PLC在工業(yè)自動化控制中的應(yīng)用研究

摘 要：本文對PLC進(jìn)行了概述，介紹了PLC的特點、基本結(jié)構(gòu)以及PLC的工作原理。以西門子公司PLC為例介紹了S7-200、300、400系列PLC的特點以及適用場合。以S7-300系列PLC介紹了PLC的選型方法，最后通過案例介紹了PLC在工業(yè)自動化控制中的應(yīng)用。

1 PLC概述

1.1 PLC概述

PLC自二十世紀(jì)70年代問世以來，即在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和不斷的發(fā)展進(jìn)步，從最初的僅僅具有簡單的邏輯運算能力和開關(guān)量輸入輸出功能到現(xiàn)如今的功能豐富強(qiáng)大，在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)了不可替代的一席之地。PLC具備的特點主要有：

①編程方法簡便、易學(xué)、易上手;②可靠性強(qiáng)，具有較強(qiáng)大的抗干擾能力;③功耗低、體積小;④前期安裝、使用、調(diào)試以及后期維護(hù)、維修、更改等操作簡便，工作量小;⑤功能強(qiáng)大，擴(kuò)展模塊豐富，擴(kuò)展能力強(qiáng)大[1]。

1.2 PLC基本結(jié)構(gòu)

PLC基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由中央處理器（CPU）、存儲器（ROM/RAM）、輸入輸出接口（I/O）、通訊接口、電源模塊、以及其他擴(kuò)展模塊組成。CPU是PLC的最重要的核心。

圖1 ?PLC基本結(jié)構(gòu)

1.3 PLC工作原理

PLC工作過程如圖2所示，其工作過程主要分為輸入采樣、執(zhí)行用戶程序以及刷新輸出三個階段。完成這三個階段所用時間即為PLC的一個掃描周期。

圖2 ?PLC工作過程

①輸入采樣階段。PLC的CPU將讀取到的輸入端子的輸入信號輸入至輸入映像寄存器。

②執(zhí)行用戶程序階段。CPU對用戶編寫的程序進(jìn)行從上到下，從左到右逐行掃描執(zhí)行，根據(jù)輸入、輸出映像寄存器以及內(nèi)存數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果存儲到輸出映像寄存器。

③刷新輸出階段。根據(jù)程序執(zhí)行后的結(jié)果，將輸出映像寄存器的輸出信號送至輸出端子上，完成刷新輸出階段[2]。

2 PLC的選型

2.1 常用PLC及特點

以西門子公司生產(chǎn)的PLC為例，西門子公司的S7-300系列的PLC屬于中型PLC。它可以處理的開關(guān)量輸入/輸出點數(shù)能夠達(dá)到256到1024個，同時它對模擬量處理的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于S7-200系列的PLC。S7-300系列PLC的處理數(shù)據(jù)速度、數(shù)字計算能力、網(wǎng)絡(luò)通信能力要優(yōu)于S7-200系列，并且相對于S7-200系列擁有更加完善、更加豐富的指令，比如在處理模擬量輸入時，S7-200系列需要編寫大段程序才能將從傳感器采集到的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)為數(shù)字量然后再轉(zhuǎn)化為人們能夠直觀看到的實際值，需要用到超過6個以上的數(shù)學(xué)運算及傳送指令，而S7-300系列只需要調(diào)用一個已經(jīng)由軟件本身自帶的功能模塊，簡單的設(shè)置幾個參數(shù)便可以輕松讀取傳感器測量到的實際值;再比如S7-300系列對高速脈沖計數(shù)的處理能力比S7-200系列更加簡潔及完善。S7-300系列相對于S7-400系列來說，價格相對低廉，不會造成功能上的過度浪費。

西門子公司的S7-400系列PLC屬于大型PLC。它能夠處理1024個開關(guān)量輸入/輸出點數(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信能力非常強(qiáng)大，因此比較適合分布式控制領(lǐng)域或者是規(guī)模比較大的過程控制領(lǐng)域。

2.2 PLC選型

以西門子公司S7-300系列PLC為例，簡單介紹PLC選型。

2.2.1 CPU選型

S7-300系列PLC的CPU型號繁多，有適合普通用戶的普通型、適合在惡劣條件下使用的戶外型及緊湊型等，能夠適合于各種場合的要求。我們需要選取適合要求的CPU，然后搭配相應(yīng)的通信及功能模塊。S7-300系列與上位機(jī)通信一般可以采用MPI多點接口、Profibus總線以及工業(yè)以太網(wǎng)等，MPI協(xié)議適合屬于對通信速率要求不高，通信距離較短的一種簡單的經(jīng)濟(jì)的通信方式。Profibus是一種開發(fā)的通信協(xié)議，可以使得PLC能夠與西門子產(chǎn)品之外的設(shè)備進(jìn)行通信。工業(yè)以太網(wǎng)則是適合傳輸速度要求極高，傳輸距離遠(yuǎn)的場合。314C-2DP緊湊型CPU為一款應(yīng)用較多的CPU。314C-2DP緊湊型CPU本身自帶一個最大傳輸速率為187kbit/s，傳輸距離為50M的MPI多點接口及一個可用于Profibus總線的DP端口，滿足了系統(tǒng)的通信要求。

