淺談PLC在工業自動化控制系統中的應用

黃 葵

（廣西漢和建筑規劃設計有限公司，廣西 南寧 530022）

可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controrler，簡稱PLC）是以微處理器為基礎發展起來的，集自動化技術、計算機技術、通信技術、先進制造技術為一體的新型工業自動控制裝置。由于其抗干擾能力強，可靠性高，編程簡單，性能價格比高，它可以通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小、功能強、可靠性高、抗干擾能力強以及應用安裝方便等優點，已成為當代工業自動化領域中的主導，是現代工業自動化的三大支柱（PLC技術、機器人、計算機輔助設計和制造）之一。

1 PLC的結構組成

（1）進行邏輯和數學運算，控制整個系統，使之協調工作的中央處理器。

（2）用于存放系統的監控程序、用戶程序、邏輯變量和一些其他信息的存儲器。

（3）接口電路。它是 PLC與現場設備以及外圍設備的聯系通道，如輸入/輸出接口、鍵盤/顯示接口、通信接口和擴展接口等。

（4）輸入/輸出電路。輸入電路用來對輸入信號進行隔離和電平轉換；輸出電路用來對PLC的輸出結果進行放大和電平轉換，驅動現場設備。

（5）電源。包括系統電源、備用電源和掉電保護電源等。

2 PLC的工作原理

PLC采用了一種順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即掃描方式。它不同于一般的微型計算機的運行方式，它在一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開時，該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等到掃描到該觸點時才會動作。通常包括三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新。

2.1 輸入采樣階段

在此階段PLC以掃描的方式順序讀入各個接口的狀態和數據，并將它們存入 I/O映像區中的相應單元內。并在用戶程序運行階段和輸出刷新階段保持不變，只有到了下一個周期的采樣階段才會根據實際的變化對I/O映像區作相應的改變。因此若輸入的是一個脈沖信號，則必須保證脈沖信號的寬度大于一個掃描周期，才能保證脈沖的有效輸入。

2.2 用戶程序執行階段

PLC總是按照由上而下的順序依次掃描用戶程序，在每一條梯形圖中，又總是按照先左后右、先上后下的順序對各觸點構成的控制線路進行邏輯運算。然后根據運算結果，對輸出點的邏輯線圈在系統RAM中的存儲狀態或I/O映像區狀態進行刷新，而且在本掃描周期內只對排在梯形圖下面的線圈或數據起作用，排在上面的線圈或數據只能在下一個掃描周期才會進行刷新，這就是掃描技術的最大特點。

2.3 輸出刷新階段

在一個掃描周期結束后，CPU根據用戶程序執行完后 I/O映像區內的各個模塊對應的狀態和數據對所有的輸出鎖存電路進行刷新，然后驅動輸出電路輸出到相應的外設，此時才是PLC一個控制周期的結束。

3 PLC的安裝和使用環境

（1）PLC及其外部電路（I/O模塊、輔助電源等）工作環境溫度通常在0～55 ℃范圍內，應避免太陽光直接照射，安裝位置應遠離發熱量大的器件，同時應保證有足夠大的散熱空間和通風條件，冬季時，可開啟柜內安裝的加熱器來保持盤、柜內的環境溫度。

（2）為了保證PLC有良好的絕緣，PLC環境濕度應控制在 35%～80%范圍內，若環境濕度過大，盤、柜應設計成密封型，并放入吸濕劑，或把外部干燥空氣引入盤、柜內。

（3）在含有腐蝕性氣體、濃霧或粉塵的場合，可將盤、柜設計成密封型結構，且打入高壓清潔空氣，使外界不潔空氣不能進入盤、柜內部。

（4）如果 PLC安裝位置有強烈的振動源，系統的可靠性也會降低，如果振動來自盤、柜之外，可對盤、柜采用防振膠皮與振源隔開；如果振動來自盤、柜內，則把產生振動的設備移出，單獨設置。

4 PLC抗干擾設計

隨著工業自動化技術日新月異的發展，晶閘管可控整流和變頻調速裝置使用日益廣泛，這帶來了交流電網的污染，也給控制系統帶來了許多干擾問題，同時，由于PLC主要是集中安裝在主控室，它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中，很容易被周圍干擾源干擾而引起控制系統產生錯誤動作，影響系統的正常工作，因此防干擾是PLC控制系統設計時必須考慮的問題。

4.1 硬件抗干擾設計

4.1.1 供電電源的抗干擾設計

在PLC控制系統中，對于電源線的干擾，只需將PLC的電源與系統的動力設備電源分開配線，一般都有足夠強的抑制能力。但由于電網覆蓋范圍廣，電網內部的變化，如大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等均能在電網中形成脈沖干擾，其脈沖功率足以損壞PLC半導體器件，據統計分析，PLC系統的干擾中有70%是從電源藕合進來的。為了抑制干擾，保持電壓穩定，常采用以下幾種抗干擾方法：①使用隔離變壓器衰減從電源進線的高頻干擾信號，輸入、輸出線采用雙絞線以抑制共模干擾，一般做法是將初、次級屏蔽層均接地；②用低通濾波器抑制高次諧波。電源輸入、輸出線應分隔開，屏蔽層應可靠接地。一般是在電源系統中既使用濾波器又使用隔離變壓器，但要注意先將濾波器接入電源再接隔離變壓器；用頻譜均衡法抑制電源中的瞬變干擾。

4.1.2 接地抗干擾設計

接地在消除干擾上起很大的作用，良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件之一，可以避免偶然發生的電壓沖擊危害。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應給PLC接以專用地線，接地線與動力設備（如電動機）的接地點應分開，若達不到此要求，則可與其他設備公共接地，嚴禁與其他設備串聯接地。接地電阻要小于5 Ω，接地線要粗，面積要大于2 mm2，而且接地點最好靠近PLC裝置。其間的距離要小于50 m，接地線應避開強電回路，若無法避開時，應垂直相交，縮短平行走線的長度。

4.2 軟件抗干擾設計

硬件抗干擾措施的目的是盡可能地切斷干擾進入控制系統，但由于干擾存在的隨機性，硬件抗干擾措施并不能將各種干擾完全拒之門外，這時，可以發揮軟件的靈活性與硬件措施結合來提高系統的抗干擾能力。

4.2.1 指令重復執行

指令重復執行就是根據需要使作用相同的指令重復執行多次，一般適用于開關量或數字量輸入、輸出的抗干擾。在采集某些開關量或數字量時，可重復采集多次，直到連續兩次或兩次以上的采集結果完全相同時才視為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，發出報警信號。在滿足實時性要求的前提下，如果在各次采集數守信號之間插入一段延時，數據的可靠性會更高。如果在系統實時性要求不是很高的情況下，其指令重復周期盡可能長些。

4.2.2 數字濾波

在某些信號的采集過程中，由于存在隨機干擾而可能使被測信號的隨機誤差加大。針對這種情況，可以采用數字濾波技術。該方法具有可靠性高和穩定性好的特點，廣泛應用于工業計算機測控系統中。此外，數字濾波的常用方法還有：程序判斷濾波法、中值濾波法、算術平均濾波法、遞推平均濾波法等。

總之，工廠自動化及產品設備自動控制，是以后工業企業發展的一個方向，PLC基于其控制的優勢、運用的靈活性及其模塊化設計思想等將在以后的工業控制領域中得到充分和大量的應用。

1 王永華.現代電氣控制及 PLC應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003

2 張澤榮.可編程控制原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004

3 王起.論PLC、單片機、工控機在工業現場中的應用及選用方法［J］.廣西輕工業，2011（1）