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１ 托馬斯 耶斯 美國 普林斯頓大學(xué) 電氣測試與應(yīng)用專業(yè) 收， 改 錄 摘要 這篇文章主要介紹基于 制系統(tǒng)的對傳統(tǒng)控制實驗室的設(shè)計和實現(xiàn)。為了整體設(shè)計和實現(xiàn)，必須分作兩部分介紹，第一部分是 件設(shè)計，第二部分是基于試驗程序相關(guān)的硬件設(shè)計。該 統(tǒng)使用 業(yè)控制系統(tǒng)公司的 列 24/16 數(shù)字端口以及單一類似 I/O 模塊 ，兩個 司的光電傳感器：一個要有 型，另一個要有 型。一個測試過的具有 5 向靈敏度的接近開關(guān)。四個由 段 。兩極和三極繼電器各一個，六個電壓表和一個電流表。一個直流電機一個 24V 直流電源，導(dǎo)線若干，按鈕若干。通過執(zhí)行 24 組經(jīng)典控制實驗可以得到可信的結(jié)果，以前由 現(xiàn)的實用系統(tǒng)現(xiàn)在可以由 現(xiàn)。 關(guān)鍵詞 ： 制系統(tǒng) 光電傳感器 1． 紹 編程邏輯控制器）是用于各種自動控制系統(tǒng)和過程的可控網(wǎng)絡(luò) 集線器。他們包含多個輸入輸出，輸入輸出是用晶體管和其它電路，模擬開關(guān)和繼電器來控制設(shè)備的。軟件接口，標(biāo)準(zhǔn)計算器接口，專門的語言和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備編程。 可編程邏輯控制器 I/O 通道規(guī)則包括所有的輸入觸點和輸出觸點，擴展能力和最大數(shù)量的通道。觸點數(shù)量是輸入點和輸出點的總和。 以指定這些值的任何可能的組合。擴展單元可以被堆棧或互相連接來增加總的控制能力。最大數(shù)量的通道是在一個擴展系統(tǒng)中輸入和輸出通道的最大總數(shù)量。 統(tǒng)規(guī)則包括掃描時間，指令數(shù)量，數(shù)據(jù)存儲和程序存儲。掃描時間是 要的用來檢測輸 入輸出模塊的時間。指令是用于 件（例 ２ 如數(shù)學(xué)運算）的標(biāo)準(zhǔn)操作。數(shù)據(jù)存儲是存儲數(shù)據(jù)的能力。程序存儲是控制軟件的能力。 用于可編程邏輯控制器的輸入設(shè)備包括 間繼電器，熱電偶， 率或脈沖，晶體管和中斷信號輸入；輸出設(shè)備包括 電器，中間繼電器，頻率或脈沖，晶體管，三端雙向可控硅開關(guān)元件； 編程設(shè)備包括控制面板，手柄和計算機。 可編程邏輯控制器用各種軟件編程語言來控制。這些語言包括 序執(zhí)行表（ 動作方塊圖（ 梯形圖（ 結(jié)構(gòu)文本（ 指令序列（ 繼電器梯形圖（ 流程圖， C 語言和 言。 程環(huán)境能支持五種語言，用國際標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范，分別為 便允許了多賣主兼容性和多種語言編程。 一種圖表語言，它提供了編程順序的配合，就能支持順序選擇和并列選擇，二者擇其一即可。 一種大的運行庫，以圖表形式建立了一些復(fù)雜的過程。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)和邏輯運行可以與用戶交流和接口運行相結(jié)合。 適用于離散控制和互鎖邏輯的圖表語言。它在離散控制上與 完全兼容的。 一種文本語言 ，用于復(fù)雜的數(shù)學(xué)過程和計算，不太適用于圖表語言。 與組合編碼相似的低級語言。它用在相對比較簡單的邏輯指令。繼電器梯形圖或梯形圖是適用于可編程邏輯控制器的重要的編程語言。梯形圖編程是設(shè)計成繼電器邏輯程序的圖表表示法。流程圖是一種圖表語言，用于在一個控制器或應(yīng)用軟件中描述順序操作，它用于建立有標(biāo)準(zhǔn)組件的可循環(huán)使用的運行庫。 C 語言是一種高級編程語言，適用于處理最復(fù)雜的計算，連續(xù)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。