PLC 技術(shù)在自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

楊彥偉

（咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 咸寧 437100）

1 PLC技術(shù)的相關(guān)分析

1.1 基本定義

PLC可定義為“可編程控制器”，是針對工業(yè)環(huán)境設(shè)計的電子裝置。PLC 技術(shù)在具體應(yīng)用中是利用具有“可編控制程序”作用的存儲系統(tǒng)，執(zhí)行自動化系統(tǒng)中的順序運(yùn)算、邏輯運(yùn)算指令，根據(jù)指令輸出、輸入控制信號，起到控制各類設(shè)備、生產(chǎn)機(jī)械的作用。

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，PLC 技術(shù)得到了進(jìn)一步的完善，在處理速度、運(yùn)算性能、控制功能等各方面都有所強(qiáng)化，推動了自動化控制系統(tǒng)的日臻成熟。目前，自動化控制設(shè)備已被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)之中，對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展起到了重要的推動作用。針對自動化設(shè)備的工作模塊，PLC 技術(shù)在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)中得到全面應(yīng)用。在科技水平不斷提升的今天，PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)已經(jīng)從基層性系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N全新的、開放式的全分布控制系統(tǒng)。

1.2 組成結(jié)構(gòu)

CPU、通信接口、存儲器屬于PLC 的核心結(jié)構(gòu)。其中CPU 具有接收數(shù)據(jù)、執(zhí)行程序、環(huán)境診斷等功能，主要起到指揮的作用。存儲器主要用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù)、系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。通信接口能夠和其他設(shè)備進(jìn)行信息交換，包括輸出接口、輸入接口兩種，其中輸入接口可接收控制設(shè)備的信號，并借助輸電線路、光電耦合器件控制內(nèi)部電路的斷開、接通；輸出接口則是在控制程序運(yùn)行時，控制外部負(fù)載，使其根據(jù)指令進(jìn)行斷開、接通[1]。

1.3 常見分類

按照PLC 的結(jié)構(gòu)形式，可將其分為整體式、模塊式、疊裝式三種。小型PLC 多屬于整體式結(jié)構(gòu)信號，會將I/O 通信接口、電源、CPU 集中在同一機(jī)箱內(nèi)。大型PLC、中型PLC 多屬于模塊式，具有可拓展性。疊裝式是整合模塊式、整體式PLC 的優(yōu)勢，通過電纜連接的方式，讓系統(tǒng)的功能模塊能夠獨立配置，且體積小巧、設(shè)計靈活。

1.4 PLC技術(shù)的特點

關(guān)于PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)用，傳統(tǒng)機(jī)械觸點繼電器變更為輔助繼電器。輔助繼電器的節(jié)點變位持續(xù)時間短，無需考慮傳統(tǒng)繼電器返回系數(shù)，進(jìn)而使得PLC 技術(shù)的反應(yīng)速度大幅提升。PLC控制系統(tǒng)抗干擾性能優(yōu)良，具有較強(qiáng)的可靠性，在不同復(fù)雜程度的工業(yè)環(huán)境中均能有效適應(yīng)。PLC 控制系統(tǒng)的程序設(shè)置簡單、靈活，與人機(jī)界面相配合，可以將程序控制界面更直觀、形象地展現(xiàn)在技術(shù)操作人員面前，從而提高現(xiàn)場操作人員的工作效率。此外，PLC 控制系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，配套體系較為完備，功能完善，有較好的應(yīng)用價值。當(dāng)前PLC的發(fā)展重點集中在兩大方向，一種是向小型化方向發(fā)展，制造成本更低，操作簡便易行，適應(yīng)小型自動化控制設(shè)備。另一種則是向大型化方向發(fā)展，功能更加全面，應(yīng)用范圍拓寬，性能更穩(wěn)定可靠，最終可實現(xiàn)一臺電腦操作整個工廠的自動化系統(tǒng)。

2 自動化控制系統(tǒng)中PLC的技術(shù)優(yōu)勢

PLC 的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在“集中采樣”“指令信號集中輸出”等方面。比如在同一掃描周期內(nèi)，系統(tǒng)會在自動化采樣階段掃描系統(tǒng)指令輸入狀態(tài)，進(jìn)入控制程序，執(zhí)行控制指令后，自動封鎖輸入端。集中輸出指令信號時，系統(tǒng)在PLC 技術(shù)的支持下，將輸出通信信號、輸出狀態(tài)自動存儲在“寄存器”和“鎖存器”內(nèi)，刷新輸出接口，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[2]。

