機(jī)械電氣控制中可編程邏輯控制器技術(shù)的應(yīng)用

楊 帆

（葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司，湖北宜昌 443000）

0 引言

電氣控制是一個綜合性極強(qiáng)的領(lǐng)域，涉及電機(jī)及電力拖動、電力電子技術(shù)、可編程控制、工廠電器控制設(shè)備、過程控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、單片機(jī)及接口技術(shù)等等多個專業(yè)領(lǐng)域。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是其中一個重要組成部分，目前自動化控制的核心之一就是可編程控制器。機(jī)械電氣控制中，隨著PLC的大量應(yīng)用使機(jī)械電氣控制逐步實現(xiàn)自動化，乃至有可能在未來實現(xiàn)智能化，所以PLC是非常關(guān)鍵的一環(huán)。

1 可編程控制器

可編程控制器，一般稱PLC，在可編程控制器市場來看，PLC是市場上的主流裝備。它是作為自動化控制的核心設(shè)備所存在的。在目前的工控領(lǐng)域，PLC一直都是核心設(shè)備，事先設(shè)定好運行程序，輔以相應(yīng)的傳感裝置，傳動裝置，變頻裝置等，就可在運行程序的操縱下實現(xiàn)自動控制，一般情況下，PLC只要運行正常，與其相配套的設(shè)施設(shè)備就可以按照設(shè)定的程序正常運行，同時PLC的在線診斷功能可以很好地保證整套系統(tǒng)的正常運行。在機(jī)械電氣控制領(lǐng)域，PLC具備超強(qiáng)的適應(yīng)能力。

（1）非常高的可靠性和抗干擾能力。PLC的輸入和輸出擁有各自獨立的電源，直接避免出現(xiàn)干擾，而輸入模塊和輸出模塊是相互獨立的，二者之間采用光電隔離的方式分開。同時內(nèi)部擁有監(jiān)控電路，可以實時監(jiān)控CPU運行狀況。主機(jī)外部擁有高抗震性，防塵性，內(nèi)部則采取有效措施控制干擾。隨著微電子技術(shù)越來越強(qiáng)大，PLC的高可靠性和抗干擾能力還會更強(qiáng)。

（2）強(qiáng)大的通用性，可以輕易根據(jù)實際情況進(jìn)行改造和安裝。PLC擁有非常豐富的接口，這些接口可以配置適應(yīng)各種應(yīng)用場景的設(shè)備和I/O模塊，而且模塊化的設(shè)計模式，使得各類模塊可以即插即用，對于機(jī)電一體化設(shè)備而言是非常理想的裝備。正是這種特點決定了PLC的高通用性，衍生出各類適應(yīng)不同應(yīng)用場景的模塊，按照需求安裝，就可以實現(xiàn)各種自動控制功能。在使用PLC的過程中，用戶可以按照自己的需求選擇適配的模塊對PLC進(jìn)行改造，并且可以對PLC的程序進(jìn)行調(diào)整，這個功能同樣可以實現(xiàn)各種控制功能。

（3）PLC擁有強(qiáng)大的功能，可適應(yīng)多種自動控制應(yīng)用場景。PLC的基礎(chǔ)功能就包括但不限于計時、計數(shù)、邏輯控制、人機(jī)對話、在線自檢等。在精通PLC的人員手下，PLC還可以通過程序的調(diào)制實現(xiàn)各種功能，功能十分強(qiáng)大。

（4）PLC編程簡單易學(xué)，很容易上手。PLC編程采用梯形圖，這種編程形式近似繼電器原理圖，在不懂計算機(jī)編程的情況下，也能夠比較直觀的看懂PLC的程序。

2 PLC的應(yīng)用模式

從PLC的功能來說，在自動控制當(dāng)中，PLC的應(yīng)用模式一般包括開關(guān)量控制、閉環(huán)控制、運動控制、集成控制等。

（1）開關(guān)量控制，這是PLC應(yīng)用比較普遍的一種模式，即用PLC替換繼電器，利用PLC來實現(xiàn)邏輯控制，適應(yīng)多種應(yīng)用場景，既能對單臺設(shè)備進(jìn)行控制，也能控制一整條生產(chǎn)線，比如印刷機(jī)、包裝生產(chǎn)線等。

（2）閉環(huán)控制，這是一種過程控制方式，也即是模擬量控制，針對的是生產(chǎn)過程當(dāng)中一些有連帶關(guān)系的量，比如說速度、溫度等，這些量一般稱模擬量，它們是處在一定變化中的，在PLC的專用模塊中可實現(xiàn)A/D或者D/A之間的相互轉(zhuǎn)化。一般來講機(jī)械運動中一些變量是很容易進(jìn)行監(jiān)控的，比如溫度、速度，這些變量在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中就是非常有效的自動控制參數(shù)。

（3）運動控制，PLC有一類運動控制模塊，這類模塊可以實現(xiàn)對直線運動和圓周運動的控制，這類模塊可實現(xiàn)對異步電機(jī)、伺服電機(jī)的控制。在一些高檔的PLC中配置有NC（Numerical Control，數(shù)字控制）單元，利用數(shù)字量，可實現(xiàn)點位控制。

（4）集成控制是在微電子技術(shù)大力發(fā)展的基礎(chǔ)上，PLC朝著微機(jī)化方向集成，使其逐漸具備多層控制系統(tǒng)，在結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)PLC與上層PC，以及PLC與PLC之間的集成控制。