它典型地在 上運行調(diào)試。 言是用于處理數(shù)據(jù)的連續(xù)的數(shù)字采集和接口運行的高級語言。 可編程邏輯控制器也規(guī)范 了許多計算機接口設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)規(guī)則和特色。 源設(shè)備和運行環(huán)境也是非常重要的。 2．指令 對于簡單的編程，繼電器型 有效的。隨著功能的復(fù)雜化，復(fù)雜的 必須被采用。一個 算機一次只能執(zhí)行一個指令，他們是這樣運行的，盡管許多計算機看上去一次在做許多事情。正如圖 1 所示的計算機組成。 ３ 圖 1 簡化個人計算機結(jié)構(gòu)圖 輸入是通過鍵盤和鼠標(biāo)得到的。輸出被送到屏幕。磁盤和存儲器用于輸入和輸出存儲（注意：這些箭頭的方向?qū)τ谠O(shè)計者是非常重要的，要注 意表明信息是流向哪里的。）這個圖表可以像圖 2 那樣能被重新擬訂來闡明輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的作用。 ４ 在這個圖表中數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備進入左邊。（注意：大多數(shù)設(shè)計圖表都是左邊輸入，右邊輸出的。）在進入 前，它穿過緩沖電路。 過其他回路輸出數(shù)據(jù)。存儲器和磁盤用語存儲要輸出的數(shù)據(jù)。如果我們把個人計算機看作一個控制器，它通過在屏幕上輸出激勵和輸入來自鼠標(biāo)和鍵盤的響應(yīng)來控制用戶。 是一個控制過程的計算機。當(dāng)與應(yīng)用程序完全結(jié)合起來時，類似之處變成： 輸入設(shè)備 — 鍵盤與接近開關(guān)相類比。 輸入電路 — 連續(xù)輸入芯片就像一個直流 24V 的輸入卡。 計 算 機 — 686像一個 塊。 輸出電路 — 圖形卡就像一個三相開關(guān)輸出卡。 輸出設(shè)備 — 監(jiān)控器就像指示燈。 存 儲 器 — 存儲器與個人計算機的存儲器相似。 用普通個人計算機可以 運行 然則并不被提倡做。就 說，輸入和輸出 設(shè)備設(shè)計得更加可靠，更加粗糙，更適合惡劣的制造環(huán)境。 3．運行順序 所有的 統(tǒng)有每秒鐘重復(fù)多次的四種基本運行階段。最初被第一次接通時，它會檢測它的硬件和軟件是否有錯誤。如果沒有錯誤，它會把所有輸入和輸入值復(fù)制到存儲器，這叫輸入掃描。只用復(fù)制了輸入值的存儲器，梯形邏輯圖將被解決一個，這叫邏輯掃描。在解決梯形圖期間，輸出值只在臨時存儲器中被改變。當(dāng)梯形圖掃描完成后，輸出將用存儲器中臨時值修正，這叫做輸出掃描。 時將從自我檢測開始重新啟動這個 過程，這個過程很明顯地每秒鐘重復(fù) 10 到 100 次，正如圖 3 所示 ５ 自我檢測 — 檢測是否所有的卡沒有錯誤，把時間繼電器復(fù)零等。（如果在很小一段時間內(nèi)沒有復(fù)零，時間繼電器會引起錯誤，關(guān)閉 統(tǒng)。 — 這會表明梯形圖沒有被正常掃描。） 輸入掃描 — 從芯片上的輸入卡讀取輸入值，并把輸入值復(fù)制到存儲器，這能使 快速地運行，并且避免從程序開始到結(jié)束輸入變化。（例如：意外停止）有一些特殊的 直接讀取輸入值，避免了輸入表格。 邏輯處理 /掃描 — 基于存儲器的輸入表格，程序被一次執(zhí)行一步，同時輸 出值也被修正，這是其它節(jié)的集中。 輸出掃描 — 輸出表格從存儲器復(fù)制到輸出芯片，這些芯片然后驅(qū)動輸出儀器。 輸入輸出掃描經(jīng)常會令初學(xué)者感到迷惑，但是他們是很重要的。輸入掃描是輸入值的快照，并且解決邏輯關(guān)系。在一個梯形圖掃描期間，如果一個輸入在梯形圖的多個地方被用到，它就會起變化，潛在問題就可能發(fā)生，而輸入掃描卻避免了這些問題。這個邊境效應(yīng)是如果在一段持續(xù)時間內(nèi)如果一個輸入變化太短，它可能在輸入掃描之間會減少或者丟失。 當(dāng) 初被啟動時，通常的輸出會被關(guān)閉，這不會影響輸入值。 3． 