信号链和PLC如何影响我们的生活

令人难以置信的是，我们周围有多少可编程逻辑控制（PLC）使我们的现代生活成为可能和愉快。我们家中的机器加热和冷却我们的空气和水，以及保存和烹饪我们的食物。本教程解释了PLC的重要性，并介绍了如何使用Maxim网站上的参数化工具选择元件。

介绍

闭环信号链控制的自动化无处不在。它使我们的家更加舒适。它为汽车提供了不断扩大的功能范围，超越了旅行的自由。事实上，环顾四周并意识到当今的许多产品都是在闭环信号链的帮助下制造的，这是非常令人震惊的。同样重要的是要注意，在工业厂房和工厂中，更复杂的信号链形式称为可编程逻辑控制器（PLC）。在本教程中，我们将看到信号链和PLC应用仅受我们想象力的限制。

信号链无处不在

信号链环绕着我们。它们使我们的现代生活成为可能和愉快。事实上，只要需要控制环路来监控、管理、处理、调节、限制或组织某些东西，就会出现带有信号链的应用。

使用信号链的机器在我们的家中加热和冷却空气和水。他们冷却和烹饪我们的食物。在工业中，我们购买的几乎所有东西都是利用信号链制造的。想想你的汽车。（是的，我们大多数人不假思索地跳进了我们的车里。我们开着汽车去上班，有些人用“砰”的方式开车。这不是我们在附录中讨论的砰舵机，而是实际击中的东西。汽车防抱死制动器、巡航控制、自动变速器和牵引力控制是信号链应用的示例。

带反馈的基本信号链控制

信号链或过程控制有多简单？考虑汽车中的普通家用烤箱和电子控制单元（ECU）。

烤箱的组件封闭在一个容器内，因此无需长距离通信。当用户将恒温器设置为所需温度时，烤箱将内部温度保持在设定点。

当恒温器设置检测到烤箱温度较低时，开关关闭，从而完成打开主燃烧器的燃气阀的电路。一旦恒温器检测到烤箱已达到设定点，开关就会打开，燃气阀关闭，主燃烧器就会关闭。根据需要重复循环。指示灯提供故障安全功能，同时还为主燃烧器提供点火源。如果指示灯熄灭，热电偶不会产生电压，因此主阀不会打开。

现代高端汽车最多可以有 80 个 ECU。它们控制发动机、防抱死制动器、巡航控制、自动变速箱和牵引力。大多数ECU都是信号链的例子，因为它们可以感知一个或多个物理参数，应用逻辑或智能，并产生使消费者受益的动作。（参见图2中的信号链反馈框图）。表1概述了各种汽车应用的信号链功能。

 

表 1.信号链在汽车中的应用
应用	感测参数	逻辑或智能	行动	好处
发动机控制	温度、空气质量;燃料量;发动机转速和旋转角度;节气门位置;发动机负载	针对条件和最大优势优化多个传感器输入	控制空燃比、点火正时、怠速、可变气门正时	更好的燃油经济性;减少发动机排放;更长的发动机寿命;需要时提供最佳功率
防抱死制动器	车速;轮速;制动压力	比较破碎过程中的车轮速度以识别打滑	控制阀门和泵	增加驾驶员控制;在最不利的条件下减少停车距离
巡航控制	车速;发动机转速;制动开关	在不断变化的条件下设置并保持车速	调整节气门位置	更好的燃油经济性;驾驶员舒适度
自动变速器	油门位置;发动机负载;降档开关;车速、轮速;变矩器滑移	针对条件优化多个传感器输入	控制换档;功率下快速，可最大限度地减少带和离合器磨损;在较低功率负载下为乘客提供舒适性	更好的燃油经济性;延长传输寿命;更好的车辆操控性;更快的换档速度
牵引力控制	油门位置;发动机负载;车速;轮速	比较不同路面条件下的节气门车和车轮	通过从气缸中移除燃油或火花或改变节气门位置来降低发动机功率;在一个或多个车轮上施加制动	减少加速时的牵引力损失，增强驾驶员控制

 

信号链还用于其他汽车安全和便利系统：信息娱乐;泊车辅助;安全气囊;安全带;门锁;电动车窗;跑步、礼貌、头灯和尾灯;动力转向;加热;空调;座椅控制;和电话...仅举几例。

信号链和PLC的区别

超出家用烤箱等小型简单系统所需的信号链系统称为PLC。 回想一下“信号链就在你身边”，想想下一个工业工厂。工厂需要哪些控制和配置？例如，在全自动面包店中，需要许多子系统，例如称重秤、阀门、流量计、混合器、酵母升温室、烤箱、传送带、风扇和包装设备。为了实现完全自动化，面包店需要一个过程控制系统来管理和协调这些子系统之间的所有时间关键事件。为了确保所有这些操作的成功协调和操作，这些子系统中的每一个都将包括一个或多个PLC。当控制器和受控元件相隔很远时，需要更复杂的通信。在复杂的控制环境中，例如操作分散在多个建筑物或站点的工厂中，PLC 花费大量时间将信号和处理事件传送到整个系统的组件。

这就引出了PLC和信号链之间最重要的区别：PLC使过程变更变得容易。我们可以通过对汽车工厂自动化历史的简短题外话来说明这一点。一家汽车公司管理变革的战略产生了PLC。

