测控技术与仪器专业英语 习题答案 作者 张凤登 unit-16-工业控制系统-参考译文及练习答案

·77· UNIT 16 工业控制系统工业控制系统 参考译文参考译文: 16.1 计算机控制的系统计算机控制的系统 采用计算机控制的工业过程通常是由模拟控制器控制的系统发展而来的， 这些控制器依 据输入要求与传感器测量值的比较结果产生控制信号。 可用的传感器类型有很多， 如电位计、 应变计1、线性差动变压器（LVDT）或自整角机等。在最后阶段，被测参数，如位置、温 度、压力、流速或密度，都用电压表示（虽然在某些系统所使用的控制器中来自传感器的信 号是电流） 。 纯模拟系统的局限性在于能够完成的数据处理是有限的， 并且难以在必要时改变数据处 理形式。任何模拟信号在需要提供数字读出时，每个这样的读出都要用到一个 A/D 转换器， 必然产生附加费用。 把数字计算机引入系统，会极大地扩展信号处理范围，从而在某些情况下，能进行快速 分析，以确定哪些不能直接测量的特性。它也提供了一个处理控制信号的简单方法。另一个 优点就是计算机能对代表测量结果的电压进行整理， 以识别任何虚假读数， 并且滤去其中存 在的任何不需要的“噪声”。 使用数字计算机的典型控制系统如图 16-1 所示，这是一个常用的在线数字控制系统， 其中模拟传感器产生与被测参数成正比的电压。 由于计算机一次只能接受一个测量信号， 因 此传感器的信号在 A/D 转换和读入计算机之前，要像在巡回检测器中那样，依次进行采样。 施加到控制过程的各种控制设备上的数字输出， 首先由计算机按规定的顺序送出， 每个数字 输出被数-模（D/A）转换器转换成模拟信号，然后由多路输出转换器转接到适当的控制单 元。如果不需要高分辨力，D/A 转换器的造价就会便宜一些，这样，某些输出可以有自己单 独的 D/A 转换器。在大多数控制系统中，计算机与过程之间也会有若干直接数字线路，用 于只需要有效切换操作的信息。 Fig. 16-1 On-line digital control system Process Multiplexer D/AD/A 1210 D/A converter Multiplexer A/D converter 1210 Analog transducers Analog control devices e.g. valves, heaters, etc. 1012 Analog signals Logic lines (switches) Digital computer Analog signals Digital signals Digital signals ProgramsSet points Supervisory control Dtat recording Teletype Visual display 输入计算机的数据由计算机通过存储器内存程序的作用， 以及电传打字机和类似设备所 提供的外部命令进行处理。 程序还能够规定把由输入信号累加或根据这些信号计算所得的有 关数据用图表显示，打字或图表记录器上表示出来。 仪表测量系统与控制系统在形式上相同， 只是不存在从计算机到过程的输出， 而且没有 ·78· 控制装置。一般说来，只有在被采集的数据量很大、数据处理复杂或费时、而且可能需要使 用离线计算机的一些场合，仪表测量系统才与计算机组合在一起。显然，这样的系统优点很 多，这种系统采集必要的测量结果，对其进行处理，并以要求的形式呈现数据，尤其是在以 计算机为基础的系统中，给计算机输入一个新的程序，能够很容易地改变过程。 避免使用 A/D 转换器，并在某些情况下不使用复杂的多路转换器的另一个办法是利用 直接数字传感器，它把被测参数直接转换成计算机可读的数字信号。 由此可见，如果要把计算机用作系统中的在线控制器，或装在仪表测量系统中，则将增 加对数字传感器的需求， 以便使输入数据能够以计算机容易直接读取的形式表示出来。 