淺析工業(yè)自動(dòng)化PLC控制的應(yīng)用與調(diào)試

葉潤安

燕山大學(xué)，河北秦皇島，066004

0 引言

隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代的PLC與傳統(tǒng)的PLC有著本質(zhì)的區(qū)別，其中軟件模型及架構(gòu)方面有著重要的變化，現(xiàn)代的PLC有著更加卓越的性能以及完善的功能，因此PLC的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，特別是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的深化拓展，使其與工業(yè)自動(dòng)化的結(jié)合愈發(fā)緊密[1]。PLC是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的核心支柱之一，它對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了顯著的效益。

1 PLC概念

PLC是一種邏輯控制器，它是由計(jì)算機(jī)相關(guān)部件組成的特殊結(jié)構(gòu)，它主要采用微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)繼電觸控技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行工作，通過調(diào)用存儲(chǔ)程序的執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算和特定功能，并順序控制執(zhí)行指令，利用輸入輸出的信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備及生產(chǎn)過程的控制。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)組成結(jié)構(gòu)可分為整體式和模塊式兩大類：（1）整體式結(jié)構(gòu)是指將中央處理器、輸入輸出接口、電源等設(shè)備集中在一個(gè)機(jī)箱里，一般小型的PLC控制系統(tǒng)采用整體式結(jié)構(gòu)。（2）模塊式結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)的各個(gè)部分都是以單獨(dú)模塊的方式存在，如中央處理器模塊、輸入輸出模塊、電源模塊及各種功能性模塊等，一般大中型PLC控制系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)[2]。

2 PLC技術(shù)特征

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，現(xiàn)代的PLC技術(shù)特征相較于傳統(tǒng)的PLC技術(shù)具備明顯的優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在（1）硬件突破，例如：現(xiàn)代的PLC系統(tǒng)可以安裝多個(gè)中央處理器，并形成多處理器模塊的架構(gòu)。（2）軟件模型，例如：PLC可以通過配置的方式進(jìn)行系統(tǒng)配置及定義資源，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 接口，使程序與物理輸入輸出通道之間能有效的連接，并形成資源與處理器之間一對(duì)一的關(guān)系。因此現(xiàn)代PLC技術(shù)具有許多優(yōu)秀的技術(shù)特征，但遺憾的是，當(dāng)前各廠商PLC的軟硬件體系是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，因此兼容性較差。

2.1 穩(wěn)定可靠、抗干擾強(qiáng)

PLC的設(shè)計(jì)之初就是為了滿足工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)各種惡劣環(huán)境下的使用，它是通過硬件與軟件兩個(gè)方面來實(shí)施措施的，因此，PLC具備穩(wěn)定性及可靠性，同時(shí)也能排除電子干擾等環(huán)境的影響。

2.2 功能完善、使用便捷

現(xiàn)代的PLC控制系統(tǒng)具備完善的功能。它不僅能控制開關(guān)量和模擬量，還可以對(duì)機(jī)械設(shè)備、生產(chǎn)線及生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，同時(shí)它還具備較強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)通信能力，通過與上位機(jī)的結(jié)合應(yīng)用還能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制。由于現(xiàn)代PLC的產(chǎn)品基本上都采用模塊化的結(jié)構(gòu)組成，因此它能快速響應(yīng)并滿足各種控制系統(tǒng)的需求，針對(duì)不同的需求編寫不同的程序，從而達(dá)到工作流程控制的要求。

2.3 編程簡(jiǎn)單、易于掌握

PLC的編程基本上都是采用梯形圖的方式，圖形化語言使操作者無須具備專業(yè)的計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，并且讓操作者能快速的上手，同時(shí)理解并掌握相關(guān)PLC的編程技能。

2.4 安裝快捷、調(diào)試方便

成熟PLC產(chǎn)品的安裝過程基本上采用搭積木的方式進(jìn)行，并且通過仿真軟件的使用，使得PLC的調(diào)試工作變得容易。因此相較于其他控制系統(tǒng)，PLC產(chǎn)品的安裝調(diào)試降低了控制系統(tǒng)的構(gòu)建周期。

2.5 體積輕便、功耗節(jié)能

PLC的制造使用了微電子技術(shù)，因此它具備體積輕便、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，并且由于模塊體積較小，所以功耗相對(duì)較低，在一定程度上起到了節(jié)能的作用。

3 PLC在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用策略

現(xiàn)代PLC系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)具備十分明顯的優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)代PLC系統(tǒng)的應(yīng)用還處于起步階段，所以需要通過不斷地深化PLC技術(shù)的理論知識(shí)，并與實(shí)踐相結(jié)合的方式，來完善PLC產(chǎn)品的功能及優(yōu)化改進(jìn)。只有這樣PLC系統(tǒng)才能適應(yīng)時(shí)代的需求，更好的為工業(yè)自動(dòng)化服務(wù)[3]。