可编程控制器的发明

20世纪初，亨利·福特¹（Henry Ford¹）扩展了大规模生产技术，工厂自动化在汽车行业扎根。他使用固定的装配站，汽车在位置之间移动。员工们只学习了一些装配任务，并连续几天执行这些任务。多年后，新车型的转换变得非常昂贵和耗时。生产过程由数千个硬接线继电器、开关、凸轮和鼓定时器以及专用闭环控制器控制。为了重新装备下一个型号，需要电工机械地重新连接所有数千个继电器。然后故障排除开始确保安全联锁、控制和排序都正确。

正是这种管理看似不断变化的需要导致了PLC的发明。1968年，迪克·莫雷利（Dick Morely）和他的公司正在设计一项新发明，即可编程控制器。与此同时，通用汽车®（GM）®汽车公司“想要一个固态控制器作为硬接线继电器系统的电子替代品。² 通用汽车要求莫利报价以解决他们的问题。莫雷利先生回答道。他现在被视为PLC之父，并拥有专利。

通用汽车首先使用PLC组装汽车自动变速器。装配厂由数百台机器组成，需要协调才能平稳运行。PLC使生产线易于重新利用。现在，重新编程的基本机器可以重复使用来生产新零件。

我们可以通过关注一台机床，一台数控（NC）铣床，并通过比较旧的控制系统和PLC来说明这种演变的关键重要性。首先，一个人将一块裸露的金属装在切割台上并将其锁定。几个开关验证了金属是否处于正确的位置。然后，操作员通过按下两个间隔很远的按钮来表示他的身体脱离了危险，每只手一个。延伸的机械防护装置可保护操作员免受飞溅的金属屑的影响。最后，多个切割师以精确的顺序雕刻金属。零件完成后，铣床收回工具，停止所有动作，并打开防护装置，以便人类可以卸下零件并用新的金属毛坯替换它。在 PLC 出现之前，操作中的每一个小步骤都与继电器、定时器、限位和位置开关硬接线。它工作可靠...直到一个人需要做出哪怕是很小的改变。最糟糕的情况是需要在序列中间添加新步骤。有人可能需要在新步骤之后取消连接所有步骤，添加新步骤（硬件继电器或计时器），然后重新连接随后的所有步骤。

进入 PLC。使用PLC，同一台铣床成为受控的通用工具，并快速更改软件或逻辑更改。现在，更换刀具并赋予其新的指令，使基本铣床能够制造许多不同的零件。通过将其扩展到工厂中的许多机器，汽车装配线或其他工厂可以快速适应变化。

今天，您可以找到用于现代工厂的PLC，包括汽车装配线。同样，化学、食品或化妆品公司可能必须混合许多不同的配方来制造他们的产品。如果没有PLC及其易于重新配置的逻辑，制造变更仍将是繁琐且昂贵的。我们生活中常见的许多物品都是负担不起的。

我们在日常生活中使用PLC的次数比我们每个人意识到的要多。有关其他面向家庭的示例，请参阅附录。

工厂自动化、控制和监控

工厂中有些区域对人类来说太危险了。幸运的是，我们有使用机器的大脑和能力，我们让PLC（图2）控制这些机器。

图2.许多产品学科中使用的简单、通用的信号链和PLC回路图。

表2总结了一旦我们检测到某些东西（通常是物理参数），PLC和信号链基础知识是如何开始的。然后，PLC和信号链应用变得如此之多和司空见惯，以至于我们认为它们的许多功能都是理所当然的。

 

表 2.提供 PLC 输入的测量参数
尺寸	投	位置
强度	能源	压力
阻抗	温度	湿度
密度	速度	频率
粘性	飞行时间	阶段
速度	距离	时间
加速度	压力	盐度
水的纯度	力矩	卷
重量	指控状态	气体
质量	传导率	酸碱度
电阻	溶解氧	电压
电容	离子浓度	当前
电感	化学药品	水平
旋转	电荷（电子）	颜色

 

在信号链或PLC的输出侧，我们监控系统或操作或移动某些东西。表 3 显示了由 PLC 监视或控制的事物。

 

表 3.由 PLC 输出监控/控制的事物
阀	压力	开关
发动机	湿度	螺线管
压力	力反馈	灯
速度	房间入口	重量
流	序列	速度
卷	授权	米
力矩	衰减	显示
频率	均衡	校准
电压	通信	时间
当前	增益失调	工具
距离	磁通量密度	投
位置	温度	滤波器
权力	振镜	加速度
亮度	空燃料配给	反差

 

结论

在相对简单或复杂的应用中，控制回路信号链或PLC随处可见。它们加热和冷却，并在任何结构中保持恒定的温度，无论尺寸如何。信号链监测和控制汽车中的防抱死制动器、巡航控制、自动变速器和牵引力控制。如今，许多家用电器都包含信号链。我们谈到了烤箱，但清单似乎无穷无尽：微波炉;洗衣机和烘干机;甚至是可以感知地面湿度并调节用水的草坪洒水器。最后，重要的是要记住，所有这些商品都是在工厂生产的，PLC监视和控制大多数运行或移动的电子系统。

审核编辑：郭婷