PLC在電氣自動控制中的應用與關鍵技術分析

山東省調水工程運行維護中心平度管理站 路則峰 青島市興平熱電有限公司 鐘 萍

隨著信息化水平的飛速提升，人們的生產和生活模式也在不斷地變化，大數據、互聯網、自動化、信息化等逐漸融入各行各業當中，成為現代產業不可或缺的重要組成部分。在電氣工程領域，隨著電氣控制技術逐漸向自動化、遠程化乃至智能化方向的演變，以計算機為管理平臺、以數字化運算為工具、以可編程邏輯模塊為“關鍵節點”的PLC技術，可以組合出不同的功能與生產規模，受到業內專業人士的青睞。PCL在電氣自動化控制領域的應用價值，主要體現在流水線作業方面，其中利用PLC控制技術構造的柔性自動化生產線穩定安全、構造簡單、組裝靈活，非常適合各類中小型企業，可以根據產品、工藝等改進需求增減設備，實現各類資源利用效應的最大化。

1 PLC控制系統概述

1.1 PLC控制系統的內涵

PLC（Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器，從電氣自動化角度分析，其屬于計算機技術的范疇[1]，因為工業級的PCL在功能及形態上都近似于電腦主機。PLC控制系統是自動化和智能化在傳統控制系統上的發展和延伸，傳統的繼電器、計時器、計數器等控制裝置，被計算機技術、通信技術以及自動控制技術所取代，從而實現更加精準、高效、廣泛且能夠遠程化、自動化地應用控制。PLC控制系統主要包括四大組成部分，包括存儲介質、輸入輸出設備、電源以及核心部位中央處理器。PLC控制系統的應用原理，是通過輸入設備將末端的信息和信號進行收集與傳遞，最終匯總到中央處理器進行數據信息的分析與處理，進而向輸出設備發出相應的指令并傳導到末端，從而實現遠程自動化操作的閉環。

1.2 PLC控制系統的優勢

與傳統的控制系統相比，PLC有著諸多的特點和優勢。一是具有較高的可靠性，系統可以根據提前設定的程序，進行整個系統內各個環節和節點的自動監測與預警，并且能夠對部分問題進行自行處理，從而將系統風險消滅在萌芽階段；二是編程方便，技術人員可以通過計算機系統，借助專業的編程軟件進行快速地編程，并且可以對已經完成的程序進行相互借鑒，減少重復編程的負擔；三是環境要求低，在運行過程中不易被外界的因素所干擾，能夠相對穩定地執行指令；四是兼容性好，與其他裝置可以進行十分便利地配置和連接，從而可以更好地實現系統化管理與應用。

1.3 PLC控制系統的功能

1.3.1 閉環控制

PLC在電氣自動控制系統的應用，其核心功能之一就是實現從中央處理器的終端到工業生產與管理一線的末端之間的閉環管理，通過對整個生產與管理流程地不間斷控制，可以更好地進行信息獲取、數據管理與分析應用，從而為自動化乃至智能化管理夯實基礎[2]。在PLC閉環管理過程中，通過I/O模塊的技術應用，還可以進一步實現數據與信息、數字與信號之間的實時轉換，從而真正實現傳統控制技術向現代信息化的轉變。

1.3.2 自動處理

PLC控制系統以中央處理器為“大腦”、輸入輸出設備為“四肢”、存儲設備為“內臟”、電源為“心臟”，共同組建成控制系統的擬人化體系，可以實現對數據和信息的自動處理，能夠在無人狀態下進行相關信息的管理和分析，并按照既定程序做出相應的處理，從而降低了工業生產與管理對于人工的依賴。此外，PLC控制技術對于海量數據和復雜信息的處理，大幅提升信息數據處理的效率，比人工計算更加快速且精準，可以有效解決大量的、簡單的、常見的問題，使有限的人力資源投入更加重要的工序當中。

1.3.3 順序執行

與傳統繼電器的順序執行相比，PLC控制系統主要采取軟件控制的技術，不僅系統內的結構更加緊湊，而且系統硬件占用的空間非常小，對于設備的影響更低。由于PLC控制系統內的順序執行主要通過軟接點進行處理，信號傳遞速度快、效率高，設計、施工和調試的周期更短，可以快速地投入生產使用，并且在運行過程中的程序修正與調整也非常便捷高效。此外，PLC控制系統的自檢與監控功能非常強，順序控制更加自動化，可以更好地保證系統運行的穩定性，同時還具有良好的節能降耗的功能，具有較強的經濟實用性。