3.1 深化應(yīng)用并加強(qiáng)PLC技術(shù)的研發(fā)

PLC技術(shù)應(yīng)當(dāng)不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，通過解決工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際問題，提升PLC技術(shù)的深度研發(fā)能力，并且通過不斷完善及強(qiáng)化理論體系的應(yīng)用，對(duì)當(dāng)前PLC技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使PLC技術(shù)更加先進(jìn)更加智能，以滿足當(dāng)前及未來工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)LC的要求。

3.2 構(gòu)建規(guī)范的PLC技術(shù)應(yīng)用調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)

由于PLC技術(shù)應(yīng)用在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，在各領(lǐng)域中的使用及用途都不相同，并且各廠商的PLC產(chǎn)品都存在技術(shù)閉環(huán)，所以PLC的應(yīng)用及調(diào)試沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。如果制定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，那么就可以讓各領(lǐng)域之間產(chǎn)生緊密的聯(lián)系，通過推動(dòng)統(tǒng)一的PLC標(biāo)準(zhǔn)能讓PLC技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用更加深入，同時(shí)也有利于完善PLC的系統(tǒng)功能。因此，推動(dòng)統(tǒng)一的PLC技術(shù)、質(zhì)量檢查、系統(tǒng)規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)是十分有必要的。

3.3 強(qiáng)化信息對(duì)稱并搭建溝通平臺(tái)

PLC技術(shù)的應(yīng)用都需要相應(yīng)的溝通，如：需求溝通、業(yè)務(wù)溝通等，只有通過溝通才能確定PLC運(yùn)用的目的，以及檢驗(yàn)搭建的PLC系統(tǒng)是否合理。只有強(qiáng)化信息對(duì)稱，并且溝通順暢，才能讓PLC的應(yīng)用更加符合實(shí)際需求。當(dāng)然在后期運(yùn)維的過程中，信息對(duì)稱及溝通平臺(tái)的搭建同樣也是十分重要的，只有通過不斷的反饋問題及解決問題，才能促使PLC技術(shù)更加完善，讓PLC系統(tǒng)的在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用更加深入。

4 PLC在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用分析

4.1 開關(guān)數(shù)量控制

開關(guān)控制是工業(yè)自動(dòng)化中關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)景之一。開關(guān)替代了傳統(tǒng)的繼電器電路，不僅可以用于單臺(tái)設(shè)備，還可以用于多機(jī)群控制。雖然它有著簡(jiǎn)便的控制效果，但是開關(guān)數(shù)量過多可能會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題。因此，對(duì)開關(guān)的使用必須有嚴(yán)格的要求和控制。PLC技術(shù)的應(yīng)用能有效解決這一問題，PLC技術(shù)能讓工業(yè)自動(dòng)化控制更加智能與精細(xì)，因?yàn)樗粌H能有效地控制工業(yè)自動(dòng)化中的各種開關(guān)需求，同時(shí)也能提升控制精度，只需通過有效的調(diào)控即可[4]。

4.2 模擬量控制

在實(shí)際的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，存在著很多不斷連續(xù)變化的量，我們稱之為模擬量，例如：溫度、流量、壓力、速度等。PLC控制系統(tǒng)可以通過編程控制器處理這些模擬量，但在處理之前，必須先對(duì)模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，可使用編程控制器對(duì)數(shù)字量進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量的精準(zhǔn)控制。當(dāng)前市面上各廠商的PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)品基本都配有轉(zhuǎn)換模塊，用于編程控制器對(duì)模擬量的控制。

4.3 運(yùn)動(dòng)相關(guān)控制

在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)活動(dòng)中，PLC技術(shù)涉及到運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)掌握兩個(gè)方面，從運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)角度來講，它可以通過運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行不同的組合，來達(dá)到投入生產(chǎn)的必需要求，并最終形成大規(guī)模完整的工業(yè)生產(chǎn)體系，但在生產(chǎn)過程中，如果生產(chǎn)流程發(fā)生變化，會(huì)存在難以進(jìn)行變更的問題，PLC技術(shù)的使用能有效的解決這一難題，只需通過模塊化管理，從而達(dá)到精準(zhǔn)管控的目的，以此來提升工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的靈活性。從運(yùn)動(dòng)掌握的角度來講，PLC技術(shù)的使用不僅可以對(duì)工作對(duì)象進(jìn)行精確掌握，還可以掌握多個(gè)工作對(duì)象運(yùn)動(dòng)間的協(xié)調(diào)[5]。

