基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用

程瑋瑋

（江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇宿遷，223600）

0 引言

可編程序控制器（ Programmable Logical Controller，PLC）是一種以微處理器為核心，融合通信技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，并且具有編程簡(jiǎn)單靈活、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)的新型工業(yè)自動(dòng)化裝置，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的生產(chǎn)中。

1 基于PLC控制系統(tǒng)工程的工作原理

PLC技術(shù)是一種以微處理器為核心的特殊計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的以繼電器控制的硬件邏輯控制相比，PLC是硬件軟化的結(jié)果，在系統(tǒng)的運(yùn)行方式上也存在本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用的是并行工作模式，當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)繼電器的線圈通電或失電的情況下，該繼電器的所有觸點(diǎn)也同步的產(chǎn)生動(dòng)作。但PLC采用的是順序掃描，不斷循環(huán)的工作模式，如果系統(tǒng)中的一個(gè)邏輯線圈在通電或失電的情況下，該繼電器的所有觸電不會(huì)同步的產(chǎn)生動(dòng)作，只有當(dāng)掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生工作。PLC 對(duì)程序的執(zhí)行過(guò)程分為以下三個(gè)部分。

(1)輸入處理階段

PLC系統(tǒng)在執(zhí)行控制程序之前，中央處理器CPU將端口所有的輸入信號(hào)按照地址中出現(xiàn)的編碼順序?qū)ζ溥M(jìn)行編程，并存儲(chǔ)到輸入存儲(chǔ)器中，隨后開(kāi)始執(zhí)行控制程序。

(2)程序執(zhí)行階段

PLC在執(zhí)行程序階段，按照順序?qū)τ脩?hù)的程序進(jìn)行掃描，在執(zhí)行完一條程序后，所需要的數(shù)據(jù)信息將經(jīng)過(guò)寄存器由程序讀出，并且參與到程序的運(yùn)算中，然后將運(yùn)算所得結(jié)果編程后存放到相關(guān)的寄存器中。在執(zhí)行程序的過(guò)程中，即使輸入端的狀態(tài)發(fā)生變化，但在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)不會(huì)隨之而發(fā)生變化，只有等待掃描周期結(jié)束后CPU才會(huì)對(duì)新的輸入狀態(tài)進(jìn)行重新的讀取。

(3)輸出處理階段

當(dāng)PLC執(zhí)行完程序所有指令后，會(huì)將所有程序的運(yùn)算結(jié)果輸入到輸出鎖存寄存器中，然后傳送到程序的執(zhí)行終端進(jìn)行處理。

2 基于PLC控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)

基于PLC控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的軟硬件功能。由于PLC充分的融合各種軟件技術(shù)，使得其不僅可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、順序的控制、邏輯的運(yùn)算、算數(shù)的運(yùn)算，而且還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、模擬運(yùn)算、報(bào)表生成、打印等多種功能，并且PLC的編程語(yǔ)言非常豐富，具有直觀方便、編程靈活等特點(diǎn)。

基于PLC控制系統(tǒng)的使用維護(hù)比較方便。PLC的輸入與輸出端口是根據(jù)不同需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而且可直接與控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行端口的連接。如輸入端口可以與傳感器、開(kāi)關(guān)等相連，而輸出端口可以與電磁閥、接觸器、繼電器等相連，而且使用都很簡(jiǎn)單。同時(shí)對(duì)于PLC控制系統(tǒng)的后期維護(hù)也比較方便，只需要利用其自帶的監(jiān)控功能與診斷功能，就能快速的找到控制系統(tǒng)發(fā)生故障的地方。

基于PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。PLC是專(zhuān)為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的一種新型裝置，除了需要對(duì)其元器件進(jìn)行嚴(yán)格的甄選之外，還需要使得PLC的可編程控制器能夠具備很強(qiáng)的抗干擾能力，避免環(huán)境因素對(duì)控制系統(tǒng)造成影響。

3 基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟

在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，分析系統(tǒng)控制與編制軟件是兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。其中，分析系統(tǒng)的控制任務(wù)是為了能夠明確PLC控制系統(tǒng)所需要的硬件構(gòu)成，弄清楚軟件編程的工作過(guò)程；編制軟件是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的執(zhí)行動(dòng)作。

首先，分析控制系統(tǒng)的具體任務(wù)。在該步驟中，需要將系統(tǒng)復(fù)雜的任務(wù)進(jìn)行劃分若干個(gè)相互獨(dú)立的子任務(wù)，這樣可以有效的減小控制系統(tǒng)的規(guī)模，并且降低系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率。

其次，分析各個(gè)子任務(wù)的具體執(zhí)行過(guò)程。在該步驟中，需要畫(huà)出各個(gè)子任務(wù)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作關(guān)系邏輯圖，并且根據(jù)系統(tǒng)要求列出輸入信號(hào)、輸出信號(hào)及要求實(shí)現(xiàn)的非邏輯功能。其中，對(duì)于接觸器的輔助觸點(diǎn)由于在通常情況下不需要輸入PLC，因此不作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)；對(duì)于系統(tǒng)中的限位開(kāi)關(guān)、按鈕等輸入信號(hào)，只能占用一個(gè)輸入點(diǎn)。

