基于PLC控制系統(tǒng)設計的工程應用

程瑋瑋

（江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇宿遷，223600）

0 引言

可編程序控制器（ Programmable Logical Controller，PLC）是一種以微處理器為核心，融合通信技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)等多學科知識，并且具有編程簡單靈活、抗干擾能力強、適應性強、經(jīng)濟實用等特點的新型工業(yè)自動化裝置，廣泛的應用于工業(yè)控制領域的生產(chǎn)中。

1 基于PLC控制系統(tǒng)工程的工作原理

PLC技術(shù)是一種以微處理器為核心的特殊計算機控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的以繼電器控制的硬件邏輯控制相比，PLC是硬件軟化的結(jié)果，在系統(tǒng)的運行方式上也存在本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用的是并行工作模式，當系統(tǒng)中一個繼電器的線圈通電或失電的情況下，該繼電器的所有觸點也同步的產(chǎn)生動作。但PLC采用的是順序掃描，不斷循環(huán)的工作模式，如果系統(tǒng)中的一個邏輯線圈在通電或失電的情況下，該繼電器的所有觸電不會同步的產(chǎn)生動作，只有當掃描到該觸點時才會產(chǎn)生工作。PLC 對程序的執(zhí)行過程分為以下三個部分。

(1)輸入處理階段

PLC系統(tǒng)在執(zhí)行控制程序之前，中央處理器CPU將端口所有的輸入信號按照地址中出現(xiàn)的編碼順序?qū)ζ溥M行編程，并存儲到輸入存儲器中，隨后開始執(zhí)行控制程序。

(2)程序執(zhí)行階段

PLC在執(zhí)行程序階段，按照順序?qū)τ脩舻某绦蜻M行掃描，在執(zhí)行完一條程序后，所需要的數(shù)據(jù)信息將經(jīng)過寄存器由程序讀出，并且參與到程序的運算中，然后將運算所得結(jié)果編程后存放到相關(guān)的寄存器中。在執(zhí)行程序的過程中，即使輸入端的狀態(tài)發(fā)生變化，但在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)不會隨之而發(fā)生變化，只有等待掃描周期結(jié)束后CPU才會對新的輸入狀態(tài)進行重新的讀取。

(3)輸出處理階段

當PLC執(zhí)行完程序所有指令后，會將所有程序的運算結(jié)果輸入到輸出鎖存寄存器中，然后傳送到程序的執(zhí)行終端進行處理。

2 基于PLC控制系統(tǒng)的工作特點

基于PLC控制系統(tǒng)具有較強的軟硬件功能。由于PLC充分的融合各種軟件技術(shù)，使得其不僅可以進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、順序的控制、邏輯的運算、算數(shù)的運算，而且還可以實現(xiàn)實時監(jiān)控、模擬運算、報表生成、打印等多種功能，并且PLC的編程語言非常豐富，具有直觀方便、編程靈活等特點。

基于PLC控制系統(tǒng)的使用維護比較方便。PLC的輸入與輸出端口是根據(jù)不同需求進行設計的，而且可直接與控制現(xiàn)場的設備進行端口的連接。如輸入端口可以與傳感器、開關(guān)等相連，而輸出端口可以與電磁閥、接觸器、繼電器等相連，而且使用都很簡單。同時對于PLC控制系統(tǒng)的后期維護也比較方便，只需要利用其自帶的監(jiān)控功能與診斷功能，就能快速的找到控制系統(tǒng)發(fā)生故障的地方。

基于PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強的特點。PLC是專為工業(yè)控制而設計的一種新型裝置，除了需要對其元器件進行嚴格的甄選之外，還需要使得PLC的可編程控制器能夠具備很強的抗干擾能力，避免環(huán)境因素對控制系統(tǒng)造成影響。

3 基于PLC控制系統(tǒng)設計的步驟

在PLC控制系統(tǒng)設計的過程中，分析系統(tǒng)控制與編制軟件是兩個關(guān)鍵點。其中，分析系統(tǒng)的控制任務是為了能夠明確PLC控制系統(tǒng)所需要的硬件構(gòu)成，弄清楚軟件編程的工作過程；編制軟件是為了實現(xiàn)被控對象的執(zhí)行動作。

首先，分析控制系統(tǒng)的具體任務。在該步驟中，需要將系統(tǒng)復雜的任務進行劃分若干個相互獨立的子任務，這樣可以有效的減小控制系統(tǒng)的規(guī)模，并且降低系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率。

其次，分析各個子任務的具體執(zhí)行過程。在該步驟中，需要畫出各個子任務相應執(zhí)行機構(gòu)的工作關(guān)系邏輯圖，并且根據(jù)系統(tǒng)要求列出輸入信號、輸出信號及要求實現(xiàn)的非邏輯功能。其中，對于接觸器的輔助觸點由于在通常情況下不需要輸入PLC，因此不作為系統(tǒng)的輸入信號；對于系統(tǒng)中的限位開關(guān)、按鈕等輸入信號，只能占用一個輸入點。

