PLC在工業自動化控制中的應用研究

摘 要：本文對PLC進行了概述，介紹了PLC的特點、基本結構以及PLC的工作原理。以西門子公司PLC為例介紹了S7-200、300、400系列PLC的特點以及適用場合。以S7-300系列PLC介紹了PLC的選型方法，最后通過案例介紹了PLC在工業自動化控制中的應用。

1 PLC概述

1.1 PLC概述

PLC自二十世紀70年代問世以來，即在工業領域得到了廣泛的應用和不斷的發展進步，從最初的僅僅具有簡單的邏輯運算能力和開關量輸入輸出功能到現如今的功能豐富強大，在工業技術領域占據了不可替代的一席之地。PLC具備的特點主要有：

①編程方法簡便、易學、易上手;②可靠性強，具有較強大的抗干擾能力;③功耗低、體積小;④前期安裝、使用、調試以及后期維護、維修、更改等操作簡便，工作量小;⑤功能強大，擴展模塊豐富，擴展能力強大[1]。

1.2 PLC基本結構

PLC基本結構如圖1所示，主要由中央處理器（CPU）、存儲器（ROM/RAM）、輸入輸出接口（I/O）、通訊接口、電源模塊、以及其他擴展模塊組成。CPU是PLC的最重要的核心。

圖1 ?PLC基本結構

1.3 PLC工作原理

PLC工作過程如圖2所示，其工作過程主要分為輸入采樣、執行用戶程序以及刷新輸出三個階段。完成這三個階段所用時間即為PLC的一個掃描周期。

圖2 ?PLC工作過程

①輸入采樣階段。PLC的CPU將讀取到的輸入端子的輸入信號輸入至輸入映像寄存器。

②執行用戶程序階段。CPU對用戶編寫的程序進行從上到下，從左到右逐行掃描執行，根據輸入、輸出映像寄存器以及內存數據寄存器的數據進行處理，并將處理結果存儲到輸出映像寄存器。

③刷新輸出階段。根據程序執行后的結果，將輸出映像寄存器的輸出信號送至輸出端子上，完成刷新輸出階段[2]。

2 PLC的選型

2.1 常用PLC及特點

以西門子公司生產的PLC為例，西門子公司的S7-300系列的PLC屬于中型PLC。它可以處理的開關量輸入/輸出點數能夠達到256到1024個，同時它對模擬量處理的能力遠遠大于S7-200系列的PLC。S7-300系列PLC的處理數據速度、數字計算能力、網絡通信能力要優于S7-200系列，并且相對于S7-200系列擁有更加完善、更加豐富的指令，比如在處理模擬量輸入時，S7-200系列需要編寫大段程序才能將從傳感器采集到的4-20mA電流信號轉為數字量然后再轉化為人們能夠直觀看到的實際值，需要用到超過6個以上的數學運算及傳送指令，而S7-300系列只需要調用一個已經由軟件本身自帶的功能模塊，簡單的設置幾個參數便可以輕松讀取傳感器測量到的實際值;再比如S7-300系列對高速脈沖計數的處理能力比S7-200系列更加簡潔及完善。S7-300系列相對于S7-400系列來說，價格相對低廉，不會造成功能上的過度浪費。

西門子公司的S7-400系列PLC屬于大型PLC。它能夠處理1024個開關量輸入/輸出點數，網絡通信能力非常強大，因此比較適合分布式控制領域或者是規模比較大的過程控制領域。

2.2 PLC選型

以西門子公司S7-300系列PLC為例，簡單介紹PLC選型。

2.2.1 CPU選型

S7-300系列PLC的CPU型號繁多，有適合普通用戶的普通型、適合在惡劣條件下使用的戶外型及緊湊型等，能夠適合于各種場合的要求。我們需要選取適合要求的CPU，然后搭配相應的通信及功能模塊。S7-300系列與上位機通信一般可以采用MPI多點接口、Profibus總線以及工業以太網等，MPI協議適合屬于對通信速率要求不高，通信距離較短的一種簡單的經濟的通信方式。Profibus是一種開發的通信協議，可以使得PLC能夠與西門子產品之外的設備進行通信。工業以太網則是適合傳輸速度要求極高，傳輸距離遠的場合。314C-2DP緊湊型CPU為一款應用較多的CPU。314C-2DP緊湊型CPU本身自帶一個最大傳輸速率為187kbit/s，傳輸距離為50M的MPI多點接口及一個可用于Profibus總線的DP端口，滿足了系統的通信要求。

