PLC機(jī)電控制系統(tǒng)研究

史春笑

摘 要： PLC在現(xiàn)代機(jī)電控制中替代了傳統(tǒng)的繼電器，成為現(xiàn)代的主流控制器，其通過(guò)邏輯功能制定，實(shí)現(xiàn)了自身的控制功能。本文針對(duì)于PLC特點(diǎn)、控制原理以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程具體劃分為多個(gè)過(guò)程進(jìn)行，希望可以為現(xiàn)代的機(jī)電控制系統(tǒng)提升帶來(lái)幫助。

關(guān)鍵詞：PLC 機(jī)電控制系統(tǒng) 研究

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2016）10-0264-02

PLC作為一種新型工業(yè)控制設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)控制功能的核心是微處理器和存儲(chǔ)器組成的控制組件，該組件通過(guò)內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他運(yùn)算，將處理后的信號(hào)作為PLC的輸出量對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行各種控制，實(shí)現(xiàn)“軟接線”，這恰是現(xiàn)代機(jī)電控制的發(fā)展趨勢(shì)。PLC作為科技產(chǎn)物，有著自己的獨(dú)特特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)原理，在這里針對(duì)這方面進(jìn)行分析，望帶來(lái)提升。

一、PLC特點(diǎn)

1.較強(qiáng)的靈活性

在傳統(tǒng)的機(jī)電控制中，通過(guò)繼電器來(lái)完成相應(yīng)的控制任務(wù)，這不僅需要良好的機(jī)電過(guò)程設(shè)計(jì)，更需要良好的安裝過(guò)程，而當(dāng)控制任務(wù)有所變更時(shí)，需要進(jìn)行大規(guī)模的線路拆除等，這也代表了這種模式消耗較大。PLC改進(jìn)了這一缺點(diǎn)，在系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，只需要進(jìn)行程序改變和簡(jiǎn)單的線路修改便可以完成，所以說(shuō)PLC具有更強(qiáng)的靈活性，適用于較多領(lǐng)域不同方面的需求。

2.抗干擾能力強(qiáng)

PLC的硬件結(jié)構(gòu)及其周期循環(huán)掃描的工作方式保證其可以在強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)震動(dòng)、高粉塵、濕度大、溫度高等惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中正常工作，避免了采用繼電器控制技術(shù)因?yàn)樵O(shè)備老化可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，所以說(shuō)PLC更為適合現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)。

3.編程簡(jiǎn)單

PLC編程簡(jiǎn)單易掌握。實(shí)際工作中，工業(yè)生產(chǎn)需要對(duì)于某一任務(wù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可依靠程序編寫來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大的提升了機(jī)電控制系統(tǒng)的工作效率。同樣因編程簡(jiǎn)單，就使得在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以將一些簡(jiǎn)單的模塊進(jìn)行外包，加快設(shè)計(jì)速度。

4.功能較強(qiáng)

PLC具備功能指令和一定數(shù)量的特殊擴(kuò)展設(shè)備，不僅可以控制開關(guān)量、數(shù)字量，同樣也可以進(jìn)行模擬量的控制，這種良好的多控模式適合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的基本需求，有效拓展PLC自身的應(yīng)用領(lǐng)域。

二、PLC機(jī)電控制系統(tǒng)組成

1.控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于PLC的機(jī)電控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成，一部分是執(zhí)行系統(tǒng)，一部分是電控系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的不同，執(zhí)行系統(tǒng)由不同的硬件設(shè)備構(gòu)成，像機(jī)械手、傳輸皮帶、檢測(cè)器等是常用的硬件設(shè)備。電控系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、人機(jī)界面等部分組成。在工業(yè)控制領(lǐng)域，人機(jī)界面技術(shù)在與PLC技術(shù)配合使用的情況下，可以節(jié)約PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，同時(shí)它通過(guò)界面能夠給運(yùn)行人員直觀的印象，操作簡(jiǎn)單；變頻器是工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛采用的一種調(diào)速技術(shù)。執(zhí)行系統(tǒng)和電控系統(tǒng)配合根據(jù)控制要求構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所需控制功能。

