PLC在工業打印控制系統中的應用

鐘潔礫

陜西中煙工業有限責任公司旬陽卷煙廠，陜西 旬陽，725700

0 引言

近年來，計算機應用與現代微電子技術的迅速發展，使得現代PLC控制系統技術的應用發展也受到了很大程度的促進，PLC控制系統的控制功能也變得愈來愈好。PLC控制器是指一種新型固態電子裝置，可以通過直接或讀取已被預先設置存入計算機的各種控制操作程序數據來監視控制各類自動化機械設備系統的工作運行狀況，控制所有自動化工序系統中的所有工序。PLC是通過控制輸入信號/控制輸出信號（I/O）給設備產生的兩個輸入信息，一個是為輸出控制輸入信息，另一個則是為接受控制輸入信息。由于PLC技術融合了現代計算機技術原理與工業自動化技術，PLC也隨著發展不斷更新，大大超出了其出現時的技術水平。它們之間不相連但卻能夠同時輕松地實現各種邏輯、順序、定量、計數、數字模擬運算、信息采集處理分析等控制功能，同時還能夠有效利用各種輸入和輸出的端口來與其他各種自動化制造的機器之間形成模擬數字量與數字模擬數量之間的無縫連接，以便于完成計算機對整個制造工藝流程的各種自動控制。尤其是隨著超大規模的集成電路技術與網絡信息技術的高速發展，以及移動網絡時代浪潮的來臨，PLC產品的通信功能不斷擴大，在實際生產和實踐過程中能夠獲得更多廣闊領域的實際應用，取決于它本身具有的實用性很強的物聯網通信功能。隨著計算機技術和通信技術的快速發展，工業控制領域產生了根本性的變化，同時PLC一直在采用最新技術，用于不斷完善系統、提高開放性，擴大了在整個工業過程自動化研究領域應用的范圍。PLC是將現代計算機、自動控制、通訊等技術有機集成在一起，完成了單機、車間、廠區的智能化控制的一種核心裝置，優勢主要有安全性要求高、抗干擾技術能力相對較強、組合布線方法靈活多樣、編程軟件操作相對簡單、維修和保養相對簡單等。伴隨著科學技術的不斷創新，其控制系統功能由單純的邏輯控制與順序控制發展為復雜的連續控制系統與流程管理，形成智能化領域的三大核心技術支撐之一。

傳統的工業生產設備由于其本身的電氣控制系統就非常龐大，導致其控制精度通常比較低且運行過程中噪音較大[4]，結構相對復雜且無法有效實現模塊化[5]。因此，如果能將PLC技術應用在工業生產機組上，不僅可以規避設備的技術缺陷，還能提高設備在高速運轉過程中的穩定性以及工作效率，為業內人員提供參考。

1 傳統的工業生產機組存在的問題

1.1 故障率比較高

1.2 結構非常復雜

傳統的工業生產機組采用的是機械傳動，其結構比較復雜，在運行過程中購買備品備件的成本也比較高，且機械傳動需要嚴格的潤滑和密封操作[5-6]。機組中的牌子箱在高速的運轉工作后由于長時間的高溫運行導致牌子箱易于出現漏油的情況，在嚴重時由于牌子箱的漏油會造成工業產品在生產過程中被污染而出現質量問題，而且在出現污染后該傳統的工業生產機組無法進行自動的油污檢測以及剔除。

1.3 無法實現自動調整

傳統的工業生產機組需要采用手動的方式來進行鋼印以及打印油墨的調整，因此在每次進行牌號更換時需要手動對鋼印位置進行重新定位，經過少量試生產確認打印無誤后才能進行批量的生產，這會導致生產機組的工作效率很低，浪費人力資源以及設備資源。

2 PLC技術在工業生產機組上的應用探索

要想將高效的PLC技術應用在工業生產機組上，首先需要對PLC功能進行設計優化，其次對技術方案進行探討并對應用效果進行分析。

2.1 PLC的優化設計

為了更好地將PLC技術應用到工業生產機組上，首先需要根據工業生產機組的工作原理、生產需求以及控制要求制定PLC控制方案；其次是根據控制要求對PLC的系統配置進行優化，選擇合適的模塊以及工作效果[7]；再次是確定合適的輸入、輸出設備并確定各個設備的控制對象，并對控制的系統程度進行優化；最后是按照電路圖對各個硬件進行連接并編寫控制程序后進行調試，具體的工作流程如圖1所示。

圖1 PLC 優化設計的工作流程

2.2 工業生產機組應用PLC的技術方案

工業生產機組在生產產品時主要包括產品的印刷以及產品生產調整兩個方面，在生產時首先在產品盤紙上進行印刷，在印刷過程中進行產品的動態監測并實時調整印刷的位置，可以通過電子齒輪來同步實現運動控制[8]。工業生產機組由外向內依次設置有位置環、速度環和電流環，在優化設計的過程中需要保證位置環的響應速度較速度環的響應速度要高一些。

