可編程控制器控制系統設計探討

摘要：目前，可編程控制器技術已在工業生產過程自動控制領域得到廣泛的應用。本文首先對可編程控制器控制系統設計的基本原則和主要內容進行了分析，接著給出了可編程控制器控制系統設計的步驟，最后從基于PLC的礦井提升機控制系統設計探討了可編程控制器在煤礦生產中的應用。

關鍵詞：可編程控制器控制系統系統設計

PLC是一類可編程的存儲器，它以微處理器為核心，采用其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。它綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術，是一種新型、通用的自動控制裝置。PLC具有結構簡單、高可靠性、靈活通用、易于編程和使用方便等眾多優點，近年來在工業自動控制和礦山機電一體化等方面得到了廣泛應用。在礦山機電設備控制方面，如何采用PLC完成實際控制系統的應用設計，是每個從事電氣自動化控制技術人員所面臨的實際問題[1]。

1 可編程控制器控制系統設計基礎

1.1 可編程控制器控制系統設計的基本原則 任何一個電氣控制系統所要完成的控制任務，都是為滿足被控對象(生產控制設備、自動化生產線、生產工藝過程等)提出的各項性能指標，最大限度地提高勞動生產率，保證產品質量，減輕勞動強度和危害程度，提高自動化水平。因此，在設計PLC控制系統時，應遵循如下幾個基本原則。①最大限度地滿足被控對象提出的各項控制要求。充分發揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是PLC控制系統設計中最重要的一條原則。計人員在進行設計前，就應深入現場進行調查研究，搜集資料，與機械部分的設計人員和實際操作人員密切配合，共同解決重點問題和疑難問題。②確保控制系統的安全可靠。保證PLC控制系統能夠長期安全、可靠、穩定運行，是設計控制系統的重要原則，必須放在首位來考慮。不能安全可靠工作的電氣控制系統，是不可能長期投入生產運行的。③力求控制系統簡單、經濟，且使用與維修方便。在滿足控制要求和系統運行可靠的前提下，應力求控制系統構成簡單、經濟。既要擴大工程的效益，又要不斷地降低工程的成本，同時不能盲目的追求系統的高性能指標。只有構成簡單的控制系統才能做到經濟、實用，且使用方便，后期維護也容易。④具備良好的擴展能力。適當考慮到今后控制系統發展和完善的需要，充分利用可編程控制器易于擴充的特點，在選擇PLC的容量時，充分保留系統的擴展能力。

1.2可編程控制器控制系統設計的主要內容 在進行可編程控制器控制系統設計時，盡管有著不同的被控對象和設計任務，設計內容可能涉及諸多方面，又需要與大量的現場輸入／輸出設備相連接，但是基本內容應包括以下幾個方面。①分設計任務書編制。設計任務書是整個系統設計的依據，設計開始時應先詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，提出被控對象對PLC控制系統的控制要求，從而擬定PLC控制系統設計任務書。在設計任務書中，應明確各項設計要求、約束條件及控制方式。②確定輸入/輸出設備。在構成PLC控制系統時，除了作為控制器的PLC，用戶的輸人/輸出設備是進行機型選擇和軟件設計的依據。因此，要明確輸入設備的類型、數量和輸出設備的類型、數量，以及由輸出設備驅動的負載。③PLC選擇。正確、合理地選擇PLC對于保證整個控制系統的技術經濟性能指標起著重要的作用，一般包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。④分配I/O點并設計PLC外圍硬件線路。通過對用戶輸人/輸出設備的分析、分類和整理，進行相應的I/O地址分配，并據此繪制I/O接線圖。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統的電氣原理圖。至此，PLC控制系統的硬件設計基本完成。⑤控制程序設計。一般采用梯形圖語言設計系統的控制程序，這對于保證整個系統安全可靠的運行至關重要，必須經過反復調試，使之滿足控制要求。程序設計的主要內容包括：控制程序設計；初始化程序設計；檢測、故障診斷和顯示等程序設計；以及保護和連鎖程序設計。⑥硬件實施。設計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設計系統各部分之間的電氣互連圖；根據施工圖紙進行現場接線，并進行詳細檢查。⑦編制控制系統的技術文件。在設計任務完成后，要編制系統的技術文件。技術文件一般應包括設計說明書、使用說明書、硬件原理圖、安裝接線圖和電氣元件明細表，以及PLC程序等。

