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托马斯 耶斯 美国 普林斯顿大学 电气测试与应用专业 收， 改 录 摘要 这篇文章主要介绍基于 制系统的对传统控制实验室的设计和实现。为了整体设计和实现，必须分作两部分介绍，第一部分是 件设计，第二部分是基于试验程序相关的硬件设计。该 统使用 业控制系统公司的 列 24/16 数字端口以及单一类似 I/O 模块 ，两个 司的光电传感器：一个要有 型，另一个要有 型。一个测试过的具有 5 向灵敏度的接近开关。四个由 段 。两极和三极继电器各一个，六个电压表和一个电流表。一个直流电机一个 24V 直流电源，导线若干，按钮若干。通过执行 24 组经典控制实验可以得到可信的结果，以前由 现的实用系统现在可以由 现。 关键词 ： 制系统 光电传感器 1 绍 编程逻辑控制器）是用于各种自动控制系统和过程的可控网络 集线器。他们包含多个输入输出，输入输出是用晶体管和其它电路，模拟开关和继电器来控制设备的。软件接口，标准计算器接口，专门的语言和网络设备编程。 可编程逻辑控制器 I/O 通道规则包括所有的输入触点和输出触点，扩展能力和最大数量的通道。触点数量是输入点和输出点的总和。 以指定这些值的任何可能的组合。扩展单元可以被堆栈或互相连接来增加总的控制能力。最大数量的通道是在一个扩展系统中输入和输出通道的最大总数量。 统规则包括扫描时间，指令数量，数据存储和程序存储。扫描时间是 要的用来检测输 入输出模块的时间。指令是用于 件（例 如数学运算）的标准操作。数据存储是存储数据的能力。程序存储是控制软件的能力。 用于可编程逻辑控制器的输入设备包括 间继电器，热电偶， 率或脉冲，晶体管和中断信号输入；输出设备包括 电器，中间继电器，频率或脉冲，晶体管，三端双向可控硅开关元件； 编程设备包括控制面板，手柄和计算机。 可编程逻辑控制器用各种软件编程语言来控制。这些语言包括 序执行表（ 动作方块图（ 梯形图（ 结构文本（ 指令序列（ 继电器梯形图（ 流程图， C 语言和 言。 程环境能支持五种语言，用国际标准加以规范，分别为 便允许了多卖主兼容性和多种语言编程。 一种图表语言，它提供了编程顺序的配合，就能支持顺序选择和并列选择，二者择其一即可。 一种大的运行库，以图表形式建立了一些复杂的过程。标准数学和逻辑运行可以与用户交流和接口运行相结合。 适用于离散控制和互锁逻辑的图表语言。它在离散控制上与 完全兼容的。 一种文本语言 ，用于复杂的数学过程和计算，不太适用于图表语言。 与组合编码相似的低级语言。它用在相对比较简单的逻辑指令。继电器梯形图或梯形图是适用于可编程逻辑控制器的重要的编程语言。梯形图编程是设计成继电器逻辑程序的图表表示法。流程图是一种图表语言，用于在一个控制器或应用软件中描述顺序操作，它用于建立有标准组件的可循环使用的运行库。 C 语言是一种高级编程语言，适用于处理最复杂的计算，连续的数据采集任务。它典型地在 上运行调试。 言是用于处理数据的连续的数字采集和接口运行的高级语言。 可编程逻辑控制器也规范 了许多计算机接口设备，网络规则和特色。 源设备和运行环境也是非常重要的。 2指令 对于简单的编程，继电器型 有效的。随着功能的复杂化，复杂的 必须被采用。一个 算机一次只能执行一个指令，他们是这样运行的，尽管许多计算机看上去一次在做许多事情。正如图 1 所示的计算机组成。 图 1 简化个人计算机结构图 输入是通过键盘和鼠标得到的。输出被送到屏幕。磁盘和存储器用于输入和输出存储（注意：这些箭头的方向对于设计者是非常重要的，要注 意表明信息是流向哪里的。）这个图表可以像图 2 那样能被重新拟订来阐明输入设备和输出设备的作用。 在这个图表中数据通过输入设备进入左边。（注意：大多数设计图表都是左边输入，右边输出的。）在进入 前，它穿过缓冲电路。 过其他回路输出数据。存储器和磁盘用语存储要输出的数据。如果我们把个人计算机看作一个控制器，它通过在屏幕上输出激励和输入来自鼠标和键盘的响应来控制用户。 是一个控制过程的计算机。当与应用程序完全结合起来时，类似之处变成： 输入设备 键盘与接近开关相类比。 输入电路 连续输入芯片就像一个直流 24V 的输入卡。 计 算 机 686像一个 块。 