基于PLC的過程控制系統設計研究

白巖峰

摘 要：PLC控制系統與傳統的微機控制系統和繼電器控制系統相比，有調試工作量小、可靠性高、系統運行穩定、抗干擾能力強、故障率低等優勢，并且其工作環境適應性強，已經成為了當下我國發展機床加工控制對象以及制造業自動化控制的首選控制系統。文章就基于PLC的控制系統過程進行研究，并分析了PLC的過程控制系統的設計方案。

關鍵詞：PLC；過程控制；設計研究

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0013-01

PLC即可編程控制器，在工業控制方面得到了廣泛的應用和發展，其具有可靠性高、編程簡單、易于修改等優點，廣泛的應用于現代化的工業企業控制當中。PLC控制技術與當下信息通信網絡組合，對現代化工業生產過程實現了有效的控制，極大地促進了勞動生產率的提升，對當下工業企業的發展具有重要意義。本文研究的主要議題是PLC以及特殊模塊構成的下位機與完成SCADA功能的上位機結合，構成分布式控制系統，以完成對設備的監控。

1 PLC的結構與組成

本文對PLC建構的過程控制系統的研究，主要是針對于對四個雙容水箱對象的液位監控，其設計結構主要是以EtherNet信息網絡級為主，設計系統當中，PLC為下位機，PC機為上位機，通過RS—232C串口和PLC實現通訊，從而完成了PLC控制系統對現場的監控。這種監控是以PLC為控制系統，通過PLC與信息網絡技術、計算機技術三者的結合，從而實現對工業現場的分散控制，集中管理的效果。關于PLC對四個雙容水箱對象的控制系統設計，如圖1所示。

1.1 網絡級

網絡級主要采取的是拓撲結構，其設計原理是以EtherNet信息網絡級為主，通過對同軸電纜進行連接，并且與生產控制級進行操控，從而完成了PLC控制系統對整個生產現場的監控，實現了集中化的管理方式。網絡級設計是PLC進行監控的關鍵，主要以PC機處理系統為主，對收集的信息進行采集和處理，以完成監控效果。

1.2 監控級

監控級的實現是計算機技術和PLC技術的結合，主要以PC機為上位機，PLC為下位機的方式，以組態王6.0實現系統SCADA功能。通過對四個雙容水箱對象的液位監控設計，我們不難發現，上位機通過連接RS-232C串口與PLC實現通訊，并通過總線連接，對各個工業現場實現了實時監控。監控級是PLC與PC結合的一個關鍵部分，是針對工廠現場各個環節進行監控工作實施的關鍵設備。

1.3 控制級

控制級主要以PLC為下位機，對現場實現了控制職能。涉及到工廠現場的控制，PLC控制系統主要采用了A/D003模擬量輸入模塊和D/A004模擬量輸出模塊兩種設備。A/D003主要是通過液位傳感器傳遞過來的電流信號，將其轉化為數字量，通過線路傳播，并通過轉化器進行數據轉換，從而完成控制級工作。A/D003模擬量輸入模塊主要涉及了IR區域和DM區域的數據接收，以及相應數據的處理工作。至于D/A004模擬量輸出模塊，是將輸入模塊中的數據轉化為4～20 mA的電流信號進行輸出，并調整給水流量，從而完成控制級職能。

1.4 控制通道

就上圖所示的控制通道來看，主要分為輸入通道和輸出通道兩種。輸入通道采用的是CY3011AA1N型投入式液位傳感器，輸出通道采用的是變頻器和水泵，其輸出由PLC進行控制，根據頻率信號來進行輸出量控制，從而達到調節水量的目的。

通過對四個雙容水箱對象的控制系統設計，可以實現水箱在工業生產過程中的用水需求，通過變頻器、變送器、手動操作器的自動化控制，完成對水流、水量的監控，以此對工業現場用水進行控制調節，實現自動化控制過程。

2 針對PLC技術的過程控制系統的設計研究

2.1 SCADA監控軟件的設計

SCADA是基于組態王6.0軟件基礎上，用戶可以進行監控系統的輕松構建，實現了控制系統良好的人機交互環境。SCADA監控軟件，開發了過程流程畫面、監控畫面、調節曲線等內容，可以實現對現場的實時監控。

2.2 PLC過程控制系統下位機軟件設計

關于PLC過程控制系統下位機軟件設計，主要涉及到以下幾個方面：

①上電初始化：上電初始化主要是指對系統的初始化，其包括對RAM、ROM以及這兩個軟件系統中的IR、HR、DM區域的清零，并且對控制參數的初始值進行設置。

②樣本采集的實現：樣本的采集受到被控制對象的特性影響，并且根據實際的監控參數和控制器的容量進行分析，通過PC機對模擬量進行相應轉換，實現模擬量輸入后對平均值的濾波。綜上所述，一般來說，會根據OMRONC200HG提供的脈沖信號，近似值在200 ms，作為采樣周期。

③信號處理：信號處理主要是針對于采集的原始數據，這些原始數據的信號處理會根據實際情況進行控制器的使用。信號處理主要包括以下幾個方面的內容：濾波、零點遷移、量程變換、標度變換四個方面。

④算法設計：算法設計是PLC過程控制系統下位機軟件設計的關鍵，其控制算法主要有PID控制、Ping-Pang控制、模糊控制三種方式。其程序設計方式為：

開始→上電初始化→開泵→初始化數據處理→采樣時間→采樣→信號處理→控制算法（控制模式數據切換過程）→輸出數據→故障診斷→返回（程序結束）。

針對這一控制，首先要確定控制周期。控制周期的確定，主要是根據實際情況，也就是流量和液體的壓力特征，進行周期控制確定。

⑤控制系統的故障診斷：PLC具有自動診斷功能，可以檢查現場控制系統的不正常情況，并且通過相應線路連接，獲取系統故障信息。PLC自動診斷功能涉及的范圍較廣，包括電池電壓過低問題、端口通訊出錯問題、PLC掃描周期錯誤、指令執行錯誤等方面故障。在進行故障診斷過程當中，傳感器的故障診斷主要以AD003模擬量輸入模塊通過IR區的地址進行反饋。判斷斷線檢測標志，主要在于電壓信號的反應上，通過對電壓信號的處理，若是電壓信號<0.3 V，或者是電流信號在1.2 mA以下，則顯示數據為“1”，如果信號恢復正常的話，顯示數據為“0”，這種故障判斷主要是根據2位16進制的錯誤代碼反應，00代表正常，顯示數據“1”則反映了傳感器斷線故障。

3 結 語

基于PLC的過程控制系統對于構建一個用戶可以進行各種控制理論的研究平臺來說，具有重要意義。通過對水箱水位控制系統的研究，將PLC與SCADA集于一體的控制系統實現，是對PLC過程控制系統的一個研究和嘗試。通過研究和分析，我們不難發現，PLC控制系統具有可靠、靈活、適應性強等優點，在未來的發展中，PLC控制技術將獲得長足的發展。

參考文獻：

[1] 鐘肇新，范建東.可編程控制器原理及應用（第3版）[M].廣州：華南理工大學出版社，2010.

[2] 王錦標.過程計算機控制[M].北京：清華大學出版社，2010.