28、工业自动化中的PLC与SCADA系统解析

最新推荐文章于 2025-09-18 10:57:56 发布

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工业自动化中的PLC与SCADA系统解析

1. 传感器与信号处理

1.1 传感器测量方式

传感器测量物理变量时，有直接和间接两种接触方式。例如，可以使用光学高温计通过窗口从远处将热物体的亮度与灯的亮度进行比较，此时光学高温计与被测过程间接接触。而在大多数情况下，传感元件会直接与介质接触，导致传感器在化学或物理性质上发生与被测变量相对应的变化，如电阻温度计导线因热变化而导致的电阻率变化。还有一些传感元件会随着输入的变化直接产生信号，像热电偶会根据其两端的温度变化产生相应的电压。

1.2 信号处理子系统

信号处理包含多个子系统，各有其独特功能：
- 信号调理元件 ：用于改变传感器产生的信号性质，通常将传感器的信号转换为另一种形式，常为电信号。例如，电阻温度探测器（RTD）的输出电阻会随环境温度变化，可将其应用于惠斯通电桥的一个臂，将电阻变化转换为电压，此时电桥结构就作为信号调理元件。信号调理通常涉及模拟电路，产生特定范围内的电流或电压信号。
- 信号处理元件 ：对第一阶段产生的信号进行处理，执行诸如滤波（去除不需要的信号）、线性化、诊断（评估传感器的健康状况）等功能，具有更通用的性质。
- 目标信号处理 ：其功能取决于目标应用，可能包含数据/信号显示模块、记录或存储模块，或直接反馈到过程控制系统。例如温度图表记录仪后接基于计算机的过程控制接口、模数转换器（ADC）或数字显示仪表磁带记录仪等。

如今，制造的传感器通常具备数字通信能力，采用网络、并行或串行通信协议，这些传感器被称为“智能”传感器，并嵌入了数字电子处理系统。

2. 工业执行器系统

2.1 执行器系统概述

执行器系统用于将计算系统产生的信号转换为可应用于过程的形式，以产生物理变量的期望变化。它与传感器类似，但将控制器的输出转换为电压或气压。转换过程分两步进行，执行器先将信号转换为其他物理变量，如热、扭矩或流量。传感器是低功率设备，而执行器是高功率设备。大多数情况下，执行器先将电信号转换为位移，再转换为其他形式。

2.2 执行器系统组成

执行器系统根据主要功能组件进行分类，具体如下：
- 电子信号处理元件 ：接收控制系统的电指令，并以各种方式进行处理。例如，对指令信号进行滤波以避免特定频率信号输入，消除共振。大多数情况下，为实现执行器的精确操作，会内置闭环反馈单元，因此电子信号处理单元通常包含执行器自身的控制系统。
- 电子功率放大元件 ：有时由线性类型的功率放大级组成，称为伺服放大器；在其他情况下，可能包含功率电子驱动电路，如电机驱动执行器。
- 变量转换元件 ：用于改变电子功率放大器产生的信号性质，将电信号转换为非电形式，通常是运动形式。例如伺服/步进电机、电液伺服阀、电流到气压转换器等。
- 非电功率转换元件 ：必要时进一步放大功率，通常采用气动或液压机制。
- 非电变量转换元件 ：进一步将执行的变量转换为所需形式，分多个阶段进行。例如流量阀中的转换、运动到流量的转换、旋转到线性运动的转换，以及利用其他热流体或蒸汽从流量转换为热量等。此外，还有润滑/冷却/过滤辅助设备、储液器、原动机等杂项组件，以及用于反馈的传感器、显示功能、远程操作和安全机制等。

以下是执行器系统的功能配置流程图：

graph LR
    A[电子信号处理元件] --> B[电子功率放大元件]
    B --> C[变量转换元件]
    C --> D[非电功率转换元件]
    D --> E[非电变量转换元件]

3. 可编程逻辑控制器（PLC）

3.1 PLC简介

可编程逻辑控制器（PLC）是一种现代控制设备，广泛应用于机器人、传输线、过程控制和自动系统的顺序控制等领域。它是基于微处理器的工业计算系统，能在工业操作中实时执行以下功能：
- 监控输入和传感器。
- 通过执行逻辑序列、定时和计数进行控制或诊断。
- 驱动执行器或指示器。
- 与所有计算机进行通信。

3.2 PLC的优势

PLC具有诸多优势，使其在工业领域得到广泛应用：
- 简单的组装模型，易于连接。
- 内存输入和输出具有模块化扩展范围。
- 编程环境简单，易于使用调试辅助工具和标准化任务库。
- 具备与其他可编程计算机和控制器进行通信的能力。