結合產品的實際生產過程，在對成型的長段產品進行切割時通常需要對產品進行定位固定以保證最終的成品滿足質量的要求，改進后的工業生產機組包含一組工控機以及PLC系統，通過PLC實現數據采集及集中管理系統、交流伺服控制系統以及鋼印識別及自動調節系統。

（1）數據采集及集中管理系統。改進后的工業生產機組中的數據采集及集中管理系統由一個PLC、一個工控機以及多個傳感器組成，機組中各個不同功能的傳感器安裝在機器上的不同位置來實現自動檢測，傳感器檢測到的信號通過傳輸到PLC中并傳送給各個執行系統，各個執行系統在各自位置實現動作的執行。

（2）交流伺服控制系統。改進的工業生產機組所采用的交流伺服驅動系統是一種全新的自主開發以及獨立設計的產品生產工藝的組合，該組合中的交流伺服控制器與交流伺服電機配置是相對比較獨立的。

（3）鋼印識別及自動調節系統。改進的工業生產機組所采用的鋼印識別及調整系統運用了DSP數字信號處理器，該處理器需要包含輸入接口電路、定位編碼器、輸出接口電路、多軸伺服控制器以及布帶伺服電機伺服控制器。

各組大鼠血清飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸含量測定結果見表2、表3。分別對測得的32種血清游離脂肪酸含量按照飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸進行分類統計，結果見表4（其中，C6：0、C8：0、C10：0、C11：0、C13：0、C14：1、C15：1、C16：1、C20：5N3、C20：2、C22：2、C23：0在血清中含量太低，只有個別大鼠能檢測到，因此未能納入統計）。

2.3 PLC在生產機組上的控制原理

PLC投入運行時，其工作流程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新。上述三個階段的完成稱為掃描周期。在整個運行過程中，PLC的CPU以一定的掃描速度重復上述三個階段。

（1）輸入采樣階段：首先是輸入采樣階段，PLC按順序將會用掃描讀出全部輸入狀況和數據，并將其儲存在I/O圖像范圍的相應單位中。輸入采樣完成后，進行用戶程序完成和輸出刷新階段。在這兩階段，即使輸入的狀況及數據出現變化，三相異步電機控制中PLC應用的I/O圖像區域中相應單元的狀態和數據會保持不變。所以，如果以脈沖信號輸入，則脈沖信號寬度必須大于一個掃描周期，以確保在任何情況下都可以讀取輸入。

（2）用戶程序執行階段：在用戶程序執行階段，PLC始終按自上而下的順序（梯形圖）掃描用戶程序。當系統掃描到每個觸點階梯圖時，先按從左側的梯狀圖依次掃描到各個由觸點所構成的邏輯控制電路，同時再按照從左到后方到右、上到后到下順序依次掃描完成按一定的邏輯運算操作掃描到由觸電所構成邏輯的控制電路線圈上，最后再根據完成上述邏輯運算操作的掃描結果返回到系統RAM存儲器中刷新邏輯線圈。

存儲區域中相應位的狀態，或者刷新I/O圖像區域中輸出線圈對應位的狀態，或確定是否執行特殊功能指令指定的梯形圖。也就是說，在用戶程序執行期間，只有I/O映像區中輸入點的狀態和數據不會改變，而I/O映像區或系統RAM存儲區中其他輸出點和軟設備的狀態和數據可能會改變，例如頂部的梯形圖，程序實際執行后的最終結果還將完全取決于對這些線圈圖或數據梯狀圖的后續使用。相比之下，在下面的梯形圖中，更新后的邏輯線圈的狀態信息及數據直到在下一掃描期末才可提交供運行其上的程序使用。可直接利用在程序的執行過程期間或利用即時I/O命令來實現直接的訪問I/O點。使用I/O命令時，輸入的過程圖像寄存器不能改變。程序值直接輸出來自I/O模塊，輸出的過程圖像寄存器會立即進行更新，這點上和直接輸入有些差別。

（3）輸出刷新階段：用戶程序掃描完成之后，PLC會進行輸出的刷新掃描階段。在此期間，CPU通過I/O圖像范圍內的對應狀態與數據刷新的輸出鎖存器電路，并利用輸出電路驅動相關的外設器材。此時是PLC信號的一個真正輸出。

2.4 PLC技術在工業生產機組上的應用效果

將PLC技術應用在工業生產機組上取得了較好的效果，主要有如下兩點。

（1）實現了數據自動采集及集中管理。采用PLC技術的工業生產機組采用了全新的數字化控制技術以及網絡通信技術，這極大地提升了工業生產機組的自動化管理水平，有效解決了工業生產機組數據不完整以及維修困難的問題，該新型的工業生產機組可以實現數據的集中控制以及硬件功能的軟件化，這不僅有效解決了傳統控制系統運行過程中易于出現故障的問題，同時還保證了機組的穩定運行。