输出电路 图形卡就像一个三相开关输出卡。 输出设备 监控器就像指示灯。 存 储 器 存储器与个人计算机的存储器相似。 用普通个人计算机可以 运行 然则并不被提倡做。就 说，输入和输出 设备设计得更加可靠，更加粗糙，更适合恶劣的制造环境。 3运行顺序 所有的 统有每秒钟重复多次的四种基本运行阶段。最初被第一次接通时，它会检测它的硬件和软件是否有错误。如果没有错误，它会把所有输入和输入值复制到存储器，这叫输入扫描。只用复制了输入值的存储器，梯形逻辑图将被解决一个，这叫逻辑扫描。在解决梯形图期间，输出值只在临时存储器中被改变。当梯形图扫描完成后，输出将用存储器中临时值修正，这叫做输出扫描。 时将从自我检测开始重新启动这个 过程，这个过程很明显地每秒钟重复 10 到 100 次，正如图 3 所示 自我检测 检测是否所有的卡没有错误，把时间继电器复零等。（如果在很小一段时间内没有复零，时间继电器会引起错误，关闭 统。 这会表明梯形图没有被正常扫描。） 输入扫描 从芯片上的输入卡读取输入值，并把输入值复制到存储器，这能使 快速地运行，并且避免从程序开始到结束输入变化。（例如：意外停止）有一些特殊的 直接读取输入值，避免了输入表格。 逻辑处理 /扫描 基于存储器的输入表格，程序被一次执行一步，同时输 出值也被修正，这是其它节的集中。 输出扫描 输出表格从存储器复制到输出芯片，这些芯片然后驱动输出仪器。 输入输出扫描经常会令初学者感到迷惑，但是他们是很重要的。输入扫描是输入值的快照，并且解决逻辑关系。在一个梯形图扫描期间，如果一个输入在梯形图的多个地方被用到，它就会起变化，潜在问题就可能发生，而输入扫描却避免了这些问题。这个边境效应是如果在一段持续时间内如果一个输入变化太短，它可能在输入扫描之间会减少或者丢失。 当 初被启动时，通常的输出会被关闭，这不会影响输入值。 3 1 输入输出扫描 当 输入值被扫描到 ，自然输入值被复制到存储器。当输出值被扫描到 ，他们将从存储器复制到自然输出设备。当梯形图被扫描时，它将用存储器中的值，并不是实际的输入输出值。这样做的主要原因是如果一个程序在多个地方用一个输入值，那么输入值的变化将使其逻辑关系无效。而且，如果随着每块的变化，输出模块也变化，在扫描结束时 运行速度将大大减慢。 3 2 逻辑扫描 梯形逻辑程序图是模仿继电器逻辑图的。在继电器逻辑图中，程序的每个元件将尽可能快地开关。但是在一个程序中，元件只能按固定的顺序一次检测一个。如图 4 所示 ，梯形图将按从左到右，从上到下的顺序被解释。在图中，梯形逻辑扫描将从最高层开始。在底层，它将先解释高层输出，然后输出它下面的分支。在第二层，沿着梯形逻辑图移动之前，将先解释分支。 图 4 梯形图逻辑执行顺序 解决梯形逻辑程序时，逻辑扫描顺序会变得非常重要。梯形图输出作为输入，考虑输出应用时，它也变得非常重要。如图 5 所示，梯形图第一行将检测输入并把输出 X 置 1，得到相同的值。第二行将检测输入 B 并把输出 X 置 1，得到相反的值。因此，直到梯形图的第二行被扫描时 X 值才能与 A 相等。在逻辑扫描期间，输出值只 能在存储器中被改变，只有当梯形逻辑扫描完成时，实际的输出才能被修正。因此，在第二行的基础上，输出扫描将修正实际输出值。并且梯形图的第一行将无效。 4 态显示 在一个 ，缺少键盘和其他的输入输出设备是非常值得注意的。在 端通常有一定数量的状态指示灯。通常指示灯表明： 电源启动 只要 电，它将被启动。 程序运行 这将指示是否程序正在运行或是否没有程序正在运行。 错误显示 当 大的硬件或软件错误时，这将有显示。 这些灯通常用于调试。一定数量的按钮也 将提供给 硬件。最普通的按钮是一个运行 /编程选择开关，当在保持状态时，它将被调到编程；当在生产状态时，它将被调到运行。一个 统几乎没有一个启动关闭开关或复位开关在前面。这需要被设计到系统剩余部分。 状态也能被梯形逻辑图检测。检测程序是否第一次被执行是非常普遍的。如图 6所示。 入在梯形图被第一次扫描时，将是对的，而在其余的每次扫描时是错误的。这种情况下， 5 的 地址是 1/14。根据例子中的逻辑关系，第一次扫描将封上 直到 启动。因此灯将在 启动之后变亮，但在 启动之后，它将关闭并且保持在关闭状态。 模块在 块中被提到。 