3.3 PLC的发展历程

在微处理器发展之前，顺序控制和制造逻辑通过操作控制面板来实现，包括接触器、开关、继电器、定时器和基于电子或机械指示灯的计数器。20世纪80年代初，微控制器和微处理器的发展促使了可编程逻辑控制器的构建，与微控制器或微处理器相比，PLC具有以下主要优势：
- PLC编程比物理布线组件更简单，只需连接输入/输出端子的电缆。
- 编程工具用户友好，可对PLC进行重新编程。
- PLC所需空间大大减少。
- 易于安装和维护，依赖于现代固态技术。
- 可轻松连接到设备，并由自动化分布式工厂系统进行监控和监督。
- 基于PLC的系统在处理复杂过程和特定规模以上的控制面板方面具有优势。
- 由于PLC能够以并行、串行和网络模式接收数字数据，工厂传感器和执行器的布线大幅减少，只需一根电缆连接到远程输入/输出单元，即可进行本地布线。
- 能够快速进行维护服务、诊断问题和故障排除，而不中断工厂操作。

PLC继承了继电器控制面板的概念，其控制电路以梯形图逻辑定义，每个梯形图从一个或多个输入开始，通常以单个输出结束。

3.4 PLC的应用领域

PLC适用于各种自动化任务，为自动化行业的许多任务提供简单而经济的解决方案，例如：
- 控制序列或逻辑流程。
- 比例积分微分（PID）结构控制和计算。
- 功能之间的协调和通信。
- 操作员控制和观察。
- 制造单元的启动和关闭。

所有需要调节常规离散信号操作的工业技术都可能使用可编程逻辑控制器，如机床、成型和挤出设备、编程装配设备、编程测试设备和纺织机械等。

3.5 PLC的组成部分

3.5.1 中央处理单元

通常，微程序处理器很少能处理宽度为8、16或24位的大量数据。除了有时需要额外的电路来提供位处理外，它还必须基于逻辑运算符对数字输入和辅助量进行操作。配备电池备份的内存用于存储以下内容：
- 标志、计数器和定时器。
- 对二进制I/O信号状态的映像执行操作。
- 操作系统数据。

处理器在每次扫描时读取存储在内存中的程序并相应地执行操作。如果存在位处理器，则执行二进制操作。许多中央控制器采用备用模式，以避免工业操作中的故障，即使一个控制器出现故障，其他控制器也能接管任务。

3.5.2 通信处理器

通信处理器可与以下设备自由通信信息：
- 监控计算机系统。
- 典型的外围设备，如键盘、打印机和阴极射线管（CRT）。
- 其他可编程控制器。

每个通信处理器使用EPROM或ROM来存储所需信息，以避免加载处理器内存。这些处理器用于配置局域网（LAN），使PLC能够通过各种配置进行长距离互连。大多数网络协议是专利协议，并非所有人都能使用，但在过去十年中，制造的PLC已支持实用的网络协议。

3.5.3 程序和数据内存

执行所需的代码和信息存储在EPROM或ROM中，这些内存通常称为内存子模块，嵌入在处理器中。如有需要，还可插入额外的RAM。

3.5.4 扩展单元

输入和输出信号模块与扩展单元（EU）相连，通过接口模块以两种模式连接EU和中央控制器：
- 集中式配置 ：EU可放置在中央控制器所在的插槽或其附近空间，电缆长度受数据传输速度限制。
- 分布式配置 ：中央控制器和EU可在长达1000米的距离内连接，单个中央处理器最多可连接16个EU，此外，还可在集中式配置中额外连接4个EU。

3.5.5 输入/输出单元

PLC总线与大量I/O设备相连，以与处理器单元交换数据，这些设备分为以下几类：
- 数字输入模块 ：将来自外围设备的二进制信号转换为可编程控制器内部的数字信号电平。
- 数字输出模块 ：将可编程逻辑控制器的信号电平转换为过程表面所需的二进制信号。
- 模拟输入模块 ：将过程的模拟信号转换为数字信号，供控制器处理。
- 模拟输出模块 ：将可编程逻辑控制器的数字值转换为过程所需的模拟信号。
- 特殊用途模块 ：包括用于高精度定位、高速计数、多轴同步和插值、在线自优化控制等的独立单元，主要用于保护中央处理单元免受方法中涉及的高计算负载的影响。

3.5.6 编程器

程序通过外部编程单元下载到CPU的程序内存中。为支持图形化程序，使用外部现场编程器，它们提供了多种软件功能，有助于图形化编程，并提供了易于使用的调试和执行程序的工具包。为了文档记录，打印机也与编程器相连。少数情况下，桌面计算机也可通过实现特殊编程包用作编程单元。编程方式有两种：
- 程序可直接输入到与中央控制器相连的插入式RAM中，为此需将编程器连接到程序接口的处理器或模块。
- 编程器的EPROM子模块可在不连接桌面（离线）的情况下进行编程，然后与中央控制器组合。