（2）在降低成本的同時解決了機組漏油等缺陷。將PLC技術應用到工業生產機組后，采用先進的多軸伺服控制器以及觸摸工業控制計算機替代了工業生產機組的控制系統，徹底解決了工業生產機組易于漏油的缺陷以及噪音較大的問題；此外，該新型的工業生產機組可以將盤紙圖案先打印完好后再進行生產，有效解決了打印過程中油墨過多等造成的產品質量問題，同時也可以有效降低的產品的生產原料成本以及質量成本。

3 PLC在技術應用中需要注意的問題

PLC直接保證了工業的自動化，其穩定性對生產非常重要，所以要充足考慮溫度、濕度、振動和干擾等負面因素的影響；著重加強設計和保護，為PLC系統提供有利的工作環境。

3.1 溫度限制

PLC對工作環境溫度有一定要求，一般限制為0～55℃。因此，PLC在安裝過程中應充分考慮散熱系數好，盡量避免陽光或其他熱源，不能直接放在其他發熱設備下。在較高溫度的情況下，超出設計要求的環境，設置附加的換氣和冷卻裝置或冷凍裝置，確保足夠的散熱空間，有效地控制其工作溫度，確保PLC系統的穩定工作。

3.2 濕度限制

PLC系統的一部分會對環境濕度產生反應，因為這種超濕度會削弱元件的反應性，從而導致系統的穩定運行或系統功能的失效。因此，人群系統的室內濕度通常不應高于75%相對濕度。

3.3 震動控制

對于PLC而言，強烈振動是一種有害負荷，尤其是頻率長度在10Hz和55Hz之間時，必須在很大程度上避免這種情況，并在某些振動條件下安裝，例如振動橡膠結構運動檢測器，以避免干擾測量系統。

3.4 防干擾設計

盡管PLC系統其穩定性很高，但仍然存在干擾，包括鉛和輻射等干擾。在信號檢測的儀表內部和電路的內部會產生一些電磁的干擾，包括對信號輸入與輸出電流的連接方式的電磁干擾；復雜干擾存在于電視輻射、電信、電磁輻射等電磁輻射密集的地區。為了提高系統的穩定性，應科學有效地設計、充分安裝和加密系統，并可通過電源隔離等方式進行有效控制或阻斷。

4 結語

PLC技術作為一種集邏輯控制、數據傳輸及數據處理于一體的先進技術，在工業控制領域有著廣泛的應用；傳統的工業生產設備由于具有故障率相對較高、結構較為復雜、打印功能單一以及無法實現產品的自動調整等缺點，在長期運行后易出現漏油及噪聲以及工作效率低下等問題，而將PLC技術在工業生產機組上進行優化設計應用以及技術方案實施，有效實現了數據自動采集及集中管理，并在降低成本的同時解決了機組漏油等缺陷。

自動化行業的各個產業集體也都表示非常歡迎將來加入的PLC以及通信技術和物聯網等方面領域的相關技術人員。一般所說的與PLC控制器之間的串行通訊電路主要是包括與各種PLC控制器之間的各種內部控制電路之間的各種串行通訊電路以及如何利用這些PLC控制器來進行與各種其他控制器的智能裝置電路間串行的通訊。隨著現代工控系統智能化技術的快速發展和趨勢，各個品牌PLC控制器的廠家也均開始十分重視新一代PLC控制器上的網絡通訊的功能，推出開發了一系列相應功能的通訊網絡系統，新一代開發的所有PLC系列控制器上均已帶有網絡通信的接口，通訊功能十分便利。

未來PLC技術的三大特點如下。

（1）微型化、集成度越來越高：微型和集成度與市場緊密相連，要求也越來越苛刻，在工業中PLC技術集成其中，還有汽車和通訊等相關產品中。 PLC產品充分體現了對數據精準的處理和更好的控制特性，不但滿足了產品的功能性，還在工藝上更加精細化。

（2）智能PLC技術：科技日新月異，人工智能的發展運用在各個領域，PLC技術也緊跟時代潮流，例如在工控的PLC的智能I/O模塊和汽車上的智能溫度控制模塊等，在未來智能PLC技術還會有更大的潛在發展空間實際運用靈活多變。

（3）多樣化的PLC技術：PLC技術運用范圍廣泛，在編程語言中也嶄露頭角。在一些應用場景之中，簡單的一種或幾種編程語言無法滿足所具備的功能，這時就需要量身定做的PLC產品，類似的相關模塊化技術也得到發展。