關電器和繼電器控制的實質就是開關量的控制,因為只有接通“1”和斷開“0”兩個狀態。
這里所講的數字邏輯控制階段是指,集成電路普遍采用以后,使用邏輯門電路進行的數字邏輯控制。盡管繼電控制系統也可以進行一些比較簡單的數字邏輯控制,但是由于繼電控制系統實現這些邏輯電路結構十分復雜、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,對設計人員的要求很高,最終往往需要通過實驗才能解決。
在實際生產中,由于大量存在一些用開關量控制的簡單的程序控制過程,而實際生產工藝和流程又是經常變化的,因而傳統的繼電器接觸式控制系統通常不能滿足這種要求,因此曾出現了繼電器接觸控制和電子技術相結合的控制裝置,叫作順序控制器。它能根據生產需要改變控制程序,而又遠比電子計算機結構簡單、價格低廉,它是通過組合邏輯元件插接來實現繼電器接觸控制的。但裝置體積大,功能也受到一定限制。
集成電路的邏輯門芯片具有體積小、質量輕、耗電量小、工作可靠的特點。集成的各種門電路、觸發器、寄存器、編碼器、譯碼器和半導體存儲器組成組合邏輯電路和時序邏輯電路廣泛應用在電氣自動控制中,并且比較成功地解決了組合邏輯電路的競爭—冒險現象。
數字邏輯控制階段最為成功的案例是數控機床的應用。為解決占機械總加工量80%左右的單件和小批量生產的自動化難題,20世紀50年代出現了數控機床。它綜合應用了數字邏輯控制、檢測、自動控制和機床結構設計等各個技術領域的最新技術成就。數控機床由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體等部分組成,其中伺服系統的性能是決定數控機床加工精度和生產率的主要因素之一。
電子計算機控制階段
1971年,Intel公司設計了世界上第一個微處理器芯片Intel 4004,并以它為核心組成了世界上第一臺微型計算機MCS-4。它開創了計算機應用的新時代。但是將普通PC直接移植于電氣控制系統,存在系統過于復雜、成本太高的問題。直到專門為工業控制而設計的單片機誕生,這一問題才得以解決。
1.單片機
單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把整個計算機系統集成到一個芯片上。概括地講,一塊芯片就是一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、軟件可修改、為應用和開發提供了便利條件。利用單片機可以實現柔性控制、通信技術、多目標控制、仿真與智能控制。
單片機雖然具有強大的功能,但是它的價格很低(一般在十元以內)。低廉的價格和強大的功能為單片機在電氣控制領域內的應用創造了條件。目前,單片機的使用領域已十分廣泛,如智能儀表、實時工控、通信設備、導航系統、家用電器等。
單片機的最小系統只用一片集成電路,它作為控制部分的核心部件,可進行簡單的運算和控制。因為它體積小,通常都藏在被控設備的“肚子”內。一個單片機系統的最低價格只有幾十元。單片機控制系統使用靈活,多用于有一定生產批量、專業性比較強、市場面不是很大的領域。因為如果市場面很大,生產批量大,就會有更加經濟的專用控制芯片生產出來。單片機控制系統比較適宜小批量生產及在舊設備技術改造中應用。
2.可編程邏輯控制器(PLC)
隨著大規模集成電路和微處理機技術的發展及應用,電氣控制技術也發生了根本性的變化,在20世紀70年代,出現了將計算機存儲技術引入順序控制器,產生了新型工業控制器—可編程序控制器(PLC),它兼備了計算機控制和繼電器控制系統兩方面的優點,故目前在世界各國已作為一種標準化通用電器普遍應用于工業自動控制領域。
可編程控制器技術是以硬接線的繼電器-接觸器控制為基礎,逐步發展為既有邏輯控制、計時、計數,又有運算、數據處理、模擬量調節、連網通信等功能的控制裝置。它可通過數字量或模擬量的輸入、輸出滿足各種類型設備控制的需要。可編程控制器及有關外部設備,均按既易于與工業控制系統組成一個整體,又易于擴充其功能的原則設計。可編程控制器已成為生產機械設備中開關量控制的主要電氣控制裝置。
可編程邏輯控制器(PLC)是利用單片機技術由模仿原繼電器控制原理發展起來的,20世紀70年代的PLC只有開關量邏輯控制,首先應用的是汽車制造行業。它用來存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令,并通過數字輸入和輸出操作,來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求,并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行,以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序存儲地址的程序計數器,在程序運行過程中,每執行一步該計數器自動加1,程序從起始步(步序號為零)起依次執行到最終步(通常為END指令),再返回起始步循環運算。PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。
不同型號的PLC,循環掃描周期在1μs到幾十μs之間。PLC用梯形圖編程,在計算邏輯方面,表現出快速的優點,掃描周期在微秒量級,計算1KB邏輯程序用時不到1ms。它把所有的輸入都當成開關量來處理,16位(也有32位的)為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算,把計算結果傳送給PLC的控制器。
對于相同I/O點數的系統,用PLC比用計算機集中控制系統(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(最多可達8000多個I/O)。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少,采用小型PLC較為合適。PLC由于采用通用軟件,在設計企業的管理信息系統方面要容易一些。
通用PLC應用于專用設備時,可以認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定性。可編程控制器作為離散控制的首選產品,以微處理器為核心,通過軟件手段實現各種控制功能。它具有通用性強、可靠性高、能適應惡劣的工業環境、指令系統簡單、編程簡便易學、易于掌握、體積小、維修工作少、現場連接安裝方便等一系列優點,正逐步取代傳統的繼電器控制系統,廣泛應用于各個行業的控制中。

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發布時間:2019-08-14 00:00:00

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