3.6 PLC组成总结表格

组成部分	功能
中央处理单元	处理数据，执行程序，具备备用模式保障可靠性
通信处理器	与多种设备通信，配置局域网
程序和数据内存	存储代码和信息，可按需扩展
扩展单元	连接输入输出信号模块，有集中式和分布式配置
输入/输出单元	包括数字和模拟输入输出模块及特殊用途模块
编程器	下载程序，支持图形化编程，有两种编程方式

4. 监督控制和数据采集（SCADA）

4.1 SCADA概述

SCADA是用于在线监控工业过程和设备运行的软件包，通常安装在控制室。根据工作站类型，可分为以下三种：
- 操作站 ：用户只能实时监控过程。
- 工程站 ：用户可以监控并修改过程，但修改操作仅授权人员可进行，包括控制逻辑、设备和仪器参数等。
- 服务器站 ：不能进行监控和改进，但可存储SCADA软件的备份数据，在程序损坏时进行安装。

在SCADA系统中，通常通过以太网电缆和以太网交换机连接可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制系统（DCS）。所有现场设备通过屏蔽对绞电缆连接到SCADA，SCADA的输出再通过屏蔽对绞电缆反馈到PLC输入面板。工厂中的PLC具有数字和模拟I/O信号，因此在PLC面板中安装I/O卡，通过CPU与这些卡进行通信。根据工厂获得的信号数量，使用的卡数量会有所不同。通过PLC，可以在不同工作站监控这些信号和过程参数。如今，SCADA提供了无限的标签，可在系统中监控大量信号。SCADA可运行在磁盘操作系统、虚拟机系统、UNIX、NT，甚至LINUX上。

4.2 SCADA的特点和功能

SCADA具有以下特点和功能，使其成为集成钢铁厂过程监控和控制的理想系统：
- 数据处理 ：是一种计算机辅助软件包，可控制、记录和存储大量过程数据。
- 通信功能 ：允许工业工程师与所有设备和现场传感器进行实际过程通信。
- 监督协助 ：机械师可协助SCADA监控过程数据，并提供建议操作以维护系统安全。
- 远程数据采集 ：远程终端单元是过程数据的重要来源，可创建系统的在线图像。

4.3 SCADA的安全性

保密性 ：SCADA系统本身不具备提供通信保密性的特性。如果底层协议未提供保密性，拦截的通信内容很容易被读取。
认证：SCADA系统具有安全功能，例如通过密码保护限制非授权人员访问。

4.4 SCADA系统结构流程图

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    A[现场设备] --> B[SCADA]
    B --> C[PLC]
    C --> D[工作站（操作站、工程站、服务器站）]

5. PLC和SCADA在工业应用中的实施

5.1 热电厂自动化高效锅炉系统

在所有发电厂中，锅炉是关键设备，需要定期监控。手动测量可能会出现误差，为避免这种情况，采用强大的PLC和SCADA监控系统来防止灾难性故障。自动化锅炉系统基于PLC、SCADA和传感器开发，通过通信电缆将PLC和SCADA连接起来。

5.1.1 系统工作流程

该工业应用的初始阶段着重于将特定温度的输入传递到锅炉，以保持锅炉内的恒定温度。SCADA使用各种传感元件监控锅炉的压力、温度和水位，其信号输出反馈到可编程逻辑控制器，由PLC控制锅炉的热、水和压力范围。如果加热系统或锅炉的热和压力水平超过预定水平，整个工厂将自动关闭。

5.1.2 系统设计工具

自动锅炉梯形图使用WPL soft创建，SCADA设计由InTouch Wonderware完成。

5.2 自动化锅炉的必要性

锅炉是每个发电厂的重要组成部分，需要定期进行检查和监控。发电厂的锅炉部分会产生高温蒸汽，其温度调节复杂且困难，导致对其工作原理的理解不足。锅炉可能会遭受严重损坏和财产损失，因此确保锅炉和蒸汽轮机的安全运行至关重要。如果水位过低，锅炉管道会过热并损坏；水位过高则会干扰蒸汽分离，并将水分带入高效涡轮机，降低锅炉效率。为了使锅炉正常工作，可以采用不同的控制机制，并实施多种调节技术。为了实现发电厂的自动化并减少人为干扰，需要开发锅炉自动化系统，这可以通过使用PLC和SCADA系统来实现，有助于减少人为故障并避免灾难性故障。