PLC 技術(shù)可滿足自動化系統(tǒng)的循環(huán)掃描需求，在一個掃描周期內(nèi)執(zhí)行系統(tǒng)的多個操作。但是具體開發(fā)PLC 自動化系統(tǒng)時，還應(yīng)基于功能模塊設(shè)計，明確系統(tǒng)內(nèi)位置開關(guān)、傳感器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕等輸入設(shè)備，以及電磁閥、信號指示燈、接觸器、執(zhí)行器等輸出設(shè)備。同時根據(jù)I/O 點數(shù)，分配I/O，使輸入、輸出設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)控制指令。PLC（可編程控制器）的連接、對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 PLC自動化控制系統(tǒng)輸入、輸出模塊的關(guān)系圖

3 PLC自動化控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計是PLC 自動化控制系統(tǒng)的重要設(shè)計環(huán)節(jié)，影響著系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，主要設(shè)計內(nèi)容如下。

3.1 流程設(shè)計

按照自動化控制系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計系統(tǒng)的功能模塊，并根據(jù)設(shè)計流程對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，無誤后可投入使用，基本流程如圖2所示。

圖2 PLC自動化控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖

3.2 輸入電路設(shè)計

基于PLC 技術(shù)，自動化系統(tǒng)的供電電源通常為AC85-240V，電源設(shè)計適用范圍較廣。但是為保證系統(tǒng)的抗干擾性，還應(yīng)在輸入電路設(shè)計中增設(shè)電源濾波器、隔離變壓器等電源凈化元件[3]。其中，隔離變壓器是基于“雙隔離技術(shù)”，將變壓器的次級線圈屏蔽層接PLC 輸入電路，可避免系統(tǒng)受到高低頻脈沖的干擾。PLC 輸入電路電源帶負(fù)載時，應(yīng)提前核算系統(tǒng)電源容量，預(yù)防短路，必要時可將電源容量設(shè)計為實際輸入電路功率的2 倍，并在電源裝置中加裝熔絲。

3.3 輸出電路設(shè)計

根據(jù)PLC 自動化控制系統(tǒng)的輸入頻率，選擇輸出設(shè)備。若系統(tǒng)輸入頻率小于6 次/min 時，可用繼電器作為輸出設(shè)備，對于高頻輸出的PLC 自動化控制系統(tǒng)，則需使用晶體管輸出。PLC 輸出帶有電磁線圈時，這類感性負(fù)載斷電后會沖擊PLC 的輸出情況，所以需要接續(xù)流二極管，吸收電磁線圈的負(fù)載，并接電路，保護(hù)PLC。

4 PLC技術(shù)在自動化控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

4.1 開關(guān)量控制

自動化控制系統(tǒng)中，PLC 的開關(guān)量控制尤為靈活，可控制的輸入、輸出點數(shù)最高可達(dá)幾萬點，并且由于該系統(tǒng)具有聯(lián)網(wǎng)通信功能，所以點數(shù)規(guī)模不受限制。PLC 控制系統(tǒng)開關(guān)量的主要邏輯程序較多，包括組合程序、即時程序、延時程序、隨機(jī)控制程序等。另外，PLC 的本質(zhì)是可編程控制器，所以自動化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件程序、功能模塊設(shè)計非常靈活，可結(jié)合實際情況，編寫多套、多組程序，滿足不同領(lǐng)域的生產(chǎn)需求[4]。比如在工業(yè)領(lǐng)域，PLC 可針對工業(yè)生產(chǎn)的實際工況、生產(chǎn)狀態(tài)設(shè)計自動化系統(tǒng)的控制程序。

4.2 模擬量控制

PLC 同樣可用于自動化系統(tǒng)內(nèi)模擬量的控制，包括系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、壓力或其他物理量。PLC 可作為“控制型電子裝置”，控制系統(tǒng)模擬量。模擬量控制過程中，PLC 技術(shù)可自動配置轉(zhuǎn)換模擬量、數(shù)字量的特殊I/O 單元，即A/D、D/A 單元。

