論基于PLC的自動裝置的控制系統設計

葉春鋒

（深圳市創精銳電子有限公司 廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著社會的發展，傳統的工業模式已與當前時代的需求不符，亟需出現一個符合時代的自動化運營模式。而作為衡量一個國家生產能力以及發展水平的重要指標，工業自動化對于國民經濟的提高具有重要意義，因此，人們對設備重新進行PLC技術設計，從而實現對設備的有效控制，基于PLC，可以大大提高控制系統的自動化程度，對于工業自動化運營模式的發展也具有極大的促進作用。

1 PLC自動化控制系統概述

PLC技術是可編程控制器的簡稱，其可以根據用戶需求編制一定的程序，基于軟件控制按照程序設定對設備進行自動化控制，從本質上來說，其可以被稱為一種應用在特定的工業生產環境中的計算機技術，從而有效控制設備的穩定工作，尤其是在相對惡劣的環境下。相比于傳統控制系統，PLC系統只需要在系統的輸入和輸出端口接線即可，中間通過軟件模塊相連，可以極大地減少線束的數量。此外，該系統還具有檢修方便、抗干擾能力強以及擴展簡單等優點，同時其在運行過程中所涉及的一些信息的存儲和處理等都是按照既定的程序進行，不允許進行調整，保證運行的穩定性[1]。

PLC系統主要由電源、處理器、儲存器、輸入輸出端口、通信模塊以及功能模塊6部分組成，每個部分之間環環相扣，要想保證系統正常運行，就需要每個部分均平穩運行。電源為系統的能量來源；處理器則為系統的核心，負責分析系統所收集的數據，并輸出關鍵信息，其運行快慢直接決定了系統運行的速度；儲存器的作用是儲存程序及數據，還可以對程序進行編輯；端口則承接著系統前后端的連接；通信模塊承擔著數據傳輸及處理的功能。通過合理的搭配，配置一個科學的PLC系統，可以最大程度地減少員工數量及降低工作強度的同時提高生產效率，對于現代工業的發展具有重要意義。

2 基于PLC的自動裝置的控制系統設計原則

對于PLC系統來說，每一次的設計就是為了滿足用戶的需求，從而提高自動化控制水平，提高生產效率，為了達到這一需求，其設計必須遵循以下5個原則。

2.1 符合控制需求

PLC自動控制系統的設計目的就是為了實現對對象的完全控制，要求控制對象的動作完全正確，保證其高質量地完成工作任務。因此，在進行PLC自動控制系統的設計前，相關人員必須先對現場的需求進行調研，對控制過程及對象的情況進行深入了解，包括工作原理、動作過程、執行單元、輸出參數等，只有在全面了解這些參數后，才能更好地設計出符合現場需求的PLC。在調研的基礎上，設計人員需要先構建出一個系統框架，然后組織機械、電氣、液壓等工程師對系統的細節進行完善，最后將方案給到用戶，用戶結合現場需求對方案進行進一步的優化。在聽取多方意見的基礎上，才能設計出最合理、最符合用戶控制需求的系統[2]。

2.2 保證系統的安全可靠

在完成PLC自動控制系統技術層面的設計后，需要對系統的安全性及可靠程度進行進一步的確認，以確保系統能夠長時間穩定運行。對于安全性設計，包含了人員安全以及設備安全兩方面。在設計時，需要充分分析可能會對人員安全造成威脅的部位，通過“斷電保護”“緊急停止”“互鎖“等措施來規避風險，保證操作者的安全。對于設備安全則體現在對設備的過載保護方面，保證設備在合理的參數下運行。可靠性主要體現在程序的穩定性方面，一方面可以通過多次惡意試錯，找出系統漏洞進行優化；另一方面可以構建一個子系統，當主系統出現異常時可以調用子系統來完成程序的運行，進一步提高系統的可靠性。

2.3 簡化控制系統

在滿足用戶需求、安全可靠性要求的前提下，PLC自動控制系統的設計需盡可能的簡單，系統的復雜程度越低，一方面可以減少元器件及I/O點數的數量，從而降低系統構建成本，另一方面也可以進一步提高系統的穩定性。簡化系統的工作可以從操作、線路和程序等方面著手。操作層面首先是要基于人體工程學對操作按鈕的位置進行優化，對數量進行精簡，打造一個友好的人機交互界面，提高操作的順暢性。線路層面則著重于控制元件及控制線的精簡，提高系統可靠性的同時便于檢修。程序層面則體現在觸點及繼電器數量的減少，減少程序的步數，提高PLC的循環速度及元件的響應速度[3]。