2.控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是用戶為達(dá)到某種控制目的，采用PLC廠家提供的編程語(yǔ)言自主編制的程序，主要用于控制生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行。PLC程序的準(zhǔn)確編制和調(diào)試是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，只有編制調(diào)試出最優(yōu)化的程序，才能有效的降低PLC的滯后性，提高實(shí)時(shí)性。利用PLC三大類指令的有機(jī)配合可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。

三、PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)是PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以日本三菱公司PLC為例，從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

1.電控系統(tǒng)設(shè)備選型

PLC作為一種工業(yè)控制設(shè)備，通過(guò)I/O接口完成工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集及輸出信號(hào)控制工業(yè)設(shè)備。首先要根據(jù)采集的信號(hào)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需控制信號(hào)的類型確定是否選擇A/D或D/A轉(zhuǎn)換模塊，然后再確定輸入輸出點(diǎn)數(shù)，同時(shí)考慮所帶負(fù)載的類型、實(shí)時(shí)性的要求及人機(jī)交流方便等因素，最后綜合確定要選擇的PLC的廠家、型號(hào)以及是否采用擴(kuò)展單元或模塊、特殊擴(kuò)展設(shè)備等。變頻器的選型應(yīng)結(jié)合所驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率、性能等方面的因素綜合確定；人機(jī)界面要考慮界面友好、功能強(qiáng)大，與PLC、變頻器等設(shè)備連接方便，且所用組態(tài)軟件學(xué)習(xí)操作方便等。

2.PLC輸入及輸出點(diǎn)數(shù)優(yōu)化

根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)的具體分析，考慮各種工作方式之間的切換以及手動(dòng)操作等，確定PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)。考慮性價(jià)比原因，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)通常采用PLC基本單元與擴(kuò)展單元的配合，以滿足控制要求；此外利用人機(jī)界面技術(shù)，在人機(jī)界面環(huán)境下，利用組態(tài)軟件編輯設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟開關(guān)和軟按鈕，也可以減少PLC的輸入點(diǎn)數(shù)；最后要考慮預(yù)留10%～20%的輸入輸出端子作為備用量。為編程方便，輸入輸出端口的編號(hào)選擇依次按從小到大的順序編號(hào)。

3.設(shè)計(jì)PLC輸入/輸出接線圖

在設(shè)計(jì)輸入部分時(shí)，要充分考慮幾方面的問(wèn)題。一是PLC輸入點(diǎn)數(shù)不充裕情況下，可利用編碼輸入法、矩陣輸入法、編程法等有效的減少占用PLC的輸入點(diǎn)數(shù)；二是與輸入端口直接相連的各類起保護(hù)作用的輸入接點(diǎn)及停止按鈕，一般采用常閉接點(diǎn)。三是有源開關(guān)使用PLC內(nèi)部電源時(shí)，要注意PLC的輸入形式是源型還是漏型；四是輸入側(cè)的+24V電源一般不提供給輸出單元負(fù)載使用，因?yàn)樯婕肮β蕟?wèn)題。

同樣在設(shè)計(jì)輸出部分時(shí)也要考慮幾點(diǎn)。一是PLC輸出點(diǎn)數(shù)不充裕情況下，可利用外部譯碼輸出法、矩陣輸出法等有效的減少占用PLC的輸出點(diǎn)數(shù)。二是當(dāng)PLC輸出形式分別為晶體管輸出、晶閘管輸出時(shí)，要注意外部電源的極性，否則負(fù)載不工作。三是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)等相關(guān)負(fù)載時(shí)，一定要設(shè)計(jì)外電路，而不是利用PLC輸出的開關(guān)量信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)。

4.程序設(shè)計(jì)