然后，選擇PLC的型號(hào)。在該步驟中，選擇PLC型號(hào)時(shí)需要考慮控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的數(shù)量、非邏輯功能、空間分布等各方面的綜合情況，從而挑選出合理的、經(jīng)濟(jì)的PLC型號(hào)，進(jìn)一步選擇器所需要的元器件。

再次，根據(jù)所選PLC型號(hào)及系統(tǒng)控制需求，合理的分配系統(tǒng)的輸入輸出端口，同時(shí)繪制出控制系統(tǒng)的硬件原理圖和設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的主回路。用輸入信號(hào)的開(kāi)關(guān)板模擬系統(tǒng)的輸入信號(hào)，根據(jù)工作邏輯關(guān)系圖進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行模擬調(diào)試，考察設(shè)計(jì)人員所編寫(xiě)的PLC程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。

最后，對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行。主要是對(duì)PLC控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中所有的性能和功能進(jìn)行全面的檢測(cè)與監(jiān)控，倘若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就應(yīng)該立即停機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)及時(shí)找出原因，給予相應(yīng)的修改和調(diào)整。在設(shè)計(jì)結(jié)束后期撰寫(xiě)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)文件，包括PLC控制原理圖、元器件明細(xì)表、參數(shù)說(shuō)明、控制軟件、使用說(shuō)明書(shū)等重要內(nèi)容。

4 基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在通過(guò)控制交通信號(hào)燈，來(lái)保障道路交通車(chē)輛及行人的人身安全，同時(shí)便于道路有效的疏導(dǎo)交通。交通信號(hào)燈在人們的道路出行中起到非常重要的作用，但隨著科技的不斷完善，傳統(tǒng)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)已然無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)代交通狀況管理控制的實(shí)際需求，那么當(dāng)前就面臨著如何對(duì)現(xiàn)有交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行改善，使其能夠與時(shí)俱進(jìn)，滿(mǎn)足人們的生活和交通管理的需求。下面以西門(mén)子SIMATICs7—200系列PLC為基礎(chǔ)平臺(tái)，介紹PLC在十字路口交通信號(hào)燈控制中的應(yīng)用體現(xiàn)。

(1)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)控制要求

某十字路口的交通信號(hào)設(shè)置如1所示，南北方向?yàn)橹鞲傻?，綠燈亮的時(shí)間比東西方向綠燈亮的時(shí)間多一倍，其具體的控制要求：（1）在交通信號(hào)燈接通啟動(dòng)按鈕之后開(kāi)始正常工作，東西向的綠燈與南北向的紅燈同時(shí)亮起；（2）南北方向的數(shù)碼顯示應(yīng)該是紅燈、黃燈、綠燈同步，且與東西方向顯示一樣。（3）當(dāng)南北方向綠燈亮起時(shí)，南北方向與東西方向的數(shù)碼均應(yīng)該顯示33（綠燈亮30s,黃燈亮3s)，然后每秒減1，當(dāng)數(shù)碼變?yōu)?時(shí)，應(yīng)該換成東西方向的綠燈亮，南北方向的紅燈亮，此時(shí)，數(shù)碼管應(yīng)顯示33，然后每秒減1，當(dāng)數(shù)碼變?yōu)?時(shí)，再進(jìn)行切換，完成一次的紅綠燈工作循環(huán)。

圖1 某十字路口交通信號(hào)燈設(shè)置

(2)PLC型號(hào)選擇與I/O分配

根據(jù)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的具體要求，PLC控制系統(tǒng)需要6個(gè)開(kāi)關(guān)模擬量對(duì)上述的交通信號(hào)燈進(jìn)行控制，同時(shí)還需要配置啟動(dòng)按鈕與停止按鈕。在該控制系統(tǒng)中選用西門(mén)子SIMATICs7—200系列中的CPU 224，PLC控制的I/O點(diǎn)分配如表1所示。

表1 PLC控制的I/O點(diǎn)分配

（3）PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及分析

根據(jù)交通信號(hào)燈工作原理及I/O點(diǎn)分配，對(duì)控制系統(tǒng)的程序采用梯形語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)。由于PLC內(nèi)部包含了豐富的定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)了交通控制系統(tǒng)的全自動(dòng)化和全程監(jiān)管功能，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和控制的精確性。

5 結(jié)語(yǔ)

交通信號(hào)燈的控制系統(tǒng)僅僅是PLC控制系統(tǒng)工程應(yīng)用中一個(gè)比較熟悉的典型應(yīng)用，其當(dāng)前的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的各行各業(yè)中，甚至已經(jīng)滲透到人們的日常生活中。作為一種操作簡(jiǎn)單、維修方便的新型控制裝置，PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)等各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，逐漸的當(dāng)代工業(yè)控制領(lǐng)域中發(fā)揮著不可估量的作用。