然而， 在模拟传感器和仪表测量系统方面， 人们有长期的经验积累和专门知识， 在今后的若干年里， 大多数系统的某些测量结果仍将是模拟形式的， 在一些过程时间常数相对较长的过程工业中 尤其如此。在航空电子系统中，系统的时间常数很短，而且飞机、导弹或火控系统的控制是 非常复杂的。在这些方面，已在很大程度上使用了具有数字传感器输入端的计算机。 16.2 现代工业过程控制系统现代工业过程控制系统 处理器也对采用计算机控制整个生产工厂的方式产生了深远的影响。 开发由几个相互作 用的微型计算机共享总体工作量的系统，在经济上是可行的。这种系统一般包括：过程站， 用于控制过程； 操作员站， 过程操作员用其监视各种活动； 以及各种辅助站， 用于系统组态、 编程和数据存储等。所有站点借助于某种通信网络实现相互作用。 通过促进并行多任务的执行提升性能， 按不把“所有鸡蛋放在一个篮子里”的方法提高整 体有效性（availability） ，促进可扩展性和减少控制电缆的数量，所有这些，都是人们努力的 方向。第一个让人看到希望的这种系统，是霍尼韦尔公司的 TDC2000，但它不久就被别人 跟上来了。 “分布式控制”这个术语被创造出来。 第一代这样的系统是面向调节控制的， 但是， 多年来， 分布式控制系统采用的可编程控制器功能越来越多， 以至于今天的分布式控制系统 能够控制生产的各个环节，操作员利用一个计算机控制台就能够监视和控制各种活动。 工厂范围的监督和控制工厂范围的监督和控制 计算通用标准的出现， 促进了工业过程控制系统下一个阶段的发展， 它们使得工厂里的 几乎所有的计算机和计算机系统有可能组合在一起， 构成一个整体， 从而使穿越用以吻合系 统界面的接口器件的数据实现实时交换1。这种互动使得 高层管理者能够研究运营的各个方面 生产管理人员能够根据当前信息规划和安排生产 订单处理人员和联络人员能够为客户查询提供即时和最新信息 过程操作人员能够查询前次生产运行的成本清单和质量记录，以使下次做的更好 所有这些，都是从他们面前的计算机屏幕上获得的，并且都是实时的，图 16-3 给出了这种 系统的一个实例。ABB 公司 Advant OCS（开放式控制系统）似乎是这个阶段的一个很好代 表。这个系统包括拥有本地和/或远程 I/O 的过程控制器、操作员站、信息管理站、以及在 生产现场、 过程层面和全厂层面由高速通信总线连接的工程师站。 通过支持业界的计算标准， 如 Unix、Windows 和 SQL，系统与计算机外围世界能够进行轻松连接。系统通过采用分布 在系统过程控制器中的实时过程数据库， 避免冗余性数据存储和数据不一致， 并提高系统的 有效性（availability） 。为便于访问，所有数据库实例采用其名称符号编址。数据库实例之间 的功能关系由应用程序定义， 应用程序的图形化开发方式是： 在图页上列出所需要的功能块， 然后将这些块连接到其它块，从而实现输入和输出处理。有些功能块象逻辑 AND 门和逻辑 OR 门那样简单，或象自适应控制器那样复杂。为便于参考，可用名称符号来表示互连，编 ·79· 程工具会自动指定引用页面。其结果是符合 IEC 标准的生动程序图，该图能够达到这样的 适用程度，以致于所有关注的人很容易理解该图。然后，过程操作员利用各种即时显示器， 监视和控制生产过程，从工艺原理图、趋势图到报警列表和报告。现场测量值和状态指示揭 示了当前情况。 来自过程控制器、 信息管理站和外部计算机的信息可以混合使用， 随意匹配。 互动风格如同今天的个人计算机一样友好和直观。 可编程控制器可编程控制器 可编程控制器（PLC）是一种数字化电子设备，旨在通过执行逻辑运算、顺序控制、定 时、计数和算术运算等功能，控制机器和过程。PLC 是数字计算机 它有一个处理器、 一个存储器单元，一个控制单元和一个输入/输出单元。然而，在某些方面，它又不同于通 用计算机。首先，PLC 运行于苛刻的工业环境；其次，在没有专业编程技能的情况下，能 够对其进行编程。