硬接线继电器逻辑已成过去
发布时间：2013-02-24 作者：Rick Sykora
二十世纪70年代早期，可编程逻辑控制器（PLC）跃入人们的视线并成为发展最为迅速的控制产品之一。这主要是因为其采用的固态器件比机电式继电器的运动部件要稳定得多。PLC的使用减少了布线以及由布线带来的故障，所以它在设备、安装、故障排查和人力成本节省上颇具优势。相比于计数器、计时器和它所能够替代的其他控制组件，PLC占用的空间更小，由于具有可编程能力，所以其应用灵活性很高，在更改控制方案时PLC优势明显。
虽然使用PLC已经不是什么新鲜事了，但是某些生产厂商和设备制造商仍旧踌躇不前，希望继续评估其控制系统，看看PLC到底能给他们带来什么好处。对于那些要求电气或者电子设备能够实现互用性的控制应用场合来说，PLC是不二之选。具有下述特性的设备或者过程都可以采用PLC：
■ 重复性作业；
■ 时间驱动作业；
■ 事件驱动作业；
■ 高速控制；
■ 需要进行数据采集/处理。
应用范例包括传送带、填充作业、包装、打包机、码垛、交通灯排序、门禁控制、定长剪切机、半自动焊接和喷涂、存储与检索系统、水泵交流发电机、汽车清洗、印刷以及自动售货机等很多应用。
这些应用都可以使用继电器、单板控制器（single board controllers ，以下简称SBC）或者PLC控制（这些器件都具有逻辑能力）。有些设备制造商和OEM厂商放弃继电器，转而使用SBC，现在他们又在考虑使用PLC。然而，在选择控制系统之前，最好先考虑应用需求，这能够给你的选择带来帮助。
应用需求
不管最终选择了何种控制系统类型，第一步必然是考虑应用的如下需求：
■ 输入和输出设备的需求；
■ 除了离散逻辑（开/关）之外，还需要考虑特定任务的需求，包括计时、计数、排序、数据采集和计算；
■ 输入、输出和系统功耗的电气方面的需求；
■ 控制系统的运行速度（作业速度）；
■ 应用是否需要与过程外部共享数据，例如通信；
■ 系统是否需要操作员交互作用；
■ 控制系统所处的物理环境如何。
为了确定应用需求，设计人员需要明确控制系统需要执行的所有作业，以及各种会对系统产生影响的情况。例如，为一个可以容纳500量辆车的车库设计一套控制系统，第一步就是定义停车过程，那么车库停车到底需要什么样的作业过程呢？
■ 车辆接近车库门栏处的取卡机。
■ 司机按下取卡机上的按钮准备取卡，如果车库有空余车位，那么司机就会得到一张停车卡，如果车库已满或者门栏已经处于抬起状态，那么取卡机不会弹出停车卡。
■ 取出停车卡，门栏抬起，绿色的“进入”灯亮。
■ 车辆完全通过门栏之后，门栏降低，绿灯关闭。
■ 任何时候都可以知道车库里面的车辆数目。
■ 如果达到最大停车数量，“车库已满”标志亮起，取卡机不再提供停车卡，门栏保持遮挡状态。
■ 门栏卡住时必须有报警扬声器提示。
输入/输出要求
定义了系统作业流程之后，下一步就是确定系统需要什么样的输入和输出设备。列出所需要的功能，标出特定类型的设备。依据设备根据已发生或者正在发生（输入）的时间做出响应或者设备是否做出控制动作（输出）来将这些设备分组。
根据车库停车控制系统的描述，可以统计出I/O需求（见表1）。
表1 从现场设备列表来看，车库停车控制系统需要7个输入和6个输出。
选择一种控制方法
应用需求明确了之后，下一步就是确定何种控制方法可以完成这项任务。为了帮助在继电器、PLC和SBC中选择更合适的控制方法，将应用需求和控制方法整合成了一张对照表。表2就是针对车库停车应用的对照表。
如表2所示，所有三种方法都能完成这项任务，但是，这并不意味着这三种方法都能提供最佳解决方案。为了将控制方法区分开来，使用表3来评价其相关成本。
表2 应用需求和控制方法的比较
表3 各种控制方法相关成本比较
空间和成本
系统设计人员通常都会对元器件的物理尺寸和成本多加考虑，这两个因素确实颇为重要。很多应用，特别是机械设备，能够分配给控制部件的空间十分有限。如果组装之后的控制系统所占用的空间超过了机械设备所能提供的空间，那么这种控制系统通常都不会被采纳，因为为了容纳控制系统，必须对机械设备做较大的改动。
由于基于继电器的控制系统通常都要使用面板，所以这种控制方法所占用的空间比使用微型PLC或SBC的控制方法要大得多。对于需要13个I/O连接和一个计数器的车库停车控制系统来说，微型PLC或SBC是最具有空间优势的控制解决方案。
多种成本因素会影响最终选择，包括控制系统设计和开发、元器件成本、组装成本、空间和动作逻辑。
控制系统设计和开发成本产生于系统的设计阶段。