4.4 數(shù)據(jù)信息處理

數(shù)據(jù)信息處理在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中是十分重要的，它包括數(shù)學(xué)運(yùn)算、采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理等環(huán)節(jié)。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，通過編程的方式能讓PLC有效的解決數(shù)據(jù)信息處理問題，并依托工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，以此來實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)智能設(shè)備之間的對(duì)接，并且進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度控制以及數(shù)據(jù)管理，這樣可以減少人工操作帶來的工作失誤，從而提升整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化體系的操作效果。不僅如此，PLC技術(shù)還解決了數(shù)據(jù)分散和集中管理的問題，進(jìn)而更深層次的實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中對(duì)數(shù)據(jù)信息處理的需求。

4.5 使用頻率控制

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，PLC技術(shù)可以對(duì)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)使用頻率進(jìn)行控制。PLC技術(shù)通過編程的方式對(duì)設(shè)備的使用進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并通過計(jì)算得出設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間及狀態(tài)，從而對(duì)設(shè)備生產(chǎn)使用頻率進(jìn)行規(guī)范化，以此減少長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷生產(chǎn)作業(yè)過程中對(duì)設(shè)備造成的損害，并延長(zhǎng)設(shè)備使用的壽命，最終達(dá)到節(jié)約設(shè)備生產(chǎn)成本及運(yùn)營成本的目的。

4.6 過程管控應(yīng)用

PLC技術(shù)現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)過程的管控，包括溫度、電壓、壓力、電流等運(yùn)行參數(shù)的控制，通過參照歷史輸入信息并結(jié)合當(dāng)前實(shí)際情況，產(chǎn)生生產(chǎn)所要求的輸出模擬量，并且使系統(tǒng)的工作按照一定的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行。不僅如此，如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了問題，PLC控制系統(tǒng)還可以對(duì)機(jī)器的操作進(jìn)行自動(dòng)控制，如：斷電、關(guān)閉等。因此，PLC技術(shù)讓工業(yè)生產(chǎn)制造具備了連續(xù)性，不僅改進(jìn)了工作流程，同時(shí)也讓生產(chǎn)過程更加安全。

5 PLC控制系統(tǒng)的程序調(diào)試

PLC控制系統(tǒng)在完全投入生產(chǎn)之前，需要進(jìn)行一系列程序調(diào)試，排查各種存在的問題，如：PLC控制系統(tǒng)能否滿足控制需求、是否滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行要求等。通過程序調(diào)試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)及修改完善相關(guān)環(huán)節(jié)，讓系統(tǒng)能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，盡量避免故障的發(fā)生。

5.1 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試

按照控制要求，PLC控制系統(tǒng)在完成程序設(shè)計(jì)之后，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，以此來保障設(shè)計(jì)的正確性，之后才能投入生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)室調(diào)試一般分為兩步：（1）首先編程器的狀態(tài)脫離主機(jī)控制，其次運(yùn)行后臺(tái)軟件的檢查功能，對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行檢查，如存在錯(cuò)誤就進(jìn)行記錄和修改。（2）在沒有錯(cuò)誤的情況下，讓編程器連接主機(jī)進(jìn)行深入調(diào)試，以此來確保系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)的正確性，在聯(lián)機(jī)情況下，對(duì)設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行逐步排查并修改完善，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的效果[6]。

5.2 廠家調(diào)試

PLC產(chǎn)品設(shè)備在出廠時(shí)，需要廠家對(duì)設(shè)備進(jìn)行組裝并進(jìn)行聯(lián)調(diào)，以此來保證出廠之前整個(gè)PLC產(chǎn)品設(shè)備的配置正確，并確保運(yùn)行的正確性及滿足生產(chǎn)的要求。首先檢查相關(guān)設(shè)備模塊及接口的狀態(tài)，在確保狀態(tài)正確后，連通電源并觀察指示燈是否點(diǎn)亮，然后檢查系統(tǒng)程序中的“通信管理表I/Omap”，查看通信配置和相關(guān)模塊設(shè)置是否正確，接著使用仿真器連接系統(tǒng)的輸入模塊，觀察模擬系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，并根據(jù)反饋信號(hào)的順序進(jìn)行相應(yīng)開關(guān)的撥動(dòng)。最后連接所有調(diào)試完畢的控制程序塊進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)，逐步排查每一條控制分支及邏輯是否合理，在整體上考慮所有PLC控制路線邏輯是否滿足要求。