图 6 核验 一次扫描的程序 5存储器类型 有几种基本的现在经常使用的计算机存储器类型： 机存储器） 这种存储器速度很快，但是当没电时，它的内容将被丢失。这是一种不稳定存储器，每个 运行时，都用这种存储器作为中央处理器 。 读存储器） 这种存储器是永久 性的不可擦除的。它通常用于存放 操作系统。 擦除可编程只读存储器） 这是一种像 样可编程的存储器，但是它能用紫外线光擦除并且可以重新编程。 可擦除可编程只读存储器） 这种存储器能像 样存放程序。它能被编程并且用电压擦除，因此它正变得比 加普遍。 所有的 统都用 储 基本操作系统。当有电时， 内容被保存，但是问题在于当供给存储器的电源失去时会发生什么。原先 主用带有电池的 样如果不失电，存储器的内 容就不会丢失。这种方法现在仍被使用，但变得不那么受欢迎。 是 程的比较好的选择。 部编程，然后被放入 启动时，在 的梯形逻辑程序被下载 且运行。这种方法非常可靠，但是擦除和编程技术都是很消耗时间的。 储器是 永久部分，程序能 样被存放在他们中。存储器的价钱一直在下降，新类型正变得可被利用，这些变化将继续对 统发生影响。 6基于软件的 统 个人计算机持续下降的价格增加了他们在控制系统中的应用 ，包括 替代品。安装了软件就能用个人计算机解决梯形图逻辑 改输出送到激励。这些对于维持是很重要的，因为他们不用遵守以前的计时模式 算机正运行一个游戏，就可能减慢或停止计算机 的解决方案不久就会出现。 7概要 统和计算机与输入设备，输出设备 ,存储器等很相似。 统不断地执行系统检查，输入扫描 ,逻辑扫描和输出扫描这个循环。 当逻辑图被扫描时，输入的变化没有被发现 ,输出也没有被修正。 统用 时用 放永久程序。 8实际问题 一个 统通常包括 /或电池吗？ 指示灯用于什么？ 为什么一个 统每秒钟只能扫描梯形图几次？ 如果一个 统的扫描时间比输入脉冲长，会发生什么 ?为什么 ？ 一个 统与一部台式计算机的不同是什么？ 为什么 统每次扫描要做自我检查？ 测时间会比简单程序所需时间长吗？ 下面的梯形逻辑有什么错误？如果它被用会发生什么？ 当一个 统已经被启动时，表明启动 的存储器地址是什么？ 9实际问题解答 每个 统包括 是他们也包括 电池。 诊断和保持。 尽管程序是空的， 统仍需扫描输入和输出，做自我检测。 如果在两次输入扫描之间发生，脉冲就会丢失。 主要的区别包括输入设备输出设备和应用。 统是为工厂设计的，因此它没有鼠标键盘之类的输入设备。 (虽然，一些较新型 够达到 )他们也没有屏幕声音之类的输出设备， 们有电压 ,电流这样的输入设备和输出设备。 用户为专门的任务设计程序 ,然而在个人计 算机上给系统编程是不常见的。 这能帮助检测硬件和软件错误。如果一个错误发生了， 继续运行 ,控制器就可能以一种不可预见的方式运行，这对人和机器是非常危险的。自我检测则帮助检查出这些错误，并且安全地关闭系统。 是的，在许多 统中，自检大约需要 1一个单一程序需 1 通常输出 Y 被重复两次。在这个例子中， Y 的值将总等于 B。前一层的 A 将对 Y 没有影响。 ， 5。 本次试验的所获得的结果均根据实验数据所推出，并经过 令程序运行测试。 可以很明显看出利用传统 验可以验证新的逻辑程序实用性，并且该步骤是不可或缺的。本次实验表现很让我们满意，实验设备可靠性也很高，因此效率得到提高，成功率得以保证。 介于本次试验处于验证阶段，成果可用于本科生实验教学，可以利用大学现有设备进行教学与推广。 致谢 杰斐逊实验室的 杰斐逊实验室，纽波特纽斯， 2002. 科沃斯，“ 用程序和应用”，普林迪斯霍尔出版社，上塞得河镇，新泽西， 13 页 . 莱恩，“ 关理论与实现”，第二版，工业文献出版公司，亚特兰大， 1997. 由 制的自动生产线， ”，胡夫杰克， 2005. 西诺，“模糊控制的一种实验方式”，电气与电子工程师协会教育期刊， 42 篇”，第一期， 1999,15 . 广泛应用于制造工业程序的发展”，美国工程师教育协会出版社，华盛顿特区， 2006. 电梯控制系统研究平台的设计和实现”，国际信息安全与应用工作组 2009 年合集，青岛， 21， 2009 年 11 月 .
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