■ 继电器或者微型PLC系统并不需要负担此类成本，因为这些器件已经是设计好的产品。
■ 对于SBC，此类成本产生于电子工程师设计电路板并测试其功能时（与继电器和PLC不同，SBC并非典型的最终产品）。
■ 很多项目要求控制系统满足国际工业标准，例如UL、CE或者CSA标准。PLC通常都经过认证已经满足这些标准，而基于继电器和SBC的系统通常都没有经过认证。
元器件成本是指控制相关硬件的成本。此类成本包括元器件的采购成本、库存成本以及质量控制成本。
■ 对于继电器系统来说，此类成本包括继电器、机械计时器和计数器的成本。
■ 对于微型PLC来说，所有必需的硬件都集成在PLC内部了。
■ 对于SBC来说，此类成本包括电路板、元器件和线路成本。
组装成本包括将元器件组装成可以使用的产品所需的成本。
■ 对于继电器系统来说，此类成本包括在面板上安装元器件和实现控制逻辑的布线成本。
■ 对于微型PLC来说，唯一的组装成本来源就是使用螺钉将PLC安装到面板或者DIN导轨上。
■ 对于SBC来说，此类成本包括监督制造厂生产SBC。基于这种原因，只有在极大采购数量或者十分特殊的应用场合才会使用到SBC。
面板空间成本包括面板的尺寸和用来放置控制系统的外壳。外壳越大，原材料成本就越高。
设备制造商需要经济、便捷的控制解决方案，便于其定制产品以适应客户的不同应用需求。小型PLC，例如Rockwell Automation公司的Micro810，就能够提供PLC所能提供的功能特性和应用灵活性，而价格仅与智能继电器相当，所以OEM厂商可以量需而为。
■ 继电器系统的元器件较多，尺寸很可能过大。
■ 微型PLC和SBC系统的尺寸很小。
动作逻辑成本就是在控制系统中安装控制逻辑的成本（假设这三种控制方法的逻辑开发成本类似），此类成本包括：
■ 对于继电器系统，动作逻辑成本包括将元器件用电线连接起来的成本，每一个后续的项目都需要进行同样地组装、调试以及校准计时器和计数器。
■ 对于微型PLC，此类成本包括采购编程软件或者手持式编程器。后续的编程仅需要将程序下载到PLC中即可；对于同样的应用，不存在编程和调试成本，但是对于每一个控制系统，用户仍旧需要进行试运行。
■ 对于SBC，此类成本包括雇佣电气工程师对微处理器进行编程，后续项目的编程通常仅需将存储芯片拷贝即可；对于同样的应用，不存在编程和调试成本。试运行也是需要的。
已经不再使用继电器转而使用SBC的OEM厂商和设备制造商开始使用PLC来降低成本和提升性能。微型PLC的先进性能可提供更高的灵活性、通讯能力和更大的内存。插入式模拟和数字I/O组件使设备制造商可以定制控制器，增加产品功能特性，无需改变产品外型，用户只需购买自己所需的功能即可。
后续成本
控制系统总成本还要包括安装之后的相关成本，在系统开始运行之后，很有可能需要对控制逻辑进行修改，更改备案系统，以及对系统进行故障排查。
对于基于继电器的系统来说，对控制逻辑进行更改的成本十分巨大，当涉及到多台设备需要重新布线时尤为明显。而且，对继电器布线逻辑进行备案就需要绘制全新的布线图。由于这项任务是如此的枯燥，而且成本颇高，所以系统更改通常都不备案。实际上，每一根走线都无法溯源，无法确定现有的走线图是否反映了系统的实际状态。
对于基于SBC的控制系统来说，用户通常无法与微处理器通信，也没有编程软件可用。几乎无法进行控制逻辑更改，通常也不具备自动备案能力，用户通常都无法自行上载或者下载程序。基于SBC的系统难以进行故障排查，因为软件中几乎不会内嵌有故障排查功能。这类系统的用户必须向制造商寻求支持，因为除此之外没有别人了解SBC的内部结构。
PLC能够提供更高的操作灵活性，相比之下，PLC编程软件能够更快速地实现控制逻辑更改，并且允许在多台设备上下载新程序。程序总是保持最新版本，一键即可完成备份。故障排查功能和诊断功能是软件的标准配置，也可以通过手持式编程器实现上述功能。
PLC的数据采集和通信能力也值得一提，因为这些能力远远超越了传统继电器。PLC能够从生产设备上收集信息，设备状态报告、失常或故障部件计数、总部件计数、生产率、设备运转时间等信息对于阶段性维护作业都非常有价值。而且，PLC还能够与远程站点的其他控制设备或者操作员互通这些信息。
这些能力使基于PLC的系统最容易得到支持。可以从多种来源以合理的价格获得辅助编程和故障排查功能。而且，如果PLC失效，只要从最近的工业产品供应商处购买一台产品替换即可——无需等待从原厂发货调换。而且，相比于SBC，PLC更加耐用，在严酷的环境中使用时或者耐用性是一个主要考虑因素时，PLC更具优势。