第三，PLC 可以通过厂家维修技师进行维护。大多数 PLC 可以进行如下 操作： 继电器逻辑 锁存 定时 计数 移位寄存器 通讯 加法 减法 比较 BCD 操作 二进制转换 PID 控制器 数据处理 模拟接口 AC 接口 DC 接口 外设接口 这些操作使得 PLC 非常有益于工业控制应用。 汽车工业所用的不灵活继电器控制系统成本很高，PLC 执行基于事件的操作，设计这 些操作的最初目的就是消除与这种系统相关的高成本。较新的 PLC 可以执行算术运算，分 析数据，与其它 PLC 和主计算机进行通信，提供过程变量的 PID 控制器，以及控制离散的 顺序进程。PLC 在如下方面优于继电器控制面板： 可靠性更高 占用空间更小 可为新应用编程 可执行更多的功能 易于维护 更便宜 ·80· PLC 借助于一种叫做编程器的设备进行编程。为了实施期望的控制功能，程序规定了 PLC 所要完成的操作。编程器是一种装置，允许操作员输入新程序，检查内存中的程序， 改变内存中的程序， 监视输入或输出状态， 显示寄存器内容， 显示定时器和计数器值。 此外， 通过设定密码，可以保护内存中的程序免受未经授权的更改。编程设备包括手持式编程器、 CRT 终端和个人计算机（带有专用软件） 。手持式编程器类似于袖珍计算器，它有一个用于 显示指令、地址、计时器值、计数器值和数据等的液晶显示器（LCD） ，一个用于输入指令、 地址和数据的键盘。 CRT 终端看上去就像一台个人计算机， 但它专门用于 PLC 的编程。 IBM PC 的各种控制功能已经非常流行，其中包括 PLC 编程。CRT 和 IBM PC 编程器允许操作人 员利用非常类似于梯形图中使用的触点和线圈符号来输入程序。 未来的可编程计算机有望更 充分地利用其处理器的计算机功能。C、Pascal 和 BASIC 等语言会在 PLC 中得到一席之地。 工业控制站与用于工作单元的 PLC 之间的通信采用三种网络结构：星型结构、半星型 结构和总线结构。星型结构最不灵活，但最易编程。总线结构最灵活，却最难编程序。 16.3 工业机器人系统工业机器人系统 一种新颖的重要的工业上的进展是使用自动制造设备和工业机器人。 工业机器人是自动 制造设备的一种特殊类型， 一种从自动化生产的革新中形成的新技术， 它就是工业机器人技 术。 工业机器人系统的发展状况工业机器人系统的发展状况 机器人许多年来一直被用作电影电视中的虚构人物， 一提及机器人这个词， 大多数人会 把它想象成类似于人类。工业机器人的用途是完成一些种类的工作。许多事例表明，机器人 在工业中可从事枯燥、乏味活人类难以胜任的危险的工作。工业机器人可定义为可编程的、 多功能的、通过程序化运动能搬动物料、部件、工具或特殊设备以完成不同任务的机械手， 机器人是可编程或重新编程的完成某些任务的机器， 由于它可编程的能力， 机器人可在许多 不同类型的工作中发挥作用。 有些人觉得机器人是解决一些社会问题的答案， 尽管这一点不完全正确， 机器人可用来 提高工业生产能力，机器人工作并不一定比人快，但它可以稳定的节奏工作，由此，它们取 代了许多工人，尤其是从事重复性工作的工人。 工业机器人最初在上个世纪 50 代末 60 年代初开始发展，到了 80 年代，它们的应用已 十分普及。在美国和世界范围内，已有很多工业机器人的制造商，机器人的大小和配置也有 很大的差异。 机器人系统的组成机器人系统的组成 机器人系统主要由三个组件构成： 机械单元，又称为机械手（manipulator） ； 电 脑（brain） ，又称为控制器； 动力源（power supply） 。图 16-4 给出了这些组件之间的关 系。 机械手是做工作的机械式单体， 其主要职责是执行操控功能， 从而实现机器人手的定位。 机器人的手称为末端操纵装置（end effector） 。为使机械手具有一定的灵活性，需要运用多 个机械连杆和关节。机械手中的各个关节和机械连杆的