淺談電氣工程自動化技術(shù)的應(yīng)用

蘭州工業(yè)學(xué)院 秦 雯

一、電氣工程的自動化管理控制概述

隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣工程控制系統(tǒng)也日新月異，成為引起人們很大興趣的一個領(lǐng)域。它的研究目標(biāo)是用機(jī)器，通常為傳動控制系統(tǒng)、電腦等，盡可能地代替人的體力活動，并且爭取在這些方面最終改善并超出人的能力，其研究領(lǐng)域及應(yīng)用范圍十分廣泛。例如人工智能、PLC控制系統(tǒng)、智能機(jī)器人等等。早期電氣控制應(yīng)用都是以繼電器作為自動控制系統(tǒng)。隨著時代的發(fā)展，科技產(chǎn)品也開始講求便利化，在追求高效率的時代，眾多產(chǎn)品都趨于自動化，而現(xiàn)代機(jī)械功能的精密度越來越高，取而代之的就是現(xiàn)在最廣泛使用的PLC可編程控制器?？删幊炭刂破?Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器，簡稱PLC。在60年代，電氣設(shè)備生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當(dāng)時電氣設(shè)備的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計(jì)和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，電氣設(shè)備型號更新的周期越來越短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計(jì)和安裝，十分費(fèi)時、費(fèi)工、費(fèi)料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現(xiàn)狀，1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出第一臺PLC，并在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功?？删幊炭刂破骱喎QPLC，其特色為可利用軟件程序來取代傳統(tǒng)電氣控制的配線工作，直接把控制電路的階梯圖(Ladder diagram)轉(zhuǎn)換成PLC程序，鍵入可編程控制器內(nèi)即可執(zhí)行，省去了配線的麻煩，并在偵錯、更改設(shè)計(jì)上能夠更加方便，并且更有彈性。

二、電氣工程自動化控制的技術(shù)構(gòu)成

(一)PLC技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用趨勢

自PLC可編程邏輯控制器做為電氣工程控制核心以來，穩(wěn)定度及系統(tǒng)有效率大為提升，隨著機(jī)器設(shè)備的精細(xì)化，PLC也隨著軟硬件的改變可以設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的機(jī)電整合系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度往往不是過去所能相比擬的，一但系統(tǒng)發(fā)生故障就是原始設(shè)計(jì)人員也要耗費(fèi)一段時間來進(jìn)行修護(hù)工作，而如何在最短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障原因并且立刻維修完成，迅速恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，已是目前大多數(shù)第一線維修人員面對復(fù)雜的機(jī)電整合控制中最大的挑戰(zhàn)。利用傳統(tǒng)電路、程序分析及臨場反應(yīng)雖可在現(xiàn)場完成故障排除，對一個正在商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的自動化電氣設(shè)備所耗掉時間成本也相當(dāng)可觀，如果故障情況輕微又碰上人力吃緊就會降低整個維修品質(zhì)，也容易造成維護(hù)人員疲于奔命。工廠內(nèi)自動化電氣設(shè)備常常關(guān)系到生產(chǎn)成本及出貨時間的準(zhǔn)確性，工廠管理者對電氣設(shè)備的妥善率自然會較為重視，尤其在發(fā)生故障時會要求維修人員在最短的時間內(nèi)完修并加入生產(chǎn)行列，因此一套有效的監(jiān)控系統(tǒng)除了提供運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)即時監(jiān)控外；還必須能提供故障維修建議、運(yùn)轉(zhuǎn)時數(shù)等達(dá)到損害預(yù)防及快速恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)功能。

