电气控制系统发展的四个阶段

现在电气工程及其自动化的触角已伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研究，都有它的身影。电气控制技术的发展走过了几个比较有代表性的阶段，了解这几个有代表性的发展阶段及其特点，对于学习电气控制柜的制作有很大帮助。

开关控制电器阶段

早期的电气控制都比较简单，主要是实现电器与电源之间的通断控制。由于当时的电器电压不是很高，电流不是很大，所以开关普遍采用裸露的非封闭形式，因此称为可见断点的开关。可见断点的开关因为其接通和断开状态一目了然，从心理上可以给人安慰，而且实际上在断开状态下也确实是合适的。比较有代表性的开关电器就是刀开关，至今仍然在普遍使用。

早期的刀开关一般由人直接操作，开关的通断速度不可能很快，因此只能用于低压且电流不太大的控制场合。因为电压较高及电流较大的开关在接通和断开的过程中会产生强烈的电弧，电弧会将开关的接触部分烧坏，电弧还会危及操作者。为了解决电弧的危害，一是在开关上采用机械速动装置，减少产生电弧的时间;二是采用灭弧装置，减小电弧并降低电弧的温度;三是将开关用外壳完全封闭起来，避免对人的伤害;四是利用杠杆机构操作开关，使人处于对的位置;五是采用电动操作机构，实现开关的远距离操控和自动控制。

根据国家标准，一般电气控制中的隔离开关应采用可见断点的开关。对于全封闭型开关及远距离操控开关，要在在操作器件上醒目标示出开关接通和断开位置。对于自动控制开关，则要在操作后有检测开关通断状态的反馈信号显示，以确保操作的可靠性。

继电控制电器阶段

“继电保护”是输变电过程中的一种专门技术，是由各种继电器及量测设备组成的保护电路，目的是保证持续不间断供电。“继电保护”技术的发展为电气自动控制技术的发展奠定了基础。

继电控制是利用具有继电特性的元件进行控制的自动控制系统。所谓继电特性是指，在输入信号作用下输出仅为通、断等几个状态的特性。由于其控制方式是断续的，故称为断续控制系统。例如，电炉温度调节中，根据炉温是否超过规定值而断开或接通电源。这种只有通、断两个状态的控制又称双位式控制。继电控制中使用的元件并不限于电磁式继电器，也可用别的手段来实现继电特性。例如，在双位式温度调节中，常采用双金属片作为敏感元件，温度变化时双金属片因两部分金属的膨胀系数不同而弯曲变形，接通或断开触点。液压和气动阀等也是具有继电特性的元件。

7.可以实现监测功能

根据每一个继电器的控制功能，其接点连接上信号灯和电铃，就可以显示控制电路各个部分的工作状态，并可以实现故障显示、报警和监测功能。

8.扩大控制范围

多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、断开、接通多路电路。

9.综合信号功能

根据电气控制逻辑的需要，将多个控制信号按规定(串联、并联或混联)的形式输入多绕组继电器时，经过比较、综合，实现预定的控制目标。

数字逻辑控制阶段

开关电器和继电器控制的实质就是开关量的控制，因为只有接通“1”和断开“0”两个状态。

这里所讲的数字逻辑控制阶段是指，集成电路普遍采用以后，使用逻辑门电路进行的数字逻辑控制。尽管继电控制系统也可以进行一些比较简单的数字逻辑控制，但是由于继电控制系统实现这些逻辑电路结构十分复杂、成本高且可靠性差，并且存在难以避免的时序上的竞争问题，要解决这一问题，对设计人员的要求很高，结果往往需要通过实验才能解决。

电子计算机控制阶段

1971年，Intel公司设计了微处理器芯片Intel 4004，并以它为核心组成了微型计算机MCS-4。它开创了计算机应用的新时代。但是将普通PC直接移植于电气控制系统，存在系统过于复杂、成本太高的问题。直到专门为工业控制而设计的单片机诞生，这一问题才得以解决。

1.单片机

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把整个计算机系统集成到一个芯片上。概括地讲，一块芯片就是一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、软件可修改、为应用和开发提供了便利条件。利用单片机可以实现柔性控制、通信技术、多目标控制、仿真与智能控制。

2.可编程逻辑控制器(PLC)

随着大规模集成电路和微处理机技术的发展及应用，电气控制技术也发生了根本性的变化，在20世纪70年代，出现了将计算机存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器—可编程序控制器(PLC)，它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用电器普遍应用于工业自动控制领域。

可编程控制器技术是以硬接线的继电器-接触器控制为基础，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、连网通信等功能的控制装置。它可通过数字量或模拟量的输入、输出满足各种类型设备控制的需要。可编程控制器及有关外部设备，均按既易于与工业控制系统组成一个整体，又易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器已成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1μs到几十μs之间。PLC用梯形图编程，在计算逻辑方面，表现出快速的优点，扫描周期在微秒量级，计算1KB逻辑程序用时不到1ms。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位(也有32位的)为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算，把计算结果传送给PLC的控制器。

对于相同I/O点数的系统，用PLC比用计算机集中控制系统(DCS)的成本要低一些(大约能省40%)。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个大型的PLC控制器可以接收几千个I/O点(可达8000多个I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用小型PLC较为合适。PLC由于采用通用软件，在设计企业的管理信息系统方面要容易一些。

通用PLC应用于专用设备时，可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的稳定性。可编程控制器作为离散控制的产品，以微处理器为核心，通过软件手段实现各种控制功能。它具有通用性强、可靠性高、能适应恶劣的工业环境、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场连接安装方便等一系列优点，正逐步取代传统的继电器控制系统，广泛应用于各个行业的控制中。