1 輸入輸出掃描 當(dāng) 輸入值被掃描到 ，自然輸入值被復(fù)制到存儲器。當(dāng)輸出值被掃描到 ，他們將從存儲器復(fù)制到自然輸出設(shè)備。當(dāng)梯形圖被掃描時，它將用存儲器中的值，并不是實際的輸入輸出值。這樣做的主要原因是如果一個程序在多個地方用一個輸入值，那么輸入值的變化將使其邏輯關(guān)系無效。而且，如果隨著每塊的變化，輸出模塊也變化，在掃描結(jié)束時 運行速度將大大減慢。 ６ 3． 2 邏輯掃描 梯形邏輯程序圖是模仿繼電器邏輯圖的。在繼電器邏輯圖中，程序的每個元件將盡可能快地開關(guān)。但是在一個程序中，元件只能按固定的順序一次檢測一個。如圖 4 所示 ，梯形圖將按從左到右，從上到下的順序被解釋。在圖中，梯形邏輯掃描將從最高層開始。在底層，它將先解釋高層輸出，然后輸出它下面的分支。在第二層，沿著梯形邏輯圖移動之前，將先解釋分支。 圖 4 梯形圖邏輯執(zhí)行順序 解決梯形邏輯程序時，邏輯掃描順序會變得非常重要。梯形圖輸出作為輸入，考慮輸出應(yīng)用時，它也變得非常重要。如圖 5 所示，梯形圖第一行將檢測輸入并把輸出 X 置 1，得到相同的值。第二行將檢測輸入 B 并把輸出 X 置 1，得到相反的值。因此，直到梯形圖的第二行被掃描時 X 值才能與 A 相等。在邏輯掃描期間，輸出值只 能在存儲器中被改變，只有當(dāng)梯形邏輯掃描完成時，實際的輸出才能被修正。因此，在第二行的基礎(chǔ)上，輸出掃描將修正實際輸出值。并且梯形圖的第一行將無效。 ７ 4． 態(tài)顯示 在一個 ，缺少鍵盤和其他的輸入輸出設(shè)備是非常值得注意的。在 端通常有一定數(shù)量的狀態(tài)指示燈。通常指示燈表明： 電源啟動 — 只要 電，它將被啟動。 程序運行 — 這將指示是否程序正在運行或是否沒有程序正在運行。 錯誤顯示 — 當(dāng) 大的硬件或軟件錯誤時，這將有顯示。 這些燈通常用于調(diào)試。一定數(shù)量的按鈕也 將提供給 硬件。最普通的按鈕是一個運行 /編程選擇開關(guān)，當(dāng)在保持狀態(tài)時，它將被調(diào)到編程；當(dāng)在生產(chǎn)狀態(tài)時，它將被調(diào)到運行。一個 統(tǒng)幾乎沒有一個啟動關(guān)閉開關(guān)或復(fù)位開關(guān)在前面。這需要被設(shè)計到系統(tǒng)剩余部分。 狀態(tài)也能被梯形邏輯圖檢測。檢測程序是否第一次被執(zhí)行是非常普遍的。如圖 6所示。‘ 入在梯形圖被第一次掃描時，將是對的，而在其余的每次掃描時是錯誤的。這種情況下， 5 的‘ 地址是‘ 1/14’。根據(jù)例子中的邏輯關(guān)系，第一次掃描將封上‘ 直到‘ 啟動。因此燈將在 啟動之后變亮，但在‘ 啟動之后，它將關(guān)閉并且保持在關(guān)閉狀態(tài)?！?模塊在‘ 塊中被提到。 ８ 圖 6 核驗 一次掃描的程序 5．存儲器類型 有幾種基本的現(xiàn)在經(jīng)常使用的計算機存儲器類型： 機存儲器） — 這種存儲器速度很快，但是當(dāng)沒電時，它的內(nèi)容將被丟失。這是一種不穩(wěn)定存儲器，每個 運行時，都用這種存儲器作為中央處理器 。 讀存儲器） — 這種存儲器是永久 性的不可擦除的。它通常用于存放 操作系統(tǒng)。 擦除可編程只讀存儲器） — 這是一種像 樣可編程的存儲器，但是它能用紫外線光擦除并且可以重新編程。 可擦除可編程只讀存儲器） — 這種存儲器能像 樣存放程序。它能被編程并且用電壓擦除，因此它正變得比 加普遍。 所有的 統(tǒng)都用 儲 基本操作系統(tǒng)。當(dāng)有電時， 內(nèi)容被保存，但是問題在于當(dāng)供給存儲器的電源失去時會發(fā)生什么。原先 主用帶有電池的 樣如果不失電，存儲器的內(nèi) 容就不會丟失。這種方法現(xiàn)在仍被使用，但變得不那么受歡迎。 是 程的比較好的選擇。 部編程，然后被放入 啟動時，在 的梯形邏輯程序被下載 且運行。這種方法非常可靠，但是擦除和編程技術(shù)都是很消耗時間的。 儲器是 永久部分，程序能 樣被存放在他們中。存儲器的價錢一直在下降，新類型正變得可被利用，這些變化將繼續(xù)對 統(tǒng)發(fā)生影響。 ９ 6．基于軟件的 統(tǒng) 個人計算機持續(xù)下降的價格增加了他們在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 ，包括 替代品。安裝了軟件就能用個人計算機解決梯形圖邏輯 改輸出送到激勵。這些對于維持是很重要的，因為他們不用遵守以前的計時模式 算機正運行一個游戲，就可能減慢或停止計算機 的解決方案不久就會出現(xiàn)。 7．概要 ?統(tǒng)和計算機與輸入設(shè)備，輸出設(shè)備 ,存儲器等很相似。 ?統(tǒng)不斷地執(zhí)行系統(tǒng)檢查，輸入掃描 ,邏輯掃描和輸出掃描這個循環(huán)。 ?當(dāng)邏輯圖被掃描時，輸入的變化沒有被發(fā)現(xiàn) ,輸出也沒有被修正。 ?統(tǒng)用 時用 放永久程序。 8．實際問題 ?一個 統(tǒng)通常包括 /或電池嗎？ ?指示燈用于什么？ ?為什么一個 統(tǒng)每秒鐘只能掃描梯形圖幾次？ ?如果一個 統(tǒng)的掃描時間比輸入脈沖長，會發(fā)生什么 ?為什么 ？ ?一個 統(tǒng)與一部臺式計算機的不同是什么？ ?為什么 統(tǒng)每次掃描要做自我檢查？ ?測時間會比簡單程序所需時間長嗎？ ?下面的梯形邏輯有什么錯誤？如果它被用會發(fā)生什么？ １０ ?當(dāng)一個 統(tǒng)已經(jīng)被啟動時，表明啟動 的存儲器地址是什么？ 9．實際問題解答 ?每個 統(tǒng)包括 是他們也包括 電池。 ?診斷和保持。 ?盡管程序是空的， 統(tǒng)仍需掃描輸入和輸出，做自我檢測。 ?如果在兩次輸入掃描之間發(fā)生，脈沖就會丟失。 ?主要的區(qū)別包括輸入設(shè)備輸出設(shè)備和應(yīng)用。 統(tǒng)是為工廠設(shè)計的，因此它沒有鼠標(biāo)鍵盤之類的輸入設(shè)備。 (雖然，一些較新型 夠達到 )他們也沒有屏幕聲音之類的輸出設(shè)備， 們有電壓 ,電流這樣的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。 用戶為專門的任務(wù)設(shè)計程序 ,然而在個人計 算機上給系統(tǒng)編程是不常見的。 ?這能幫助檢測硬件和軟件錯誤。如果一個錯誤發(fā)生了， 繼續(xù)運行 ,控制器就可能以一種不可預(yù)見的方式運行，這對人和機器是非常危險的。自我檢測則幫助檢查出這些錯誤，并且安全地關(guān)閉系統(tǒng)。 ?是的，在許多 統(tǒng)中，自檢大約需要 1一個單一程序需 1 ?通常輸出 Y 被重復(fù)兩次。在這個例子中， Y 的值將總等于 B。前一層的 A 將對 Y 沒有影響。 ?， — 5。 １１ 本次試驗的所獲得的結(jié)果均根據(jù)實驗數(shù)據(jù)所推出，并經(jīng)過 令程序運行測試。 可以很明顯看出利用傳統(tǒng) 驗可以驗證新的邏輯程序?qū)嵱眯裕⑶以摬襟E是不可或缺的。本次實驗表現(xiàn)很讓我們滿意，實驗設(shè)備可靠性也很高，因此效率得到提高，成功率得以保證。 介于本次試驗處于驗證階段，成果可用于本科生實驗教學(xué)，可以利用大學(xué)現(xiàn)有設(shè)備進行教學(xué)與推廣。 致謝 杰斐遜實驗室的 杰斐遜實驗室，紐波特·紐斯， 2002. 科沃斯，“ 用程序和應(yīng)用”，普林迪斯霍爾出版社，上塞得河鎮(zhèn)，新澤西， 13 頁 . 萊恩，“ 關(guān)理論與實現(xiàn)”，第二版，工業(yè)文獻出版公司，亞特蘭大， 1997. 由 制的自動生產(chǎn)線， ”，胡夫·杰克， 2005. 西諾，“模糊控制的一種實驗方式”，電氣與電子工程師協(xié)會教育期刊， 42 篇”，第一期， 1999,15 . 廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)程序的發(fā)展”，美國工程師教育協(xié)會出版社，華盛頓特區(qū)， 2006. 電梯控制系統(tǒng)研究平臺的設(shè)計和實現(xiàn)”，國際信息安全與應(yīng)用工作組 2009 年合集，青島， 21， 2009 年 11 月 .