2 PLC在電氣自動控制中的應用分析

結合應用現狀分析，PLC在電氣自動控制領域處在核心地位，其所涉及行業非常廣泛，包括包裝流水線、組裝流水線等群控場所，以及注塑機、機器人、電梯等單體設備。以“打孔工件加工”結合柔性自動化生產線為例，該生產線加工的產品為紅色、綠色兩種塑料材質圓柱體，據此分析PLC的具體應用途徑。

2.1 柔性自動化生產線分析

一個典型的柔性自動化生產線包括五個基本模塊，分別為搬運單元、加工檢測單元、分揀單元、傳送單元及分類存儲單元。此外，需要一個主控單元（聯機狀態），負責對各個功能模塊展開協同，確保整條生產線有序運行；五個基本模塊的功能包括：一是搬運單元，利用機械手夾取、轉移物品，使其進入指定位置，接受下一步處理。二是加工檢測單元，對進入工作區的物品進行特定處理，如打孔、安裝等，同時利用光電傳感裝置進行質量檢測，并將數據傳輸到分揀單元的PLC中。三是分揀單元，根據加工檢測單元反饋的信息，自動識別合格品、次品等，分別分揀到不同的位置，其中合格品轉入到傳送帶。四是傳送單元，該單元主要用于區分顏色，如果發現傳送帶中出現了非紅色、非黑色的物品，則利用傳送帶中間的擋板篩選出來，轉移到廢料槽。五是分類存儲單元，傳送帶終端設置傳感識別裝置，對紅色、黑色塑料圓柱體進行分類，按相同顏色進行存儲（裝箱）；整個柔性自動化生產線的流程如圖1所示。

圖1 柔性自動化生產線流程圖

2.2 PCL控制系統及硬件配置

立足該柔性自動化生產線分析，PCL控制系統包括一個主站和五個從站，其中主站PCL通過Profinet現場總線通信方式，與1#～5#（對應五個基本模塊）PCL實現數據傳送，并滿足各模塊“反饋量”向主站PLC的傳送。在硬件設備選擇上，主站PCL選用億維公司生產的CPU124XPE，從站選擇億維公司生產的IM153 PROFIBUS-DP，搭配該公司的IM267 profinet從站通信接口模塊，基本配置見表1。

表1 PCL控制系統基本配置

考慮到柔性自動化生產線的靈活性，PLC控制系統中每一個單元，都應該具有獨立的控制機制，這樣才能滿足設備拆分、組合的需要[3]。因此，1#～5#各個單元都要配置控制面板，每個面板上提供按鈕開關、選擇開關、急停開關，根據實際需求進行單機、聯機、手動及自動控制；以PCL控制系統為中心，其余硬件設備主要包括傳感器、電磁閥、機械臂、電機設備及監控設備等，系統框架圖如圖2所示。

圖2 PLC控制系統框架圖

2.3 PLC電氣自動控制系統

結合“PLC控制系統的功能”與“圖1柔性自動化生產線的流程”來看，主控單元基于現場總線的通訊路徑，實現了各基本模塊PLC的信息輸出與信息反饋（基于I/O模塊），完成了“閉環控制”的工作流程。而從“搬運單元”一路向“分類存儲單元”的生產時序，表現出了“順序執行”的特點，“自動處理”的功能主要表現在分揀單元、傳送單元兩個模塊中，不再需要人工干預，就能夠實現工件質量合格與否的判斷與篩選。但是，以上所有功能的實現過程中，存在一個必要的“隱含條件”，即所有PCL必須提前做好電氣自動控制系統設計。

2.3.1 搬運單元電氣自動控制設計

PCL在連接搬運單元電氣線路時，按照IM153 PROFIBUS-DP的規格參數連接電源（AC220V），而工作臺面上的電磁閥、指示燈、磁性傳感器、氣動機械手、回轉臺等電源規格為24V/5A。在設計結構中，電磁閥、傳感器兩個裝置位于氣動控制回路中，這樣可以實時向PLC反饋信號；搬運單元I/O接線方式如圖3所示。