(二)PLC控制器的設(shè)備構(gòu)成

PLC(Programmable Logic Controller)為可編程控制器，是一種可以將外部控制指令隨時載入儲存器內(nèi)儲存與執(zhí)行，并且具有微處理功能的數(shù)字電子設(shè)備。PLC內(nèi)部是由CPU、儲存器、輸入界面、輸出界面以及電源供應(yīng)模塊、指令載入模塊、輸入模塊、輸出模塊等單元組合而成。系統(tǒng)匯流排將CPU、儲存器、輸入、輸出界面連接在一起，且輸入模塊、輸出模塊、指令載入、載出模塊也通過輸入、輸出界面，與系統(tǒng)匯流排連接。應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)所生產(chǎn)的PLC，可以使用嵌入式方式，將所需的個別模塊予以組合使用，擴(kuò)充性比價(jià)好，用途廣泛。PLC各單元的功能如下。一是CPU(中央處理器)，其內(nèi)部包含CU、ALU、暫存器三大部分。其中的指令解碼器是負(fù)責(zé)將儲存在儲存器內(nèi)的程序指令解碼成控制信號，來決定各單元模塊的工作狀態(tài)，屬于PLC的總指揮。而算數(shù)及邏輯運(yùn)算單元(ALU)專門負(fù)責(zé)“加、減、乘、除”的算術(shù)運(yùn)算及“AND、OR、NOT”等邏輯運(yùn)算。暫存器是CPU內(nèi)部的儲存器，可以暫時存放運(yùn)算的結(jié)果，等待下一次運(yùn)算。二是儲存器，一般的RAM或EEPROM，是存放程序指令及資料的地方。三是輸入、輸出界面，其屬于輸入模塊、輸出模塊、指令載入、載出模塊與系統(tǒng)匯流排的連接元件。各單元如下：輸入模塊來連結(jié)輸入元件，例如：按鈕開關(guān)、極限開關(guān)、SENSOR等；可獲取輸入元件的動作信號，經(jīng)由輸入界面送入儲存器內(nèi)，提供CPU處理使用的電路。輸出模塊是用來連結(jié)輸出元件，例如：電磁閥、指示燈、電磁開關(guān)等；將資料匯流排的內(nèi)容經(jīng)由輸出界面送出后，以輸出模塊來驅(qū)動輸出元件。指令載出、載入模塊可將程序指令在PLC的儲存器與書寫器或電腦之間相互傳輸。由內(nèi)部使用差動放大模式的通信界面，能消除雜訊干擾，提高傳輸距離。因此，若以電腦為程序編輯工具，必須通過RS-232與RS-422的轉(zhuǎn)換器才能順利傳送資料。

三、電氣工程自動化管理的PLC技術(shù)應(yīng)用的對策建議

PLC系統(tǒng)導(dǎo)入的不只是狹義的新技術(shù)應(yīng)用，而是一種全新的分工合作及服務(wù)導(dǎo)向的概念。電氣工程在引進(jìn)PLC系統(tǒng)時，必須先行考量企業(yè)本身及與其合作的相關(guān)單位的信息應(yīng)用成熟度是否成熟到可以在該架構(gòu)一起使用此信息技術(shù)。

(一)分層次構(gòu)建PLC系統(tǒng)的構(gòu)架

第一層：實(shí)體層(Physical Layer)。不同的介質(zhì)有不同的特性，所以0與1的數(shù)字資料在傳送之前，可能會經(jīng)過轉(zhuǎn)換，將數(shù)字資料轉(zhuǎn)換成光脈沖或電脈沖以便于傳輸，這些轉(zhuǎn)換及傳輸工作便是由實(shí)體層負(fù)責(zé)。第二層：鏈結(jié)層(Data Link Layer)。鏈結(jié)層協(xié)定會在傳送資料時，同時進(jìn)行連線同步化，使傳送與接收雙方達(dá)到同步，并確保資料傳送的正確性。鏈結(jié)層另一個功能“偵錯”，當(dāng)接收端收到資料后會先檢查資料的正確性，檢查錯誤的方法有許多種最常用的方法是傳送端對于即將送出的資料，先經(jīng)過特殊演算法產(chǎn)生一個CRC(Cyclic Redundancy Check)碼，并將CRC碼同資料一起傳送出去，接收端收到資料后執(zhí)行同樣的演算法，并得到CRC碼。將這個CRC碼與資料內(nèi)的CRC碼做比較便可得知資料在傳送時是否完整無誤。第三層：網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)。網(wǎng)絡(luò)上成千上萬的用戶，如何將資料正確的傳送到對方的電腦中，就必須依靠網(wǎng)絡(luò)裝置獨(dú)一無二的位址，網(wǎng)絡(luò)層在這里就扮演定址及傳送路徑選擇功能的角色。第四層：傳輸層(Transport Layer)。將傳送資料切成一小段一小段的資料，并加以制訂每段資料的先后順序序號，以便于接收端在重組資料時的依據(jù)。傳輸層另一功能為控制資料流量，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸資料堵塞時，此時傳輸層便通知傳送端要求停止傳送資料，待網(wǎng)絡(luò)順暢后再通知傳送端繼續(xù)傳送資料。第五層：會議層(Session Layer)。會議層主要負(fù)責(zé)雙方網(wǎng)絡(luò)正式傳輸前的所遵循的規(guī)則，如使用全雙工或半雙工模式、如何開始及如何結(jié)束或是參數(shù)的傳輸?shù)?。第六層：表達(dá)層(Presentation Layer)。由于接收到的資料為傳送端的內(nèi)碼，因此有可能與接收端的內(nèi)碼定義不同，會發(fā)生傳送資暸與接收器顯示資料不同，因此表達(dá)層是將接收來的資料轉(zhuǎn)換成與系統(tǒng)相同的內(nèi)碼定義，現(xiàn)今大多數(shù)電腦是以ASCII(American Standard Code for Information Intercjange)但早期也有使用EBCDIC(Extended Binary Coded Decimal Interchanage Code)，于是這兩者間的電腦通訊就會發(fā)生不兼容的現(xiàn)象。表達(dá)層還具有壓縮及解壓縮、加密與解密的功能，壓縮及解壓縮可以使資料縮小并加快傳輸，加密及解密則可保障資料在傳輸?shù)倪^程中安全。第七層：應(yīng)用層(Application Layer)。第七層直接提供檔案的傳輸(FTP)、電子郵件(e-Mail)、網(wǎng)頁瀏覽(WWW)等服務(wù)，在這一層執(zhí)行大多是成套的應(yīng)用程序。