2.2.2 數字量輸入模塊的選型

S7-300系列根據輸入電壓、點數等因素的不同生產了各種不同規格型號的SM321數字量輸入模塊，各個型號的參數如表1所示。

表1 ?數字量輸入模塊

[型號＼&輸入電壓＼&點數＼&電流消耗＼&6ES7 321-1BH02-0AA0

6ES7 321-1BL00-0AA0

6ES7 321-1CH00-0AA0

6ES7 321-1CH80-0AA0

6ES7 321-1EL00-0AA0

6ES7 321-1FF01-0AA0＼&24V DC

24V DC

24-48V AC/DC

48-125V DC

120V AC

120/230V AC＼&16

32

16

16

32

8＼&10mA

15mA

100mA

40mA

16mA

100mA＼&]

2.2.3 數字量輸出模塊的選型

各種不同規格型號的SM322數字量輸出模塊的參數如表2所示。

2.2.4 模擬量輸入模塊的選型

模擬量輸入類型有4-20mA、0-10V、0-5V等多種類型，S7-300系列的模擬量輸入的模塊能夠是同時輸入多種類型兼容的模塊，這在S7-200系列是不可能的，S7-200系列的一個模塊上僅允許同時接入同一種類型的模擬量，但在S7-300系列的模擬量輸入模塊中可以實現，可以在硬件組態時，進入該模塊的屬性中修改測量范圍。模擬量輸入模塊種類如表3。

表3 ?模擬量輸入模塊

[型號＼&點數＼&0-10V電壓輸入＼&4-20mA電流輸入＼&分辨率＼&6ES7 331-7KF02-0AB0

6ES7 331-7HF01-0AB0

6ES7 331-1KF02-0AB0

6ES7 331-7PF01-0AB0＼&8

8

8

8＼&不允許

不允許

允許

不允許＼&允許

允許

允許

不允許＼&15位

14位

13位

16位＼&]

3 PLC在工業自動化控制中的應用

3.1 順序控制 相比于傳統以繼電器為順序控制核心，使用PLC進行工業中的順序控制，大大簡化了電路的復雜程度， 降低了勞動力成本以及后期維修的難度。在PLC編程軟件中，通過簡單修改梯形圖即可完成對設備順序控制動作的建立以及修改，而不需要對外部電路進行修改。傳統繼電器控制方法，如果控制動作需要稍作修改，則需要有大量的線路需要隨之更改。這也是PLC最基本的優勢所在。

3.2 過程控制 PLC具有豐富的模擬量采集擴展模塊，能夠根據工業過程控制的不同要求，對溫度、電流、電壓、流量等模擬量進行實時采集，并通過強大的數據處理器轉換為PLC能夠識別的數字信號，指導PLC對工業過程控制的外部執行機構進行控制。基于PLC的過程控制在化工、冶金等領域有著廣泛而不可替代的應用。

3.3 運動控制 大部分PLC的 CPU中均集成有高速脈沖輸出接口，能夠完成工業領域的運動控制任務，其豐富而強大的高速脈沖輸出擴展模塊更加能夠拓展PLC運動控制的軸數。以西門子公司的小型PLC S7-200 SMART為例，其CPU本身即帶有3軸 100kHz的高速脈沖輸出接口，可以通過簡單設置向導實現PWM或運動控制輸出，從而控制伺服電機以及步進電機的速度、位置，足夠滿足工業運動控制的精度要求。

3.4 遠程控制 PLC提供了豐富的數據通訊接口，如以太網接口、RS232以及RS485接口等等，具備了強大的數據通訊能力以及滿足不同通訊要求的各種通訊協議。在較遠的通訊傳輸距離時，PLC可以使用工業以太網協議，與上位機進行通訊組網，在較近的通訊傳輸距離時，PLC可以使用PPI協議和HMI或其他PLC分站進行通訊，PLC可以使用MODBUS協議、Profibus-DP總線以及其他總線將數量龐大的傳感器網絡、執行機構群和上下位機進行組網，實現實時互聯通訊。

參考文獻：

[1]杜磊.PLC在工業自動化控制中的應用[J].儀器儀表用戶，2015，02：21-22.

[2]張明光.PLC在工業自動化控制中的應用研究[J].吉林工程技術師范學院學報，2012，07：61-62.

作者簡介：劉晉瑋，1985.02.10，南京炮兵學院，計算機科學與技術，第二學位：遼寧工程技術大學，機械工程與自動化，職稱是程序員。