2.3.2 加工檢測單元電氣自動控制設計

加工檢測單元電氣自動控制設計較為復雜，其中包括用于鉆孔的“刀具電機”設備，需要用到直流減速電機（ZGA25RP37.9i/DC24V/rpm：120），該單元中一共需要提供四臺直流減速電機，其中三臺用于刀具，一臺用作加工轉臺；工作臺面上其余設備包括平面推力軸承、傳感器（電感+光感+磁性）、電磁閥、輔助加工裝置等。其中，電磁閥與傳感器同樣安裝在控制氣動回路中，將信號反饋給PLC；該單元I/O接線圖如圖4所示。

圖3 搬運單元I/O接線圖

圖4 加工檢測單元I/O接線圖

2.3.3 分揀單元電氣自動控制設計

分揀單元獲取加工檢測單元反饋的信號，利用氣動手指、薄型氣缸、磁性傳感器、塑料存儲器及電磁閥等，完成廢料分揀與產品篩選的工作，I/O接線圖如圖5所示。

圖5 分揀單元I/O接線圖

2.3.4 傳送單元電氣自動控制設計

傳送單元的主要功能是合格品、不合格品（廢料）的分別，其中關鍵環節是顏色識別，核心設備元件是色標傳感器、光電傳感器及光線傳感器，分揀料槽用于存放紅色、綠色之外的其他工件，當有物料放入之后，光電傳感器就給PLC一個輸入信號，I/O接線圖如圖6所示。

圖6 傳送單元I/O接線圖

2.3.5 分類存儲單元電氣自動控制設計

分類存儲單元的組成包括步進電機、滾珠絲杠、限位開關、磁性傳感器、電感傳感器等，其中電感傳感器檢測到滾珠絲杠運動到位后，就給PLC一個輸入信號，I/O接線圖如圖7所示。

圖7 分類存儲單元I/O接線圖

3 PLC在電氣自動控制中的關鍵技術分析

結合以上實例分析，以計算機系統為核心、遠程控制技術和通信技術為手段的自動化控制與管理，業已成為各行各業生產系統（特別是電氣自動化系統）的主流模式，而PLC技術可以為自動化系統帶來更新的技術，助力電力自動控制的進一步深化，其關鍵技術分析如下。

一是PLC通過對系統數據信號進行收集和傳遞，可以對復數以上的配電柜進行統一管理和集中控制，并且能夠在中央處理器中對匯總的數據信號進行智能化分析與處理，從而為系統的優化控制夯實基礎。

二是PLC可以結合遠程控制技術和移動通信技術，為配電系統提供一雙更加精準的“千里眼”，實現配電系統的遠程監控與風險預警，從而有效降低人工監控的現實性風險。實踐中，電氣控制特別是電力系統的核心區域，往往存在著大量的電壓、電流以及諸多昂貴且精密的儀器，對于外界的電源或信號敏感，人工監測不僅有著極高的管理要求和規范限制，而且也容易對人員的身體健康帶來負面的影響。PLC技術的應用，可以借助末端的數據信息監測器，實時地將數據信息傳遞到終端進行處理，并且對于PLC預先編程設置的常見風險點和故障問題進行重點監測、預警和臨時處置，從而有效減少故障對于企業生產所帶來的不利影響[4]。

三是PLC技術既能夠對系統進行控制，同時也可以運用相應的控制語言，對電氣自動控制系統內的各種儀器和設備進行精準地監視與控制，從而實現控制技術的精準化。在具體的技術應用過程中，PLC技術可以通過編程的方式，預先對儀器或設備需要監控的重要環節和操作流程進行集中控制，使系統末端的設備運行更加精細化和科學化。

4 結語

綜上所述，作為現代信息化、智能化技術中的一種，PLC技術對于電氣自動控制體系的構建與完善有著積極的作用和價值，不僅可以有效降低企業的投入與運營成本，而且能夠在解放人力的同時大幅提升控制質量和效率，還不容易受到外界環境的干擾，因而在實際生產領域得到了較為廣泛地應用。然而，PLC技術與電氣自動控制系統之間還需要進一步磨合，從而更好地發揮現代科技對于傳統工業生產的推動作用，實現技術與功能的不斷優化與升級，從而為我國電氣控制領域的創新發展提供更多的技術支持。