一種PLC過程控制系統(tǒng)裝置開發(fā)

姚靜

摘 要：快速發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對控制系統(tǒng)處理能力的要求不斷提高。以電氣控制系統(tǒng)作為研究對象，詳細介紹了電氣原理及工作流程，對控制系統(tǒng)裝置進行了研究。在優(yōu)化設計控制系統(tǒng)總體方案的基礎上，以PLC模塊作為重點設計對象，完成了基于PLC的過程控制系統(tǒng)的設計。電氣設備通過對電氣部件的參數(shù)進行確定和計算實現(xiàn)了信號選擇，最終完成了基于PLC的過程控制系統(tǒng)的設計過程?？捎行岣咂髽I(yè)的生產(chǎn)效率，從而為電氣設備的穩(wěn)定運行及綜合管理及控制能力的提升提供支撐。

關鍵詞：電氣設備;PLC技術;過程控制系統(tǒng);實現(xiàn)路徑

Abstract：The rapid development of modern industrial enterprises has continuously improved the processing capacity of control systems. This paper takes electrical control system as the research object， introduces the electrical principle and work flow in detail. It mainly studies the control system device， and clarifies the optimization. On the basis of the overall design of the control system， the PLC module is taken as the key design object， and the design of the PLC-based process control system is completed. The electrical equipment realizes the signal selection by determining and calculating the parameters of the electrical components， and finally the PLC-based process control system is completed. It can improve the production efficiency of the enterprise， and thus provides a support for the stable operation of electrical equipment and the improvement of comprehensive management and control capabilities.

Key words：electrical equipment;PLC technology;process control system;implementation path

0 引言

不斷發(fā)展和完善的科學技術為各類產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了技術支撐，多樣化的市場需求加速了產(chǎn)品更新?lián)Q代及創(chuàng)新速度，同時也豐富了品種及批量的比重，作為可編程控制器的一種，性價比較高的PLC具備較高的可靠性及簡易的代碼編寫過程等優(yōu)勢，有效滿足了程序在線編寫的需求，從而能夠做到編寫過程中問題和錯誤的及時發(fā)現(xiàn)和解決，因此PLC已經(jīng)在現(xiàn)代社會生產(chǎn)活動中得到廣泛應用，在電氣控制系統(tǒng)中應用PLC技術，通過結(jié)合運用通信網(wǎng)絡有效實現(xiàn)了電氣開關量的優(yōu)化和改進，并提高了系統(tǒng)的柔性和可靠性，為電氣控制系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供支撐，對發(fā)展工業(yè)企業(yè)具有重要意義。

1 基于PLC過程控制系統(tǒng)的總體架構

目前在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)控制方面，可編程控制器PLC因具備較高的可靠性、簡易的編程及修改方法等優(yōu)勢已得到快速發(fā)展和廣泛應用，相比于傳統(tǒng)的微機和繼電器控制系統(tǒng)，基于PLC的控制系統(tǒng)具備顯著的優(yōu)勢，有效減少了調(diào)試的工作量，其工作環(huán)境適應性強提升了抗干擾能力和系統(tǒng)的可靠性，降低了故障率確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，已成為目前國內(nèi)完善制造業(yè)自動化控制的首選方案（包括機床加工控制等）。本文主要對基于PLC的過程控制系統(tǒng)進行了研究，完成了控制系統(tǒng)設計方案的構建，結(jié)合使用信息通信網(wǎng)絡及PLC控制技術，實現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化過程的有效控制，使勞動生產(chǎn)率得以顯著提升。

本文以構建基于PLC的分布式控制系統(tǒng)為主要研究內(nèi)容，以完成下位機（由特殊模塊構成）同上位機（負責完成SCADA功能）的有效連接，據(jù)此實現(xiàn)對設備的監(jiān)控功能，具體采用分布式控制結(jié)構實現(xiàn)基于PLC的過程控制系統(tǒng)，具體如圖1所示。系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構，如圖2所示。下位機和上位機分別通過PLC技術和計算機完成設計過程，二者間的通信則通過PLC及RS-232C串口完成，從而實現(xiàn)監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場作業(yè)的功能，有效的滿足了集中管理和分散控制工業(yè)現(xiàn)場的需求[1]。

（1） 采用EtherNet網(wǎng)絡完成網(wǎng)絡中拓撲結(jié)構的構建，生產(chǎn)過程和監(jiān)控過程通過使用同軸電纜實現(xiàn)相互連接，在此基礎上實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場管理的集中化。