5.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及優(yōu)化

PLC設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)按要求完成安裝后，在交付投入生產(chǎn)前需要進(jìn)行驗(yàn)收，檢查系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求、程序執(zhí)行與設(shè)備狀態(tài)是否正常、執(zhí)行結(jié)果是否達(dá)標(biāo)等。在調(diào)試時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)操作人員對(duì)程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控并微調(diào)，讓整個(gè)PLC控制系統(tǒng)能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。由于工業(yè)自動(dòng)化的工作環(huán)境比較惡劣，所以除了調(diào)試以外，必須還要對(duì)PLC設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，減少環(huán)境對(duì)PLC控制系統(tǒng)的影響，排除相關(guān)的干擾，同時(shí)還要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的維護(hù)。所以必須在以下方面予以重視及優(yōu)化：（1）對(duì)電源電流輸入輸出的控制，保障輸入輸出電流的穩(wěn)定，并且電源必須具備隔離性，這樣才能在工業(yè)自動(dòng)化惡劣的環(huán)境中，減少電流對(duì)控制系統(tǒng)的干擾，可通過濾波器和變壓器來解決這個(gè)問題。（2）確保線路之間的敷設(shè)分開，如電源線路與通信線路的敷設(shè)，盡量在布線設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮這個(gè)問題，并且還要考慮相關(guān)電氣控制單元與線路之間的實(shí)際距離，盡量減少線路干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響。（3）由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，一些信號(hào)往往會(huì)遇到磁場(chǎng)的干擾，造成信號(hào)誤差或者錯(cuò)誤信號(hào)，所以可以采用數(shù)據(jù)濾波的方式來處理信號(hào)，排除相關(guān)磁場(chǎng)干擾。（4）PLC控制系統(tǒng)主要是通過軟件程序進(jìn)行相關(guān)操作控制，所以軟件很可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)期的問題，這時(shí)軟件容錯(cuò)的作用就尤為凸顯，因?yàn)檐浖蒎e(cuò)可以提高軟件的可靠性及安全性，利用新的軟件容錯(cuò)技術(shù)，減少冗余規(guī)模及采用智能化決策，并且增加容錯(cuò)覆蓋范圍，來實(shí)現(xiàn)PLC技術(shù)程序調(diào)試上的優(yōu)化。

6 PLC在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用展望

PLC技術(shù)的應(yīng)用在我國工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中十分廣泛，在數(shù)字化新時(shí)代的加持下，PLC技術(shù)的應(yīng)用前景會(huì)更加深而廣闊。從軟硬件層面來講，PLC的性能和功能會(huì)不斷的完善增強(qiáng)，讓PLC擁有更快的運(yùn)算能力、擁有更多的輸入輸出擴(kuò)展以及更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力等，甚至可能將人工智能引入PLC技術(shù)，進(jìn)一步讓PLC技術(shù)更加智能化的。從通信能力角度來講，隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)5G技術(shù)的快速發(fā)展，PLC技術(shù)很可能與5G技術(shù)相融合，從而實(shí)現(xiàn)真正的互聯(lián)互通。從接入標(biāo)準(zhǔn)來講，PLC系統(tǒng)可能擁有更多的接口，讓其功能更加強(qiáng)大，可快速的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及設(shè)備間的接入能力與聯(lián)動(dòng)能力，達(dá)到高效無縫的協(xié)作，以及集中與分散管理的能力，從而進(jìn)一步讓PLC的融合程度更加深入，更能解決行業(yè)應(yīng)用的需求，從而創(chuàng)造獨(dú)特的價(jià)值。從信息安全的角度來講，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，由于控制網(wǎng)絡(luò)之間具備隔離性，信息安全很容易實(shí)現(xiàn)，但未來的PLC技術(shù)，融合了各種技術(shù)，特別是通信方面的增強(qiáng)，讓數(shù)據(jù)信息安全變得脆弱，容易遭受到網(wǎng)絡(luò)攻擊及數(shù)據(jù)竊取，未來PLC技術(shù)的應(yīng)用需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全，并且增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息安全的保護(hù)。在未來，PLC技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力是巨大的，它會(huì)隨著工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域需求的變化，而不斷的適應(yīng)和融合新的技術(shù)，強(qiáng)化自身的功能，并在未來扮演一個(gè)不可或缺的角色。

7 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與時(shí)代的進(jìn)步，PLC技術(shù)的發(fā)展也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，其應(yīng)用會(huì)越來越深入廣泛，與工業(yè)自動(dòng)化的結(jié)合也會(huì)越來越緊密，不僅如此，PLC技術(shù)還可憑借著自身的優(yōu)勢(shì)及影響，促進(jìn)整體生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)水平的提升，并有效地刺激社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。所以加強(qiáng)PLC技術(shù)的研究，使其與時(shí)代無縫對(duì)接是有必要的，這樣可以讓我國工業(yè)自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高。