(二)構(gòu)建多元化的標(biāo)準(zhǔn)

一是電氣工程生命周期信息標(biāo)準(zhǔn)化，信息得以共享利用，有效減少信息重復(fù)建置的情形，并提供開發(fā)電氣工程相關(guān)產(chǎn)業(yè)電腦應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)環(huán)境，全面提升產(chǎn)業(yè)信息化程度；二是借助信息基礎(chǔ)電氣工程刺激市場機(jī)制，帶動電氣工程相關(guān)產(chǎn)業(yè)信息化作業(yè)流程改造，提升產(chǎn)業(yè)競爭力、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級；三是建立一個公開、透明的工作環(huán)境，提供整合共享資料庫及標(biāo)準(zhǔn)交換界面，使工程信息得以互通共享，降低工程成本；四是經(jīng)由報(bào)表及標(biāo)準(zhǔn)界面整合，避免廠商必須針對不同業(yè)主開發(fā)不同的管理及維護(hù)軟件的弊端，以降低廠商經(jīng)營成本；五是經(jīng)由電子投招標(biāo)系統(tǒng)，節(jié)省文件制作相關(guān)費(fèi)及廠商交通往返投標(biāo)所耗費(fèi)的成本?？傮w而言，就電氣工程行業(yè)的特征來看，電氣工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、營運(yùn)及管理維護(hù)等方面的專業(yè)分工界面多且復(fù)雜，若不能有效通過信息化與標(biāo)準(zhǔn)化來整合并管理生命周期中的各種工程信息，易造成各工程單位各行其是、信息重復(fù)建置、浪費(fèi)資源、降低效率、進(jìn)而影響工程品質(zhì)。企業(yè)規(guī)模相對于其他產(chǎn)業(yè)信息化的程度較低，內(nèi)部信息人才及設(shè)備均呈現(xiàn)出不足的狀況，對信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)的了解與普及程度較低。因此，為使利用信息水平提升，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競爭力及提升工程品質(zhì)，建構(gòu)完整的電氣工程行業(yè)信息化系統(tǒng)，來強(qiáng)化推動電氣工程產(chǎn)業(yè)信息化及信息化的能力，是一項(xiàng)刻不容緩的工作。

(三)考慮與原有電氣工程信息系統(tǒng)元件的整合性

在電氣工程自動化管理控制中，用戶端的系統(tǒng)程序與服務(wù)提供者的應(yīng)用服務(wù)器之間必須能夠以PLC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)作溝通，彼此都可以用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)格式的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)信息來包裝要傳遞的信息與資料，同時也要能解讀其所收到的信息封包。但因PLC系統(tǒng)服務(wù)元件的引用及呼叫程序可能會因開發(fā)環(huán)境、工具軟件及使用作業(yè)平臺的不同而出現(xiàn)整合上的問題，這方面的問題須特別注意。目前PLC系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上的實(shí)例仍未有完整的測試及使用經(jīng)驗(yàn)，因此有很多在安全性及服務(wù)元件使用性上的問題并沒有充分的使用經(jīng)驗(yàn)資料可供參考。信息服務(wù)廠商仍專注在技術(shù)整合的工作，以求讓各個平臺上的PLC系統(tǒng)的服務(wù)元件能夠順利地的互相溝通運(yùn)作。因此，企業(yè)在選擇PLC系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境平臺或是決定將PLC系統(tǒng)的技術(shù)導(dǎo)入電氣工程PLC系統(tǒng)時，除了考量本身技術(shù)開發(fā)的成熟度外，還需考量這樣的高新技術(shù)與目前PLC系統(tǒng)整合的困難為何。

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