（2） 為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的有效監(jiān)控，由以計算機為主要構成的上位機負責實現(xiàn)監(jiān)控功能，其SCADA功能具體采用組態(tài)王實現(xiàn)，PLC和上位機間通過使用RS串口完成通信過程。

（3） 為實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的控制，下位機的PLC選用了C2541 HD型號，開關量及模擬量的輸出/輸入模塊、電源模塊、RS串行接口根據(jù)實際需要均在PLC中完成設置過程，傳感器發(fā)送的電流信號主要由模擬量輸入模塊負責接收，并由其完成電流信號到BCD碼數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，IR111代表模擬量輸入的通道地址，具體設置如表1所示。

通道地址的確定通過使用撥號開關完成，系統(tǒng)采用開關為1的AD模塊地址，并對應IR110-119的IR區(qū)域和DM110-119的DM區(qū)域，將轉(zhuǎn)換器（第一路）的工作設置為不保持峰值側(cè)[1]。

（4） 控制通道

系統(tǒng)主要由輸入及主要由水泵及變頻器組成的輸出兩個控制通道構成，現(xiàn)場液位信號通過使用液位傳感器（投入式）的輸入通道即可實現(xiàn)到電流信號的轉(zhuǎn)換，再向PLC模塊傳送電流信號;傳感部分的功能通過傳感器（具備高精度壓力）完成，實現(xiàn)將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，以確保同液面高度呈正比，從而使系統(tǒng)對相關性能的需求（包括控制精度、穩(wěn)定性及可靠性等）得以有效滿足;PLC的輸出控制量通過輸出通道能夠被有效接收，并實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的功能，水泵轉(zhuǎn)速的改變通過使用變頻器（將電流轉(zhuǎn)換為頻率信號）完成，對電動機轉(zhuǎn)速的控制過程則通過交流變頻器完成[2]。

2 軟件的設計和實現(xiàn)

2.1 監(jiān)控軟件的實現(xiàn)

目前計算機控制在現(xiàn)代工業(yè)控制過程中發(fā)揮著重要的作用，創(chuàng)建系統(tǒng)需基于同PLC完成以太網(wǎng)創(chuàng)建的計算機控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)顯示和監(jiān)控相關數(shù)據(jù)的功能，通過在各車間放置一臺計算機監(jiān)控軟件，然后由操作入員負責操作和管理完成對自身車間設備的控制，同時在管理者辦公室安裝一臺以便監(jiān)控生產(chǎn)車間的生產(chǎn)情況，通過安裝SQL數(shù)據(jù)庫、組態(tài)及通訊軟件（MOXA卡）確保了監(jiān)控軟件功能的實現(xiàn)，收集數(shù)據(jù)的功能通過PLC和計算機同PID儀表相連（通過安裝的組態(tài)軟件）后即可實現(xiàn)，系統(tǒng)界面可全面展現(xiàn)工藝流程。電機和閥門（可自動或手動控制關閉狀態(tài)）具備報警功能，對工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)故障的某一部位會立刻報警。組態(tài)軟件在SQL數(shù)據(jù)庫中存儲相關生產(chǎn)數(shù)據(jù)及報表，可快速查詢現(xiàn)場工況、故障記錄、相關報表等。此外，系統(tǒng)通過采用開放OPC端口實現(xiàn)數(shù)據(jù)到管理辦公室的遠程傳送和接收，實現(xiàn)了生產(chǎn)車間生產(chǎn)情況的實時掌控[3]。

2.2 控制層的實現(xiàn)

生產(chǎn)加工企業(yè)的有效控制過程通常由多個公用設備車間及生產(chǎn)車間共同實現(xiàn)，在各生產(chǎn)車間內(nèi)配置PLC裝置，再將遠程I/0配置于公用設備車間內(nèi)，控制層以PLC及OID調(diào)節(jié)儀作為主要構成部分，CPU通過PLC完成控制網(wǎng)的創(chuàng)建進而實現(xiàn)擴展功能，在此基礎上完成對生產(chǎn)車間設備情況的全面控制，完成對溫度、流量、壓力及重量等的檢測，對多個設備（包括閥門電機等）通過開關量及模擬量的輸出/輸入等模塊（位于PLC中）實現(xiàn)相關控制過程（包括控制及檢測調(diào)節(jié)閥）[4]。控制程序的可擴展性通過模塊化編程方法的使用得以有效提升。通過脈沖計量儀表的使用完成了脈沖采集模塊的創(chuàng)建，具體的高速脈沖信號的過程（主要負責將脈沖數(shù)量輸送到緩存區(qū)），如圖3所示。