3 PLC自動控制系統的設計步驟

PLC自動控制系統的設計需要經過一系列的選型和調試，其具體步驟見圖1。

（1）第1階段可成為總體方案設計階段，該階段需要完成包括明確控制要求、計算I/O點數、PLC以及配套設備的選型這4個方面的工作。首先需要深入客戶現場，了解用戶需求，并記錄各個執行單元所需的工作參數和動作過程；然后梳理調研的情況，確認輸入信號以及輸出信號的數量，并在此基礎上再預留20%以上的接口，以便后續系統優化及更新的需求；基于I/O點數的數量要求，選擇合適的PLC系統，選擇的原則可以遵循優先考慮與用戶現場相同的系統，而對于性能要求高的則選擇歐美PLC，追求性價比則選擇日本PLC；最后，選擇合適的觸摸屏、變頻器、技術模塊、特殊功能模塊、傳感器、電磁閥等設備，以匹配系統需求[4]。

（2）完成上述工作后，就已經搭建起了PLC自動控制系統的基本框架。隨后，在基礎框架的基礎之上，需要做好I/O的地址分配，并依照分配方案繪制出I/O接線圖，以便于后續的軟件設計的現場作業。

（3）在接線圖完成后，就進入安裝環節。PLC自動控制系統包括了硬件和軟件，硬件包括操作臺、控制柜等，并按照接線圖要求進行接線并布置元器件，接線時必須對強弱電進行區分和標記，以便于后續的維修。軟件的設計需要滿足用戶的需求，并有較優的可讀性和兼容性，便于系統各個模塊的連接。在程序編寫完成后，需要進行仿真調試，模擬實際的使用工況，確保所設計的軟件能夠滿足需求。

（4）在系統完全組裝完成后，則進入了系統的調試工序。在進行調試前，需要確認系統處于關閉狀態，然后外接信號，觀察輸出端指示燈的變化，確保所有信號都是暢通的。在完成線路檢測后，將系統開機，然后外接信號，觀察輸出端的信號情況。除此之外，還需要測試一些操作人員可能出現的誤操作、停電、短路、過載等情況，確保系統的安全可靠，一旦發現一些不符合測試要求的點，立即進行系統優化。

（5）最后進行技術文件的編寫，技術文件包括了I/O接線圖、PLC系統程序、使用說明書等，然后隨設備一起交付給客戶。

有序地執行上述步驟，可以快速地設計出一套合適的PLC自動控制系統，達到事半功倍的效果，最大程度地提高工作效率。

4 PLC自動控制系統的設計技巧

4.1 編程技巧

4.1.1 布爾代數編程法

根據邏輯關系的不同，PLC控制電路可以分為時序電路和組合電路這兩大類。而對于后者來說，其控制的結果只與輸入的變量相關，因此可以基于布爾代數法計算得到。布爾代數編程法具有效率高、操作簡單、方便快捷的特點，其可以在相對較短的時間內得出梯形圖，且通常情況下，輸出的結果能夠一次試車成功，因此，避免了反復修改和調節的麻煩。此外，基于布爾代數分析輸出的梯形圖的邏輯相對清晰明了，極易理解，可以更快地設計出合適的PLC自動控制程序。布爾代數法編程的步驟見圖2。

4.1.2 振蕩電路的應用

當遇到需要電動機間歇性運行控制或定時正反轉控制時，就需要使用具有相應頻率的指示燈來對應控制。而此時采用定時器以及“起—保—停”電路的組合難以實現控制目標，此時，需要引入振蕩電路才能夠有效解決問題。對于振蕩電路來說，應用最早且相對成熟的為工業洗衣機的控制。如A工業洗衣機，要求在啟動按鈕按下之后，進水閥會自動打開并加水，當水位到達設定值后則關閉閥門停止進水，然后波輪正反轉交替旋轉10次，每次持續20 s，然后洗衣機進行排水，且在60 s內排完，最后經過60 s的脫水甩干，最后指示燈亮起，系統自動停止運行。對于進水、出水、指示燈等的控制可以采用傳統的定時器以及“起—保—停”電路的組合來實現，而正反轉的間歇性控制則需要基于振蕩電路實現。

4.1.3 比較指令的應用

比較指令可以理解為是一個用于判斷指令條件滿足與否的常開觸點，當條件滿足時，觸點就會觸發閉合動作，然后位于指令右側的動作指令就會被激活。此外，比較指令還可以將一個定時器變成一組定時器使用，在定時器的某個部位加入指令，通過條件的變化，系統會自動選取一段位置的定時器的運轉，最終形成n個定時器共同運轉的情形。這一功能常被用于傳送帶的設計當中，一般來說，一個傳送帶系統的傳送帶數量都在3個以上，通過比較指令就可以直接基于一個定時器對多個傳送帶進行控制，且傳送帶越多，這種優勢就越顯著。例如在某選礦廠，僅僅采用4個定時器就控制了60多條傳送帶。

