基于PLC與現場總線的機械電氣控制系統分析

王鳳蘊

（長春汽車工業高等專科學校，吉林 長春 130011）

1 PLC概述

1.1 PLC的含義

PLC（Programmable Logic Controller）即可編程控制器，是在電氣控制技術和計算機技術的基礎上開發出來的，以微處理器為核心，將自動化技術、計算機技術和通信技術結合起來的新型工業控制裝置。自1969年美國數字設備公司研制成功世界上第一臺PLC以來，經過40 余年的發展，PLC 的種類不斷增多，應用領域不斷擴大，已經成為當代工業自動化的主要支柱之一，是一種最重要、最普及的工業控制器。

1.2 PLC的特點

PLC具有6個特點：①可靠性高，環境適應性強；②編程簡單，使用方便；③靈活通用，功能完善；④設計安裝簡單，維護方便；⑤體積小、重量輕、能耗低；⑥與其他裝置配置連接方便。

1.3 PLC的工作原理

PLC是一種實時的工業控制計算機系統，PLC 的運行是通過執行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務的，在執行用戶程序時，是按照存儲順序的先后逐條掃描，直到程序結束。同一臺PLC可以配上不同的軟件，完成不同的控制任務。而在完成任務的同時，PLC還具備內部診斷、處理與編程器、計算機的通信要求等。PLC的掃描過程如圖1所示。

2 現場總線概述

2.1 現場總線的含義

現場總線是控制系統中底層的通信網絡，是互連現場自動化設備及其控制系統的雙向數字通信協議。它將互聯網通信與管理的觀念帶入工業控制領域，把單個分散的控制設備變為網絡節點，以現場總線為紐帶，將它們連接成可以相互通信、共同完成程序任務的網絡系統與控制系統。

圖1 PLC的掃描過程

2.2 現場總線的特點

現場總線具有5個特點：①系統具有開放性；②系統結構具有可靠性；③互連設備間具有互操作性；④系統結構的智能化及自治性；⑤環境適應性強，具有較強的抗干擾能力。

2.3 現場總線的通信協議模型

在通信網絡中，分層次的體系結構十分重要。國際標準化組織制定了開放式系統互連參考模型OSI／RM （Open System Interconnection／Reference Model），定義了7 層的體系結構：應用層、表達層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。現場總線參考OSI／RM，對應現場設備分散、節點信息量小、實時性和快速性的要求，只使用了物理層、數據鏈路層和應用層。

3 基于PLC與現場總線的機械電氣控制系統

3.1 電氣控制系統

電氣控制系統是指電動機通過某種自動控制方式進行控制，以繼電器為核心，根據操作指令及被控對象發出的信號，由控制部分按照規定的動作要求決定執行什么動作以及執行動作的順序。分為輸入、控制、輸出3部分，輸入部分由按鈕、位置開關和傳感器等輸入設備組成；控制部分由繼電器和觸點構成；輸出部分由接觸器、電磁閥、指示燈等輸出設備組成。

電氣控制是將輸入、控制、輸出3部分用導線按照一定的次序和組合方式連接起來組成的線路。而控制部分是采用硬接線將各種繼電器及觸點按照一定的要求連接起來的電路，不僅接線復雜、體積大、故障點多、操作不靈活、工作效率低，還易受環境影響。因此，電氣控制系統需要更為可靠、高效率、操作便捷的控制系統。

3.2 PLC與現場總線在機械電氣控制系統中的運用

3.2.1 PLC控制系統

PLC控制系統是以PLC 為核心，也分為輸入、控制、輸出3 個部分。但是控制部分采用“可編程”的PLC，可以方便地改變用戶程序，實現各種控制功能，同時，PLC控制系統可以實現邏輯運算、數值運算等。

電氣控制系統采用硬件接線，利用繼電器的機械觸點來控制邏輯，接線多且復雜，繼電器的觸點數量有限；而PLC采用計算機技術，若改變控制邏輯只需計算機來改變程序，而且很容易增加系統的功能。電氣控制系統采用繼電器控制電路，當電源接通時，電路中所有繼電器都處于受制約狀態；而PLC是按照一定順序循環執行，各軟繼電器都處于周期性循環掃描工作中。電氣控制系統使用大量的機械觸點，存在機械磨損、壽命短等問題，其可靠性和維護性較差；而PLC 自帶診斷功能，能檢測出自身故障，方便技術人員的檢查和整改。

3.2.2 基于現場總線的運動控制系統

基于現場總線的運動控制系統是以電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執行機構，實現機械運動精確的位置控制、速度控制和轉矩控制等。

現場總線運動控制系統具有通信特性，運動控制系統分為點到點定位控制和多軸同步運動控制，對于機械電氣系統的控制分為時間觸發和事件觸發兩種通信控制策略。在控制中，現場總線技術能提供準確的實時位置值、時間值、數據傳輸值；現場總線通信具有可靠性，在設計通信協議時，支持光纖電纜傳輸、差動信號傳輸等，防止數字信號在傳輸過程中受到電磁干擾、溫度、灰塵、化學污染等因素的干擾；現場總線通信具有實時性，網絡技術的引入會給控制系統帶來時間延長的負面影響，現場總線使用屏蔽雙絞線、光纖等先進的傳輸技術提高通信波特率，同時優化網絡控制機制，減小網絡負載，避免數據沖突，其層次清晰、靈活性好，提高了通信的實時性。

3.3 PLC與現場總線結合的優越性

PLC 與現場總線均將計算機技術和自動化技術相結合，代表了自動化工業的發展方向，是現場設備工作及通信的一場數字化革命；PLC 與現場總線均具有可靠性高、環境適應能力強、抗干擾能力強、操作簡單、靈活方便等特點，在工業系統控制領域發揮了重要作用。

4 結束語

本文對基于PLC 與現場總線的機械電氣控制系統進行了簡單闡述，分析了PLC與現場總線對機械電氣控制系統局限的擴展，提高了電氣系統控制的生產效率，表明PLC與現場總線技術在機械電氣控制系統中具有廣闊的發展前景。

［1］ 邱學飛.基于PPC、PLC及現場總線的鐵路大型養路機械電氣控制系統［J］.鐵道通信信號，2007（8）：67－68.

［2］ 謝學鋒.機械電氣控制裝置中的PLC應用［J］.企業導報，2012（16）：272.