A/D單元能夠?qū)⒆詣踊到y(tǒng)外電路模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入PLC 控制程序后，使其應(yīng)用D/A 單元轉(zhuǎn)化數(shù)字量，成為模擬量后再次輸送給外電路。A/D、D/A 單元屬于較為特殊的I/O 單元，具有交換信息、靈活轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路模擬量的作用，能夠協(xié)助系統(tǒng)抗干擾、隔離內(nèi)外電路。A/D 單元中的A 表示模擬量控制中的電流、電壓、溫度。D/A單元中的A一般表示電壓和電流。自動化控制系統(tǒng)中，PLC的A/D、D/A單元對電壓、電流的控制范圍包括0～5 V、0～10 V、4 mA～20 mA，可以多路控制系統(tǒng)模擬量[5]。一些中型、大型PLC 在基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換的前提下，還能夠?qū)δM量展開浮點運(yùn)算、下達(dá)PID 指令，控制模擬量偏差。

PLC 控制模擬量時，同樣可聯(lián)合應(yīng)用A/D、D/A的組合單元以及PID、模糊控制算法確保系統(tǒng)內(nèi)模擬量的控制效果。

4.3 網(wǎng)絡(luò)通信控制

PLC 具有較強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)、通信功能，能夠適應(yīng)自動化系統(tǒng)中的新聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使其和個人計算機(jī)實現(xiàn)通信。隨后由個人計算機(jī)設(shè)備參與系統(tǒng)編程、管理控制，擴(kuò)大PLC 的使用場景。不僅如此，PLC 可以對多臺計算機(jī)進(jìn)行控制，最多可達(dá)32 臺，自動化系統(tǒng)借助PLC 和計算機(jī)系統(tǒng)連接后，可以更靈活、全面地管理PLC 程序。也可以將PLC 和2 臺計算機(jī)系統(tǒng)連接，使其在通信過程中及時交換信息，便于自動化控制系統(tǒng)對設(shè)備的監(jiān)控和管理。

基于PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信功能，PLC 自動化系統(tǒng)能夠和智能儀器、變頻器等執(zhí)行裝置、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信數(shù)據(jù)交換，使自動化系統(tǒng)具有“遠(yuǎn)程控制”功能，能夠在10 km 以上的范圍內(nèi)形成局部網(wǎng)絡(luò)PLC，連接更多高端計算機(jī)、智能設(shè)備和PLC 網(wǎng)絡(luò)，滿足自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行期間的通信、信息交換需求[6]。比如，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、電氣控制領(lǐng)域，PLC 的網(wǎng)絡(luò)和通信功能可以應(yīng)用在該領(lǐng)域的自動化控制系統(tǒng)中，開發(fā)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)、智能工廠、智能化電氣控制系統(tǒng)，讓自動化控制從點到線再到面（Aero），從單一的設(shè)備控制到生產(chǎn)線、管理控制。

4.4 運(yùn)動控制

PLC 在自動化系統(tǒng)中的運(yùn)動控制優(yōu)勢非常明顯。一方面，PLC 可高頻率地接收“計數(shù)脈沖”，或是多路接收頻率為1 kHz～90 kHz 的脈沖。在此基礎(chǔ)上，自動化系統(tǒng)可憑借PLC 對脈沖的接收、輸出功能及其數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算的能力，控制機(jī)械設(shè)備，同時配合各類傳感器、脈沖伺服設(shè)備，拓展系統(tǒng)對各類設(shè)備的控制范圍[7]。另一方面，高、中檔的PLC 裝置能夠協(xié)助自動化系統(tǒng)開發(fā)NC 單元、運(yùn)動單元，使系統(tǒng)對某一設(shè)備進(jìn)行點位控制。在運(yùn)動單元的支持下，自動化系統(tǒng)可利用PLC 裝置的曲線插補(bǔ)功能，控制設(shè)備曲線運(yùn)動。因此，隨著自動化系統(tǒng)應(yīng)用場景的增多，相關(guān)企業(yè)可基于PLC 技術(shù)，配置NC 單元、運(yùn)動單元，在控制數(shù)字量、模擬量的基礎(chǔ)上，重新開發(fā)編程語言，對設(shè)備機(jī)械進(jìn)行數(shù)字控制、曲線控制。

PLC 機(jī)械能在運(yùn)動控制時，監(jiān)控設(shè)備的不同部件，評估自動化系統(tǒng)以及各類機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)動軌跡。在此期間，PLC 可以按照設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的變化，掌握設(shè)備狀態(tài)，集成處理設(shè)備，管理設(shè)備損耗，發(fā)現(xiàn)設(shè)備部件受損、設(shè)備故障后快速定位，及時更新、處理設(shè)備部件。