2 可編程控制器控制系統設計步驟

用可編程控制器進行控制系統設計的一般步驟如圖1所示。

隨著PLC技術的發展，PLC產品的種類和數量越來越多。近年來，從國外引進的PLC產品、國內廠家或自行開發的產品已有幾十個系列，上百種型號。不同型號的PLC，其結構形式、性能、容量、指令系統、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統的技術經濟指標有著重要意義。PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯網能力等方面加以綜合考慮后做出決定。

3 可編程控制器技術在煤礦生產中的應用

礦井提升機是煤礦、有色金屬礦的重要生產設備之一，擔負著提升煤炭、煤矸石、井下施工材料、各類井下工作人員和機械設備的重要任務，其安全性、可靠性直接關系到煤礦企業的生產狀況和經濟效益，是控制煤礦生產的咽喉所在。目前，我國煤礦采用的礦井提升機電氣傳動系統主要有：①大型礦井主要采用晶閘管變流器—直流電動機傳動控制系統和同步電動機矢量控制交一交變頻傳動控制系統。②中、小型礦井則多采用交流繞線式電動機轉子切換電阻調速的交流電氣傳動系統。這兩種系統，基于自身的特點各有優缺點，如何對現有的提升機電控系統進行改造設計，提高精度，在更安全的范圍內保證礦山生產的順利進行對煤礦企業發展至關重要。

PLC控制系統具有可靠、準確、抗干擾能力強、易維護等眾多優點，能很好的解決現有控制系統無法克服的弊病，為煤礦安全、高效生產提供技術保障。因此，建立基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統成為當前眾多煤礦企業礦井提升機電控系統的首選方案。

由于井下工作環境惡劣，設計時要充分考慮到保護系統的環境問題，采用PLC控制系統簡化控制線路，添加各種現場抗干擾措施，并基于計算機屏幕實時動態反映提升機系統的所有運行參數和運行狀態，顯示提升速度、提升高度、裝卸載系統和故障信息等畫面，使司機對提升機的工作狀態及故障來源一目了然，對整個提升系統進行監控。在軟件中采用提升機電控系統中斷模塊及故障處理模塊，實現超速運行時可報警中斷，使提升機運行更加科學合理。

PLC的控制主程序主要完成以下任務：①系統初始化；②自檢；③故障診斷；④調速系統控制；⑤安全保護。系統開機后，控制程序運行流程如下：①系統初始化。完成PLC的初始化工作，對高速計數單元進行以下操作：寫控制字，定義工作模式，清零，寫設定值，設置定時中斷，連接中斷，啟動計數。②自檢。完成自檢及提升機初始位置顯示，當收到開車指令時，PLC轉入S形速度給定控制；③故障診斷、調速系統控制。在系統運行過程中，當PLC接收到來自傳感器、接近開關或變頻器故障等外部控制信號時，PLC控制程序轉到相應的中斷處理程序處，完成超速保護、過卷、過載等保護工作，并對提升機的位置、速度和頻器故障等進行監控。④安全保護。當有故障出現時，系統可轉到相應的故障處理模塊，檢查并進行故障處理，最后通過報警回路報警或安全回路實現抱閘停車保護。

4 結束語

可編程控制器控制技術屬于先進的實用技術，是當前工業生產自動化的重要支柱，已被廣泛的應用于各個工程領域，而以PLC為主控制器的控制系統也越來越多。當我們熟悉了PLC的組成和基本工作原理，掌握了PLC的指令系統及編程規則以后，就面臨著如何將PLC更好的應用到實際工程中去，使PLC能夠實現對生產機械或生產過程的控制，并帶來更可靠、更高的質量和更高的效益，即如何進行PLC控制系統的設計。而本文正是對這一問題進行的探討，以期對可編程控制器技術的更廣泛應用做出有益的分析。

參考文獻：

[1]胡學林.可編程控制器原理及應用(M).北京：電子工業出版社.2007.169-175.

作者簡介：郭永峰（1980-），男，內蒙古鄂爾多斯伊金霍洛旗人，助理工程師，2005年1月畢業于北京印刷學院機械工程及其自動化專業，現在神華神東煤炭集團公司維修中心三廠工作。