PLC的編程語(yǔ)言主要有兩種，一種是圖形化編程語(yǔ)言，一種是文本化編程語(yǔ)言。圖形化編程語(yǔ)言分為梯形圖、順序功能圖及功能圖，而文本化編程語(yǔ)言分為指令語(yǔ)句表及結(jié)構(gòu)文本兩種。梯形圖簡(jiǎn)單明了；順序功能圖是程序設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)和方向；功能圖并不是按順序執(zhí)行，是將程序集中構(gòu)成一個(gè)功能模塊，例如設(shè)計(jì)一個(gè)電梯控制程序，可以構(gòu)造多個(gè)功能模塊，再組合，使用時(shí)就調(diào)用相應(yīng)功能模塊；指令語(yǔ)句表相當(dāng)于匯編語(yǔ)言，由匯編語(yǔ)言演變而來(lái)，PLC中的指令有三種，分別是基本指令、步進(jìn)指令及功能指令，其中一些功能指令的有效使用可以使編程大大簡(jiǎn)化，例如IST指令；結(jié)構(gòu)文本主要用于大型PLC中，中小型PLC基本不用，比較難掌握，有電腦語(yǔ)言基礎(chǔ)者例外。基于以上分析，結(jié)合機(jī)電控制系統(tǒng)的具體要求，選擇合適的編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的程序是電控系統(tǒng)的控制核心。

變頻器參數(shù)的設(shè)置。在PLC與變頻器正確接線的基礎(chǔ)上，首先通過(guò)參數(shù)設(shè)置使變頻器處于操作模式，在該模式下根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，利用變頻器的多段速設(shè)定交流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，在參數(shù)設(shè)定完成之后，再使變頻器處于外部操作模式。檢查主回路和控制回路接線正確，通電后此時(shí)POWER和操作面板顯示正確數(shù)據(jù)。

在人機(jī)界面組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用組態(tài)軟件，打開工程瀏覽器，找到設(shè)備COM1設(shè)定好數(shù)據(jù)位和停止位為7和1；在窗口上雙擊“新建”按鈕，安裝相應(yīng)廠家、型號(hào)的PLC；在數(shù)據(jù)庫(kù)詞典下根據(jù)PLC的I/O分配表設(shè)定PLC的I/O離散量；設(shè)計(jì)人機(jī)界面畫面，全部保存，設(shè)計(jì)主畫面，運(yùn)行。

5.可靠性設(shè)計(jì)

在進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一方面是保證設(shè)計(jì)科學(xué)合理；另一方面是保護(hù)措施以及自身的安全性能要到位。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般從這兩個(gè)方面對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般來(lái)說(shuō)，首先考慮的是硬件保護(hù)能力，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)短路保護(hù)、互鎖聯(lián)鎖措施、失壓保護(hù)與緊急停車措施來(lái)應(yīng)對(duì)這方面的問(wèn)題；其次是軟件措施，在PLC程序中設(shè)計(jì)消抖程序及實(shí)現(xiàn)故障的自診斷和自處理程序來(lái)提高PLC的抗干擾能力。

6.通信設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電控系統(tǒng)各設(shè)備之間的通信過(guò)程中，涉及PLC與變頻器、PLC與人機(jī)界面之間的通信。PLC和變頻器之間進(jìn)行通訊，通訊規(guī)格必須在變頻器的初始化中設(shè)定，假如沒(méi)有進(jìn)行初始設(shè)定或有一個(gè)錯(cuò)誤的設(shè)定，數(shù)據(jù)將不能進(jìn)行傳輸；PLC在進(jìn)行計(jì)算機(jī)鏈接（專用協(xié)議）和無(wú)協(xié)議通訊（RS指令）時(shí)均需對(duì)通訊格式（D8120）進(jìn)行設(shè)定，其中包含有波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)、停止位和協(xié)議格式等，在修改了D8120的設(shè)置后，確保關(guān)掉PLC的電源，然后再打開。PLC與人機(jī)界面之間的通信，在組態(tài)軟件中定義相應(yīng)串口類設(shè)備，通過(guò)串行口與PLC和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信，這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)開關(guān)量的控制以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和處理。

四、總結(jié)

本文分析PLC機(jī)電控制系統(tǒng)，從PLC特點(diǎn)入手，討論其控制系統(tǒng)組成，針對(duì)其設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，希望文中的分析可以為PLC應(yīng)用帶來(lái)借鑒。

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