研討PLC技術在工業自動化控制中的應用

摘要：PLC技術是工業控制領域為替代繼電器控制而出現的產物，能夠方便地控制開關操作和生產時序等。PLC技術在自動化控制領域的廣泛應用，極大地提升了自動化控制技術，改善工廠的生產環境，提高生產質量。

關鍵詞：PLC技術;工業控制;自動化控制

PLC是專為工業自動控制領域設計的可編程控制器。工業控制經歷手動控制、繼電器/接觸器控制、數字控制三個階段，其中繼電器控制的發展極大的解放了生產，提高了工業生產的效率，但是在大型工業生產中，繼電器控制系統體積大，耗電多，接線復雜，在控制實現上，繼電器控制系統速度較低，調試困難，當生產流程或生產線變更時，系統難以改造，適應性較差。為解決以上難題，PLC技術應運而生，其功能從最初的邏輯控制發展出時序控制、模擬控制、聯網通信等諸多功能。經過編程的PLC控制器可以完成過去需要上千的繼電器和計時器才能完成的工作。

一、PLC技術的概述

PLC控制技術屬于數字控制的范疇，PLC本身可視為一種微型工控機，包含：電源模塊、中央處理單元、存儲器、I/O接口、功能模塊、通信模塊。PLC工作過程分為三個階段，即數據采集（輸入）、邏輯運算（程序運行）和指令輸出（輸出）三個階段，以上三個階段視為一個掃描周期。PLC常用的編程語言是梯形圖，CPU按一定的時鐘速率循環掃描，系統運行的速率取決于CPU的時鐘頻率和用戶程序的長度。

其主要特點有：1、使用簡單，易于編程，可移植性強。2、可靠性高，使用故障率極低。3、抗干擾能力強，能適應不同的工作環境。4、功能豐富，應用領域廣闊。5、體積小，安裝簡單，易于維護。

相比單片機控制，兩者都能實現復雜的邏輯控制，替代復雜的繼電器控制。但是，PLC的可靠性遠勝于單板機，對于工業環境的粉塵、震動和電磁干擾的適應性很強。另外，單片機使用匯編語言編程，PLC使用梯形圖編程語言，在匯編語言的基礎上進行了優化，可學性更強，編程界面與直觀的繼電器電路相似，更適合開發維護人員使用。PLC具備系統自檢功能，內部硬件問題可通過強大的顯示界面進行顯示，便于設備的維修養護。

二、PLC技術在電氣自動化控制的應用

PLC的主要應用領域：

1開關量控制

取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，適用于單臺設備控制、多機群控、自動化流水線等。

2模擬量控制

通過A/D模塊和D/A模塊，對生產過程中的連續變化量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等進行控制。

3運動控制

通過專用的運動控制模塊，驅動伺服電機、步進電機等實現對圓周運動或直線運動的控制。

4過程控制

通過編制控制程序或使用PID控制模塊，實現對溫度、壓力、流量等生產的閉環控制，在冶金、化工、熱處理等生產過程應用廣泛。

5通信聯網

PLC集成了各種通信接口，如485接口、232接口、RJ45接口，可實現PLC間通信、PLC與其它智能控制設備（如工控機、變頻器、控制屏）間的通信。

三、PLC技術在自動化控制中的應用舉例

現有一片區雨水提升泵站，主要承擔片區雨季收集雨水的提升排放任務，對防止城市內澇具有重要意義。泵站內主要用電設備有6臺雨水泵、4臺閘門、2套格柵和照明監控設備等。工藝流程如下：進水閘井→格柵井→集水池→水泵間→壓力出水池→出水閘井→河道。工藝設備運行采用自動控制系統，需監測和控制的工藝參數有格柵井水位、水泵開閉、格柵啟停、閘門開閉、水泵電力參數、小動力設備電力參數、故障信號等。泵站運行會產生大量的離散輸入輸出數據，且控制可靠性要求很高，根據以上特點，泵站自動控制系統采用PLC控制系統。

PLC控制站為泵站的控制核心環節，負責泵站內的全部工藝設備的運行控制、聯動控制、故障報警和控制信息顯示，并提供監控人員與控制系統的接口及控制系統與上位計算機、控制中心的通信、管理接口。

PLC控制系統的控制命令通過設備控制柜對水泵、格柵、進水閘門進行控制，同時采集水泵、格柵機、進水閘門的故障、運行狀態及手/自動狀態信號。泵站上級管理中心可通過通信網絡，遠程控制泵站內PLC控制系統，實現汛期內遠程控制和統一調度。

四、PLC技術的發展趨勢

需要注意的是，雖然PLC的梯形圖程序中使用了繼電器、計時器等物理名稱，但PLC內部并不存在實物的繼電器，而是對應存儲單元中寄存器的一個存儲單元，即“軟繼電器”。存儲單元位于高電位時，對應的軟繼電器處于接通狀態，相當于繼電器常開觸點接通，常閉觸點關斷。存儲單元位于低電位時，對應的軟繼電器處于斷開狀態，相當于繼電器常開觸點關斷，常閉觸點接通。PLC以軟繼電器模擬實物繼電器運轉，通過程序執行邏輯運算，并通過輸出單元連接外部電氣元件，按程序運算結果驅動生產運轉。

隨著工業生產的變革，PLC的發展出現兩個趨勢，即智能化和小型化。智能化面向大型復雜流程的工業生產，體現為網絡化、智能化、大型化。小型化面向低成本簡單流程的工業生產，體現為小體積、高速度、高可靠性。近年來大型PLC為保證可靠性，采用雙CPU或三CPU構成冗余系統，即使單個CPU發生故障，也不影響生產正常運行。隨著應用的深入，針對PLC開發了一系列的專用模塊，如矩陣運算、函數運算、數據轉換、PID計算、伺服電機軸控制等，在大型控制系統中的應用越來越廣泛。

五、結語

PLC控制技術應用在工業自動化控制上，具備高可靠性、良好的抗干擾性，有著很強的適用性。PLC從其產生到現在，實現了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍;其功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步;其應用領域從小到大，實現了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數字運算、人機接口和網絡的各方面能力都已大幅提高，成為工業控制領域的主流控制設備，在各行各業發揮著越來越大的作用。

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（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心）

作者簡介：楚丹丹（1988.4-），女，吉林龍井人，大連理工大學控制理論 與控制工程碩士，審查員。