本文以PLC 電氣自動化系統(tǒng)為例。PLC 技術(shù)的應(yīng)用有利于提升電氣設(shè)備、系統(tǒng)的運(yùn)行效率。比如在對電氣設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動控制時，PLC 控制器可控制電氣設(shè)備的曲線運(yùn)動、直線運(yùn)動。采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)時，可通過電子掃描自上而下地掃描電氣設(shè)備，記錄電氣設(shè)備數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)。將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)I/O 映像的對應(yīng)單元后，由系統(tǒng)輸出執(zhí)行指令，分析RAM存儲區(qū)域內(nèi)設(shè)備的實際情況。另外，由于PLC 技術(shù)可應(yīng)用在伺服電機(jī)、驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)中，所以電氣自動化控制系統(tǒng)可利用PLC 的運(yùn)動控制功能，開發(fā)機(jī)械制造、機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)[8]。

4.5 數(shù)據(jù)采集

自動化控制系統(tǒng)中，PLC 技術(shù)能夠在系統(tǒng)的現(xiàn)場控制中提供數(shù)據(jù)采集服務(wù)。即應(yīng)用PLC 采集現(xiàn)場模擬量，并在觸摸屏的支持下遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)程序，實時監(jiān)測設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)整設(shè)備參數(shù)，以電氣自動化控制系統(tǒng)為例。

在電氣自動化控制系統(tǒng)中，PLC 技術(shù)可通過矢量、閉環(huán)控制，滿足系統(tǒng)監(jiān)測電氣設(shè)備、電氣系統(tǒng)的需求，同時通過PLC 冗余控制器、PLC 冗余系統(tǒng)，控制高危險性的電氣設(shè)備，監(jiān)測該類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，定期向用戶提供預(yù)警信息[9]。開發(fā)電子自動化系統(tǒng)時，PLC 技術(shù)可應(yīng)用于副斜井提升機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)建雙PLC 系統(tǒng)，分別提供PLC 主控服務(wù)、PLC 電子監(jiān)控服務(wù)，用雙線控制的技術(shù)模式維護(hù)電控系統(tǒng)安全運(yùn)行，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的數(shù)字監(jiān)測、自動化通信管理。

將PLC 冗余技術(shù)應(yīng)用于自動化電氣控制系統(tǒng)時，PLC 作為可編程控制器，能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)的軟件、硬件進(jìn)行冗余控制，監(jiān)控管理系統(tǒng)。同時以系統(tǒng)上位機(jī)為核心，分別控制系統(tǒng)信號系統(tǒng)、變頻器、PLC 系統(tǒng)控制器，打造集成化的PLC 電氣自動化控制系統(tǒng)。比如，在電氣生產(chǎn)中，PLC 電氣自動化系統(tǒng)能夠維護(hù)電氣生產(chǎn)中副斜井提升機(jī)的可靠性，即在I/O 端口，精確下達(dá)電控指令，自動控制提升機(jī)的“上升啟動”“動力制動”操作，同時監(jiān)測提升機(jī)運(yùn)行速度，發(fā)現(xiàn)超速后預(yù)警、顯示超速信息，并進(jìn)行自動化調(diào)速[10]。

技術(shù)原理是PLC 會接收系統(tǒng)發(fā)送的脈沖信號，然后使兩段電阻連接主電路，讓提升機(jī)自動減速，減速后爬行。PLC 技術(shù)可減少減速控制指令對提升機(jī)造成的沖擊，提升電控系統(tǒng)自動化控制水平，降低設(shè)備故障率，增強(qiáng)系統(tǒng)控制模塊的靈活性、可靠性。

5 結(jié)語

綜上所述，在自動化控制領(lǐng)域，PLC 技術(shù)多用于電氣控制及其他領(lǐng)域自動化系統(tǒng)的開發(fā)中，該技術(shù)能夠進(jìn)一步完善自動化系統(tǒng)的功能模塊，增強(qiáng)其智能化程度。但不同應(yīng)用場景的自動化系統(tǒng)，PLC 的技術(shù)優(yōu)勢有所差異，還需結(jié)合實況，詳細(xì)分析PLC 的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動控制、現(xiàn)場控制等功能，合理開發(fā)PLC 自動化控制系統(tǒng)，以提升我國電氣控制、工業(yè)控制的智能化水平，助力我國社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。