PLC技術在電氣設備自動化控制中的應用研究

曹喜

（北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064400）

可編程控制器是一種通用工業自動控制裝置，它是在微處理器的基礎上，結合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數字技術以及通信網絡技術發展起來的，因此，可以用其表示當下工業生產技術中程序控制部分的先進程度。它面向的主要對象包括兩類：過程控制和用戶，具有操作方便、可靠性高、適應工業生產環境等優點。

1 PLC技術概述

輸入/輸出模塊(I/O模塊)是系統感知外部條件、傳遞信息的“五感”。它是外場設備與CPU模塊之間的連接。輸入模塊用于接收和收集輸入信號，輸出模塊用于控制輸出設備。輸入輸出模塊除了具有信號傳輸功能外，還可以實現電平轉換和隔離。PLC控制器的實現需要軟硬件的高度協調。它是一個可編程邏輯電路。PLC廣泛應用于半導體、民用、家庭自動化等各種控制系統。PLC的應用面廣，普及率高，很多其他設備也在模仿自己的路走得越來越遠，但在功能方面只能望洋興嘆。

1.1 PLC的基本框架

PLC的硬件結構與微型計算機基本上是一樣的，它實質上可以看作是一臺專用于工業過程控制的計算機系統。

（1）中央處理單元。CPU作為PLC的控制中樞，主要起到了接收、存儲用戶程序以及數據的作用。

（2）存儲器。按照其功能的不同可以將存儲器分為兩種：一種叫系統程序存儲器，是用來存儲系統軟件的；另一種叫用戶程序存儲器，是用來存儲應用軟件的。

（3）電源。電源是整個PLC系統中動力中樞。通電時，PLC啟動；斷電時，PLC關閉。

1.2 PLC的工作原理

PLC通常以循環掃描的方式進行工作。將PLC接通電源后，就可以對用戶程序進行掃描了，完成一次掃描后將用戶程序存儲起來，之后再讓系統執行程序完成規定的任務，周而復始，直至PLC停止運行。掃描周期是指完成一次掃描所用的時間，一次完整的循環過程可以歸納為五個階段，分別為公共處理階段、執行用戶程序階段、掃描周期計算階段、I/O口刷新階段以及外設口服務階段。

（1）公共處理階段。在此階段，PLC會進行如下操作：對監視定時器進行復位、對所接外部設備進行檢查以及對用戶的內存狀態進行檢查等。如果在處理時有異常情況發生，故障顯示電路就會被接通，顯示燈打開的同時會對異常原因進行判斷和顯示。

（2）執行用戶程序階段。在此階段主要是進行對映像寄存器中存儲的數據進行讀取、解釋以及執行的工作。

（3）掃描周期的計算。在此階段，如果隨掃描周期提前進行了設置，則不會立即進行下面的掃描工作，直至達到設定值才能繼續向下掃描。若沒有提前設置，則要完成整個周期的掃描計算。

（4）I/O刷新階段。I/O刷新階段，主要分為讀各輸入點的狀態和讀輸出映像寄存器中的狀態。

1.3 PLC的基本特點

PLC控制技術的誕生讓工業控制技術在整體上有了一個質的飛躍，它相比傳統繼電器的控制技術主要有以下優點：

（1）高可靠性以及強抗干擾能力。隨著科學技術的不斷發展，元器件的性能也在被不斷地進行完善，因此，在一定程度上提高了PLC的可靠運行性。通常情況下，PLC可正常工作的時間是非常長的，甚至可以達到幾萬小時以上，使得該項指標已變得毫無意義，因此，大部分廠家在之后的生產過程中都不會再對該性能指標進行標注。大量的實踐表明，PLC運行系統發生故障的原因基本不是由其本身問題產生的，大多數還是其外部開關、傳感器或執行機構發生故障導致的。

（2）通用性強，使用方便。目前大部分的PLC產品中所帶有的I/O模塊和相關部件都是比較齊全的，且基本上實現了系列化生產和功能模塊化的目標，在很大程度上滿足了用戶在進行不同系統控制時將所需部分進行組合的便利性，節省了用戶的設計時間。

（3）程序設計簡單且易學易懂。通過對當前用戶的使用數據進行分析，可以看出電氣控制人員是PLC的主要使用對象。因此結合這個實際情況，PLC廠家在對其進行設計時通常情況下不會采用微機使用編程語言，而選用了一種梯形圖語言，這種語言的結構和繼電器的控制原理圖是類似的，所以對工程技術人員來說，無論是學習還是使用都是非常便利的。

（4）采用先進的模塊化結構，系統組合靈活方便。PLC整體上采用了模塊化的技術手段，將CPU、電源及I/O通道等各個部件分別進行模塊化設計，之后再用機架和電纜將各模塊組合到一起。可按照用戶需求將隨意組合，大大提高了用戶的工作效率。

（5）系統設計周期短。鑒于系統硬件僅是依據對象的要求對模塊進行合理化分配，很大程度上減少了設計時間，加快了工程的進度。

2 基于PLC技術的物料提升機控制系統的硬件設計

2.1 PLC控制系統的基本結構

本設計研究的物料提升機控制系統，其硬件部分主要由PLC和轉速-電流雙閉環直流調速系統組成。

2.2 PLC的硬件設計

（1）PLC機型的選擇。本設計采用了日本三菱公司的FX3U系列的FX3U-16MTCPU系統，其中，16是指一共有16個輸入輸出點；M為基本單元；T為晶體管輸出形式。這類PLC在環境溫度、抗沖擊性、抗擾動等方面都能滿足要求。PLC構成雙閉環直流調速系統的成分包括1個基本單元（即FX3U-16MT）、一個模擬量輸入模塊FX3U-4AD（即4個12位模擬量輸入通道）和一個模擬量輸出模塊FX3U-2DA（即2個12位模擬量輸出通道）。

通過FROM（FNC78）/TO（FNC79）指令實現PLC基本單元與FX3U-4AD和FX3U-2DA之間的數據通訊功能。FROM（讀特殊功能模塊指令）是用于讀取數據的指令，實現將數據從FX3U-4AD/2DA中讀出的功能，TO（寫特殊功能指令）是用來寫入數據的指令。

PLC構成的轉速-電流雙閉環直流調速系統一共包括三個模塊：基本單元模塊FX3U-16M、模擬量輸入模塊FX3U-4AD以及模擬量輸出模塊FX3U-2DA。將I/O模塊連接在FX3U-16MT的右邊擴展總線上，編號時，認為靠近基本單元的模塊為起始模塊，依次標為0號、1號，如圖1所示。

圖1 PLC模塊連接和編號

（2）PLC硬件部分設計。PLC硬件設計。如下圖2所示為本設計的PLC硬件連接方式。我們把其中的SB0～SJ設定為輸入通道，KM0～DJ設置為輸出信號通道。

圖2 PLC連線圖

3 結語

隨著PCL技術在電氣領域的廣泛應用，它的兩大系統(FCS系統與DCS系統)會根據電氣設備的類型呈現出不同的運行狀態，這樣不僅可以減少許多紛繁復雜的程序步驟，還能節省大量的財力物力，不斷地提高電氣設備在運行過程中的操作效率，保證設備的順利運行。并且PLC的運用比較方便快捷，同時，它的維修工作也比較簡單，平常的一些維修師傅就能夠很好的完成。在當前的時代背景下，PLC憑借獨特、多樣化的功能優勢，在電氣設備自動化領域中的發展會越來越廣。