4.2 設計技巧

（1）對于PLC的觸點來說，其具有極高的穩定性，可以進行重復多次的使用，因此基于復雜程序來減少觸點的使用次數是多余，不必要的。

（2）在進行PLC設計時，因雙繼電器線圈輸出（同一線圈在同一個程序中被重復使用兩次）會導致誤動作出現的概率提高，因此需要在程序中盡量避免該情況的出現。當出現必須使用雙線圈輸出時，可以通過復位或者置位的操作來解決這一問題。

（3）對于非關鍵設備的PLC設計，可以通過減少I/O點數來降低成本，其操作方法有二：其一是進行PLC的數字化編程，該方法難度較大；其二是將硬件上的觸點進行串聯處理，然后再將串聯后的線路接入PLC的輸入端，從而有效減少輸入點數。

（4）在進行PLC自動控制系統的設計時，盡可能采用模塊化的思想進行設計，以此在降低編程量和內存占有量的同時提高整個系統的穩定性。如可以將正反轉的點動程序封裝成一個模塊，需要進行該操作時，PLC可以自動并重復調取模塊。這一技巧在大型PLC自動控制系統的設計中極其適用。

5 PLC自動控制系統的優化設計

5.1 提高系統的抗干擾能力

PLC控制器在運行過程中會受到周邊設備、環境以及電子信號等的干擾，為了提高系統的穩定性，就必須提高系統的抗干擾能力，可以從以下幾個方面著手。

（1）降低電流及信號干擾：在系統電源處添加隔離變壓器，同時進行接地處理，從而降低電流對系統的影響，同時，在變壓器的前端可以安裝一個濾波器，進一步將信號的干擾降低。

（2）抑制感性負載：將浪涌并聯在感性負載的兩端，可以將感性負載所產生的電弧進行充分抑制，以此表面電弧對系統的干擾以及損傷電子元件的情況。

（3）選擇合適的接地方式：根據PLC自動控制系統的類型選擇合適的接地方式，對于高頻電路，適合采用一點接地，而低頻電路則選擇多點接地更為合適。通過接地方式的合理選擇，可以有效降低電磁干擾以及電壓沖擊的情況。

（4）降低電容電感干擾：在設計PLC自動控制系統時，需要為直流和交流電路單獨設計一個電纜線路，避免交叉，最大程度地降低電容電感對系統產生的影響。

5.2 完善系統的軟件設計

軟件設計是PLC自動控制系統構建過程的重要環節，因此在優化過程中必須給予足夠的重視。軟件設計的主要任務及時將用戶的工序過程轉化成控制程序，這是PLC系統功能得以實現的關鍵環節。從本質上來說，軟件設計就是程序編寫的過程。在進行設計時，必須先建立一個良好的設計理念并與相關人員進行溝通，形成一個易于理解、掌握和便于調試和維護的系統。一般來說，軟件設計的思想為：根據用戶需求的復雜以及難易程度的不同，將程序換分為基礎和模塊化程序兩部分，前者是后者的一個子單元，也可以作為一個獨立的程序對用戶的過程進行控制，而后者則是多個基礎程序組合而成的，能夠完成整個工序過程的完整程序。基于子程序和總程序之間既獨立又復合的關系，可以更好的優化系統設計[5]。

5.3 提高系統的安全可靠性

PLC自動控制系統的可靠性受到諸如自身設計缺陷、周圍環境、電路等因素的干擾，因此，需要盡可能地規避這些問題。根據研究表明，一般的PLC自動控制系統的最佳工作環境為：溫度：0～55 ℃，濕度：35%～80%，在這個條件區間內，PLC系統可以實現穩定高效率運行。而對于特殊的環境，如鹽霧、高溫高壓等環境需要對控制柜、元器件等做特殊的保護處理。在系統優化設計時，嚴格執行雙重互鎖，切實保護系統執行元件的單獨正常運轉。此外，還需要做好停電保護，尤其是雷暴多發地區，停電情況尤其頻繁，更需要考慮緊急停電的情況，設計按“失電夾緊”的原則進行，在電力恢復后，在確認設備無異常后需要對設備進行復位操作后才能進行進一步的操作。

6 結語

PLC自動控制系統對于我國工業的發展具有重要的意義，可以有效優化生產過程，提高生產效率，其設計過程必須予以重視。在設計時需要遵從符合性、安全可靠性以及簡潔性的原則，按照設計步驟逐步進行設計，然后根據用戶需求的改變以及技術的變更不斷地進行優化，從而做到更高質量、更高效率的自動控制，為我國工業的騰飛助力。