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為什麽工業裝置都是沒有用微控制器控制的?

2013-04-15知識

許多剛入職的新人和學生,都問過這個問題。我的回答都形成套路了。

不過,當看見知乎上也有這個問題時,倒是要認真地回答一下。

首先說明一下,這裏所指的微控制器應當是指學生們剛剛制作完成的、在原理上已經沒有問題並且有簡易包裝的微控制器裝置,我把它叫做初級微控制器系統。

事實上,微控制器控制的儀器儀表比比皆是,占有相當大的比例,連PLC內部也有微控制器。不過,這裏的微控制器並非初級微控制器系統,而是十分完善且久經考驗的工業成熟產品。

大家都知道,在工業現場中有大量的馬達。傳統的馬達控制電路采用斷路器做短路保護,用接觸器做合分切換,用熱繼電器做過載保護。由於這些傳統的元器件不能實作遠距離傳送資訊,因此用微控制器來制備馬達保護裝置也就應運而生。

下圖是MCC控制櫃中安裝在馬達控制抽屜裏的馬達保護裝置:

別看它不起眼,它可是研發人員歷經三年才研制成功的產品。開發的過程當然是很辛苦的。首先要了解馬達的電流溫度特性和機械特性,以及馬達的各種起動和執行方式,然後設計前向通道,把馬達的電流訊號和電壓訊號變送進來;接著設計微控制器本體和外圍電路,以及電源和人機介面等等;再接著要設計後向通道,包括執行繼電器。硬體設計完成後,配套軟體,並且在實驗室透過了試驗驗證。

是不是這樣就行了?答案是,還早著呢!

下一步就是EMC測試了。用於工業現場的微控制器系統必須要過3級EMC的測試考驗。這裏的EMC就是電磁騷擾試驗。當EMC測試儀把騷擾訊號載入在電源上時,有時微控制器的電源系統立即就冒煙。所以,為了過EMC這一道坎,微控制器的前向、後向和電源電路不知道要改多少回,等到有點結果了,時間也過了大半年。

下圖是EMC測試儀:

再下一步就是老化和可靠性試驗。在這個試驗中,又要修改許多元件,修改路線,等到這一步完成,總時間也消耗掉近1年半。

最後一步就是到國家重點實驗室中去做認證試驗,又叫做型式試驗。試驗依據是國家相關的標準,做一次試驗要花很多錢。試驗也不可能一次透過,發現問題回來修改電路,再自己測,然後到國家實驗室去測。直到最後透過。

最可怕的就是電快速瞬變脈沖群測試,能在5次以內的往返測試修改後透過,真要燒高香了。

等到這最後一步透過,總研發時間一般要兩年。

但型式試驗透過並不代表就能用在現場。於是要找一家單位,交了一定的費用,然後把馬達保護器裝到現場,進行現場測試。試驗結果往往又需要改進,於是一切又從新開始。

等到一款馬達保護裝置真正能用在現場並形成產品,所花的人力和物力很高,費用也很高。

由此可見,在工業現場直接用微控制器構成測控裝置,它的可靠性、穩定性和可用性都是問題。因此在工業現場,一般都用PLC來做測控,而不直接使用微控制器。

PLC分許多檔次。低檔的PLC可靠性較高,但速度慢,功能也很有限;高檔的PLC除了速度快以外,它的可靠性和穩定性都很好,甚至能用於發電機的轉速控制。要知道,發電機的轉子轉速可是高達每分鐘數千轉。並且PLC還能實作雙CPU的冗余控制,備用CPU能無縫地切換控制。

下圖是ABB的AC800M系列PLC和AC500系列PLC:

其實,微控制器在工業現場大量出現在電力儀表中,例如數位電流表、數位電壓表和多功能電力儀表等等。下圖是安科瑞的多功能電力儀表:

由此可見,自制的微控制器裝置用在測量回路還是可以的,但用在測控就不合適了,畢竟測控對可靠性的要求更高。

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應幾位知友的要求,簡單介紹什麽叫做電快速瞬變脈沖群測試。

大部份電子產品需要透過電快速瞬變脈沖群(EFT)和靜電放電(ESD)等計畫的標準測試。EFT和ESD是兩種典型的突發幹擾,EFT訊號單脈沖的峰值電壓可高達4kV,上升沿5ns。接觸放電測試時的ESD訊號的峰值電壓可高達8kV,上升時間小於1ns。這兩種突發幹擾,都具有突發、高壓、寬頻等特征。

電快速瞬變脈沖群是由電感性負載(如繼電器、接觸器產生的傳導幹擾、高壓開關切換產生的放射線幹擾等)在斷開時,由於開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因,在斷開處產生的暫態騷擾。當電感性負載多次重復開關,則脈沖群又會以相應的時間間隙多次重復出現。這種暫態騷擾能量較小,一般不會引起裝置的損壞,但由於其頻譜分布較寬,所以會對電子、電氣裝置的可靠工作產生影響。

電快速速變脈沖群試驗的目的就是為了檢驗電子、電氣裝置在遭受這類暫態騷擾影響時的效能。重復快速瞬變試驗是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子裝置的電源埠、訊號和控制埠的試驗。試驗的要點是瞬變的短上升時間、重復率和低能量。