然后，選擇PLC的型號。在該步驟中，選擇PLC型號時需要考慮控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的數(shù)量、非邏輯功能、空間分布等各方面的綜合情況，從而挑選出合理的、經(jīng)濟的PLC型號，進一步選擇器所需要的元器件。

再次，根據(jù)所選PLC型號及系統(tǒng)控制需求，合理的分配系統(tǒng)的輸入輸出端口，同時繪制出控制系統(tǒng)的硬件原理圖和設計出控制系統(tǒng)的主回路。用輸入信號的開關(guān)板模擬系統(tǒng)的輸入信號，根據(jù)工作邏輯關(guān)系圖進行PLC程序設計，并且進行模擬調(diào)試，考察設計人員所編寫的PLC程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。

最后，對PLC控制系統(tǒng)進行試運行。主要是對PLC控制系統(tǒng)在運行過程中所有的性能和功能進行全面的檢測與監(jiān)控，倘若發(fā)現(xiàn)問題，就應該立即停機對系統(tǒng)進行檢測及時找出原因，給予相應的修改和調(diào)整。在設計結(jié)束后期撰寫PLC控制系統(tǒng)設計的相關(guān)技術(shù)文件，包括PLC控制原理圖、元器件明細表、參數(shù)說明、控制軟件、使用說明書等重要內(nèi)容。

4 基于PLC控制系統(tǒng)設計的工程應用

PLC控制系統(tǒng)設計在交通領域中的應用，主要體現(xiàn)在通過控制交通信號燈，來保障道路交通車輛及行人的人身安全，同時便于道路有效的疏導交通。交通信號燈在人們的道路出行中起到非常重要的作用，但隨著科技的不斷完善，傳統(tǒng)的交通信號控制系統(tǒng)已然無法滿足當代交通狀況管理控制的實際需求，那么當前就面臨著如何對現(xiàn)有交通信號控制系統(tǒng)進行改善，使其能夠與時俱進，滿足人們的生活和交通管理的需求。下面以西門子SIMATICs7—200系列PLC為基礎平臺，介紹PLC在十字路口交通信號燈控制中的應用體現(xiàn)。

(1)交通信號燈控制系統(tǒng)控制要求

某十字路口的交通信號設置如1所示，南北方向為主干道，綠燈亮的時間比東西方向綠燈亮的時間多一倍，其具體的控制要求：（1）在交通信號燈接通啟動按鈕之后開始正常工作，東西向的綠燈與南北向的紅燈同時亮起；（2）南北方向的數(shù)碼顯示應該是紅燈、黃燈、綠燈同步，且與東西方向顯示一樣。（3）當南北方向綠燈亮起時，南北方向與東西方向的數(shù)碼均應該顯示33（綠燈亮30s,黃燈亮3s)，然后每秒減1，當數(shù)碼變?yōu)?時，應該換成東西方向的綠燈亮，南北方向的紅燈亮，此時，數(shù)碼管應顯示33，然后每秒減1，當數(shù)碼變?yōu)?時，再進行切換，完成一次的紅綠燈工作循環(huán)。

圖1 某十字路口交通信號燈設置

(2)PLC型號選擇與I/O分配

根據(jù)交通信號燈控制系統(tǒng)的具體要求，PLC控制系統(tǒng)需要6個開關(guān)模擬量對上述的交通信號燈進行控制，同時還需要配置啟動按鈕與停止按鈕。在該控制系統(tǒng)中選用西門子SIMATICs7—200系列中的CPU 224，PLC控制的I/O點分配如表1所示。

表1 PLC控制的I/O點分配

（3）PLC控制系統(tǒng)程序設計及分析

根據(jù)交通信號燈工作原理及I/O點分配，對控制系統(tǒng)的程序采用梯形語言來設計。由于PLC內(nèi)部包含了豐富的定時器，實現(xiàn)了交通控制系統(tǒng)的全自動化和全程監(jiān)管功能，同時具有較強的抗干擾能力和控制的精確性。

5 結(jié)語

交通信號燈的控制系統(tǒng)僅僅是PLC控制系統(tǒng)工程應用中一個比較熟悉的典型應用，其當前的應用范圍已經(jīng)覆蓋了社會經(jīng)濟中的各行各業(yè)中，甚至已經(jīng)滲透到人們的日常生活中。作為一種操作簡單、維修方便的新型控制裝置，PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)等各個學科的知識，逐漸的當代工業(yè)控制領域中發(fā)揮著不可估量的作用。