2.2.2 數(shù)字量輸入模塊的選型

S7-300系列根據(jù)輸入電壓、點數(shù)等因素的不同生產(chǎn)了各種不同規(guī)格型號的SM321數(shù)字量輸入模塊，各個型號的參數(shù)如表1所示。

表1 ?數(shù)字量輸入模塊

[型號＼&輸入電壓＼&點數(shù)＼&電流消耗＼&6ES7 321-1BH02-0AA0

6ES7 321-1BL00-0AA0

6ES7 321-1CH00-0AA0

6ES7 321-1CH80-0AA0

6ES7 321-1EL00-0AA0

6ES7 321-1FF01-0AA0＼&24V DC

24V DC

24-48V AC/DC

48-125V DC

120V AC

120/230V AC＼&16

32

16

16

32

8＼&10mA

15mA

100mA

40mA

16mA

100mA＼&]

2.2.3 數(shù)字量輸出模塊的選型

各種不同規(guī)格型號的SM322數(shù)字量輸出模塊的參數(shù)如表2所示。

2.2.4 模擬量輸入模塊的選型

模擬量輸入類型有4-20mA、0-10V、0-5V等多種類型，S7-300系列的模擬量輸入的模塊能夠是同時輸入多種類型兼容的模塊，這在S7-200系列是不可能的，S7-200系列的一個模塊上僅允許同時接入同一種類型的模擬量，但在S7-300系列的模擬量輸入模塊中可以實現(xiàn)，可以在硬件組態(tài)時，進(jìn)入該模塊的屬性中修改測量范圍。模擬量輸入模塊種類如表3。

表3 ?模擬量輸入模塊

[型號＼&點數(shù)＼&0-10V電壓輸入＼&4-20mA電流輸入＼&分辨率＼&6ES7 331-7KF02-0AB0

6ES7 331-7HF01-0AB0

6ES7 331-1KF02-0AB0

6ES7 331-7PF01-0AB0＼&8

8

8

8＼&不允許

不允許

允許

不允許＼&允許

允許

允許

不允許＼&15位

14位

13位

16位＼&]

3 PLC在工業(yè)自動化控制中的應(yīng)用

3.1 順序控制 相比于傳統(tǒng)以繼電器為順序控制核心，使用PLC進(jìn)行工業(yè)中的順序控制，大大簡化了電路的復(fù)雜程度， 降低了勞動力成本以及后期維修的難度。在PLC編程軟件中，通過簡單修改梯形圖即可完成對設(shè)備順序控制動作的建立以及修改，而不需要對外部電路進(jìn)行修改。傳統(tǒng)繼電器控制方法，如果控制動作需要稍作修改，則需要有大量的線路需要隨之更改。這也是PLC最基本的優(yōu)勢所在。

3.2 過程控制 PLC具有豐富的模擬量采集擴(kuò)展模塊，能夠根據(jù)工業(yè)過程控制的不同要求，對溫度、電流、電壓、流量等模擬量進(jìn)行實時采集，并通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理器轉(zhuǎn)換為PLC能夠識別的數(shù)字信號，指導(dǎo)PLC對工業(yè)過程控制的外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。基于PLC的過程控制在化工、冶金等領(lǐng)域有著廣泛而不可替代的應(yīng)用。

3.3 運動控制 大部分PLC的 CPU中均集成有高速脈沖輸出接口，能夠完成工業(yè)領(lǐng)域的運動控制任務(wù)，其豐富而強(qiáng)大的高速脈沖輸出擴(kuò)展模塊更加能夠拓展PLC運動控制的軸數(shù)。以西門子公司的小型PLC S7-200 SMART為例，其CPU本身即帶有3軸 100kHz的高速脈沖輸出接口，可以通過簡單設(shè)置向?qū)崿F(xiàn)PWM或運動控制輸出，從而控制伺服電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)的速度、位置，足夠滿足工業(yè)運動控制的精度要求。

3.4 遠(yuǎn)程控制 PLC提供了豐富的數(shù)據(jù)通訊接口，如以太網(wǎng)接口、RS232以及RS485接口等等，具備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通訊能力以及滿足不同通訊要求的各種通訊協(xié)議。在較遠(yuǎn)的通訊傳輸距離時，PLC可以使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，與上位機(jī)進(jìn)行通訊組網(wǎng)，在較近的通訊傳輸距離時，PLC可以使用PPI協(xié)議和HMI或其他PLC分站進(jìn)行通訊，PLC可以使用MODBUS協(xié)議、Profibus-DP總線以及其他總線將數(shù)量龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)群和上下位機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，實現(xiàn)實時互聯(lián)通訊。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜磊.PLC在工業(yè)自動化控制中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2015，02：21-22.

[2]張明光.PLC在工業(yè)自動化控制中的應(yīng)用研究[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2012，07：61-62.

作者簡介：劉晉瑋，1985.02.10，南京炮兵學(xué)院，計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，第二學(xué)位：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，機(jī)械工程與自動化，職稱是程序員。