這種試驗是一種耦合到電源路線、控制路線、訊號路線上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗。此波形不是感性負載斷開的實際波形(感性負載斷開時產生的幹擾振幅是遞增的),而實驗所采用的波形使實驗等級更為嚴酷。 電快速脈沖群是由間隔為300ms的連續脈沖串構成,每一個脈沖串持續15ms,由數個無極性的單個脈沖波形組成,單個脈沖的上升沿5ns,持續時間50ns,重復頻率2.5KHz(對4KV測試等級)或5KHz(對其他等級)。根據傅立葉變換,它的頻譜是從5K--100M的離散譜線,每根譜線的距離是脈沖的重復頻率。對 電源端 子選擇耦合/去耦網路施加幹擾,耦合電容為33 nF。對I/0訊號、數據和控制埠選擇專用容性耦合夾施加幹擾,等效藕合電容約為50-200 pF。

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透過這段文字,我們可以很初略地了解到電快速速變脈沖群的殘酷性。許多電子裝置因為型式試驗無法透過此測試,而大費周折。電路板改的面目皆非,但還是通不過。

可見,對於初級微控制器系統,想透過測試,連門都沒有。若想把它用於現場控制,還早的很呢。後面的一系列測試麻煩事才剛剛開始。

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看到評論區的評論,我來簡單釋疑吧:

1.有知友期望能解釋變頻器與PLC的區別,簡單地說明一下

我們知道,馬達的轉速方程式如下:

T=\frac{3pU_{1}^{2} }{2\pi f_{1} } f(x_{1}, r_{1}, X_{2} ,R_{2} )

註意到分子中的電壓U和分子中的頻率f,說明馬達的調速既可以透過調電壓來進行,也可以透過調頻率來進行。調電壓的問題比較多,而且轉矩與電壓的平方成正比。調了電壓後,馬達的電流會下降,軸上輸出功率也會下降,所以最好的辦法就是調頻率。

變頻器就是透過調整頻率來對馬達實施調速的器件。

當代的變頻器,它不但能調速,還能控制馬達的起動和停機曲線,做到緩慢起動和緩慢停止,減小對負載的沖擊;它可依據管道內流體的壓力和流量參數,調節泵類電機的轉速,實作這些參數的自動控制;還可以根據室內的溫度和濕度,也即水焓值,來調節空調電機的轉速。

如果我們用PLC來模擬變頻器對電機實施測控,當然比不過變頻器了。

PLC適用的範圍極廣,例如配電系統的進線互投測控、造紙機紙張厚度測控、發電機測控、溫度測控等等,在這方面,變頻器根本就代替不了PLC。例如我們最常見的汽車停車場柵欄的升降控制,它就是PLC套用的絕佳場所,用變頻器來替代PLC,能行嗎?

總之,各種控制器件一定要用得恰如其分,這才是最好的。

告訴大家,2008年中國奧運會開幕式主會場的晚會相信大家不會忘記。晚會中中國水墨轉軸中就用到了ABB的PLC,還有李寧在空中的運動小車的控制也用到了ABB的PLC。我們無法想象用變頻器如何取代PLC。

2.有知友質疑我討論微控制器時用學生的初級設計取代工業領域的微控制器,我來解釋一下

事實上,也只有學生和剛入職的新人才會想到用微控制器初級產品來取代成熟的微控制器產品(例如PLC)。原因很簡單,對於他們來說,心目中最強大的東西也最熟悉的東西就是微控制器了。但等他們工作了一段時間,這種感覺就完全消失了,反倒成為PLC的熱心使用者。

這裏的意義在於:對於非電子開發類的企業來說,不管是微控制器也好,是PLC也好,是變頻器也好,都是用於測控的。測控強調的就是效能穩定可靠,操作方便,技術成熟。顯然,PLC和變頻器當然比初級微控制器產品的優勢大得多。

學會PLC套用技術很重要,學會它不但對工作有利,對自身今後的發展也很有利。

不過,這個建議對於那些以開發電子產品為己任的知友們無效。本帖也無意與這些電子開發行業的人員們爭論,畢竟工作性質不同,看法著眼點當然也不同。

3.在工作中如何處理與微控制器產品有關的技術問題?

這個問題是很典型的。以我為例,由於我的工作有很大一部份是故障分析,因此我必須對微控制器的套用要熟悉。

當某款電力儀表或者繼保裝置發生故障需要我來分析時,我第一件事就去查它的電路圖和安裝結構,仔細分析與故障相關的可能位置和原因。

事實上,只要看到某種電力儀表的電路圖,就能大略地知道這種儀表的工作效能是否強壯。別以為這種辨別能力是我的發明,不是的,我是向從事與電子裝置型式試驗的實驗員們學來的。那些人才是專家,一眼就能看出某款儀表或者微控制器待測件是否能透過測試。

總之,模電和數電,還有電力電子技術,它們的根是電路分析。只有徹底地掌握電路分析,才能在工作中站穩腳跟,才能給自己以更大的發展空間和技術手段。