該模塊主要負責采集現(xiàn)場脈沖儀表數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準采集，在此基礎上實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的控制[5]。

工業(yè)生產(chǎn)過程的流程只需通過制定啟動指令即可實現(xiàn)，設備的自動生產(chǎn)通過系統(tǒng)對相應工藝參數(shù)（以工藝需求及生產(chǎn)順序為依據(jù)）進行設置即可實現(xiàn)。自動控制各電機設備的開關狀態(tài)在生產(chǎn)難以正常進行的情況下（如由意外情況導致）會變?yōu)槭謩涌刂?。本文系統(tǒng)的通信過程采用以太網(wǎng)方式，通過將以太網(wǎng)模塊安裝于PLC中實現(xiàn)同計算機間的有效通信過程（以TCP/IP協(xié)議為依據(jù)），使計算機同PLC間的通信流量、速度及安全性得以顯著提升，控制層軟件的核心代碼設計如下（以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫設計為主）[6]。

2.3 控制系統(tǒng)下位機軟件的實現(xiàn)

PLC和監(jiān)控軟件需通過下位機軟件實現(xiàn)相互通信，在監(jiān)控及控制軟件的基礎上完成下位機軟件的設計，下位機軟件程序則通過使用編程軟件OMRON完成具體的編制和調(diào)試過程，接下來在PLC中下載調(diào)制的程序，控制系統(tǒng)下位機軟件實現(xiàn)的關鍵在于：（1） 上電初始化，主要完成系統(tǒng)初始化清零和設置控制參數(shù)初始值（包括RAM、ROM）[7]。（2） 基于實際監(jiān)控參數(shù)和控制器容量對樣本進行采集，再將輸入的模擬量通過PC機完成轉(zhuǎn)換后實現(xiàn)對平均值的濾波，根據(jù)脈沖信號確定采樣周期。（3） 信號處理以采集到的原始數(shù)據(jù)為主，主要由濾波、零點遷移、變換量程及標度構成，信號處理根據(jù)實際情況使用相應的控制器。（4） 作為下位機軟件的核心算法設計通常使用PID控制、模糊控制算法，根據(jù)包括流量和液體的壓力特征等在內(nèi)的實際情況確定控制周期[8]。（5） 控制系統(tǒng)故障診斷，使用PLC（型號為G2254，具有涉及范圍較廣的自動診斷功能）完成系統(tǒng)的故障診斷，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)異常情況（包括指令執(zhí)行有誤、端口通信錯誤、電池電壓過低等）的自動檢測，再通過連接相應線路實現(xiàn)系統(tǒng)故障信息的獲取。以通過IR區(qū)的模擬量輸入模塊（AD003）地址進行反饋完成傳感器的故障診斷，以斷線檢測標志的判斷為例，主要以2位16進制的錯誤代碼反應為依據(jù)判斷故障，對電壓信號進行處理，在電壓信號低于0.3 V（或電流信號低于1.2 mA）的情況下數(shù)據(jù)顯示為“1”表示傳感器出現(xiàn)了斷線故障，信號恢復正常時顯示為“0”[9]。

以現(xiàn)場水位的控制及故障的診斷為例，主控制程序過程具體如圖4所示。

針對ROM、RAM區(qū)域完成初始化和參數(shù)設置。考慮到采樣周期對控制器、檢測參數(shù)和被控對象的影響，以實際情況為依據(jù)對模擬量輸入通道及系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進行處理（包括零點、標度及量程等的變換），才能確?？刂破黜樌褂眠@些數(shù)據(jù)。可通過在編程中引入模糊控制實現(xiàn)控制系統(tǒng)性能的提高，控制規(guī)則查詢表的創(chuàng)建通過變量附表和模糊控制原則的輸入完成，在此基礎上實現(xiàn)在線查詢功能。

3 總結(jié)

本文主要研究了基于PLC的過程控制系統(tǒng)，通過將PLC與SCADA集于一體，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控過程的靈活高效，實際應用結(jié)果表明本文所設計的控制系統(tǒng)能夠全面的分析和統(tǒng)計設備運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工作過程的全面監(jiān)控，在確保機床安全生產(chǎn)的同時顯著提升了生產(chǎn)精度及效率，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及生產(chǎn)自動化程度的全面提高，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的有效控制。

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（收稿日期：2019.08.26）