3 機(jī)械電氣控制中PLC的應(yīng)用

3.1 機(jī)械電氣控制中的PLC

機(jī)械電氣控制需要用到很多電氣設(shè)備，比如繼電器。繼電器是一種根據(jù)特定形式的輸入信號而動作的自動控制電器，例如說速度繼電器，它用來反映轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向變化，一般用于異步電動機(jī)的反接制動控制，同時它一般與接觸器配合實現(xiàn)對電動機(jī)的反接制動控制。

例如，三相異步電機(jī)直接啟動控制電路，最簡單的控制電路可以用一個刀閘開關(guān)控制電機(jī)的啟動運行和停車。不過實際在機(jī)械電氣控制當(dāng)中要實現(xiàn)自動控制，電路中往往需要借助各種開關(guān)、繼電器、接觸器等電器元件（這類電器元件一般稱主令電器），這些電器元件可以根據(jù)操作人員所發(fā)出的控制指令信號實現(xiàn)對電機(jī)的自動控制、保護(hù)和監(jiān)測等。

普通車床一般由床身、主軸變速箱、主軸（帶卡盤）、掛輪箱、給進(jìn)箱、溜板箱、溜板與刀架、尾架、絲桿等組成，這類車床采用機(jī)械方法調(diào)速和反轉(zhuǎn)傳動，對主軸電機(jī)沒有電氣調(diào)速和反轉(zhuǎn)的要求，而在車削加工時，刀具和工件會出現(xiàn)高溫，此時需要一臺冷卻泵電機(jī)來提供冷卻液，一般這個電機(jī)會在主軸電機(jī)啟動后啟動，停機(jī)后則停機(jī)，是一種順序控制。這些控制需要人工手動按按鈕或開啟開關(guān)來實現(xiàn)。

3.2 機(jī)械電氣控制中PLC應(yīng)用類型

當(dāng)PLC進(jìn)入機(jī)械電氣控制領(lǐng)域，就成為核心的裝備，在機(jī)械電氣控制當(dāng)中，一般通過2種方式來實現(xiàn)PLC的自動控制，包括現(xiàn)場總線和集散型控制。

（1）現(xiàn)場總線控制，在機(jī)械電氣控制中，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus control system，F(xiàn)CS）本身就是PLC技術(shù)的一種比較重要的形式，是實現(xiàn)有效自動控制乃至實現(xiàn)智能化控制的一種有效方式。所有的核心都是PLC，圍繞PLC建立通信網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)通上層管理系統(tǒng)，下層控制動作設(shè)備。

（2）集散型控制系統(tǒng)（Distribution Control System，DCS），這類形式在PLC技術(shù)的應(yīng)用中比較常用，可以有效的實現(xiàn)對機(jī)械電氣控制裝置的分散控制，并進(jìn)行集中管理。這種模式能夠最大可能的實現(xiàn)機(jī)械電氣控制當(dāng)中危險部分的分離，并由此做好有效的監(jiān)控。一般這種控制方式，通常所發(fā)揮的作用是保證機(jī)械電氣控制裝備的安全穩(wěn)定，進(jìn)而實現(xiàn)更加高效的運作。

4 機(jī)械電氣控制中PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計原則

PLC控制系統(tǒng)不同于機(jī)械電氣控制中常見的繼電器、接觸器控制系統(tǒng)，二者之間存在本質(zhì)區(qū)別，繼電器、接觸器控制系統(tǒng)，本質(zhì)上還需要人工操作相應(yīng)的主令電器才能實現(xiàn)對機(jī)械的控制。而PLC則是通過相應(yīng)的控制模塊及其控制程序輔以相應(yīng)的變頻設(shè)備等，實現(xiàn)對機(jī)械的自動控制。所以在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，要充分考慮幾個基本原則。

（1）系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備、機(jī)械、工藝的全部動作。

（2）要滿足設(shè)備、機(jī)械對產(chǎn)品加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率的要求。

（3）要確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的工作。

（4）要能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能的簡化，降低生產(chǎn)制造的成本。

（5）要充分提高自動化程度，減輕勞動強(qiáng)度。

（6）改善操作性能，便于維修。

4.2 PLC控制系統(tǒng)選用依據(jù)

從經(jīng)濟(jì)性上考慮機(jī)械電氣控制系統(tǒng)在設(shè)計當(dāng)中是否需求PLC，還需要考慮很多的因素，當(dāng)然從生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級的角度來說，則不需要考慮這些。當(dāng)預(yù)算有限的情況下，就需要考慮PLC控制系統(tǒng)是否具有經(jīng)濟(jì)性。在這種情況一般優(yōu)先考慮唄控制對象是否處于較差的環(huán)境，而且工作過程的可靠性、安全性要求高，繼電器、接觸器控制不能滿足要求時，選用PLC。當(dāng)被控制對象的工藝流程以及所要加工的產(chǎn)品類型經(jīng)常出現(xiàn)變化，需要經(jīng)常對控制電路進(jìn)行修改并且繼電器、接觸器難以實現(xiàn)時，可選用PLC。當(dāng)控制系統(tǒng)中I/O點數(shù)較多時，且控制要求復(fù)雜，繼電器-接觸器需要用到大量的中間電器元件時可選用PLC。當(dāng)控制系統(tǒng)需要與其他設(shè)備實現(xiàn)實時通信（或聯(lián)網(wǎng)）時可考慮PLC。

4.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程

（1）分析被控制對象、控制過程和要求、工藝流程，列出所有功能和指標(biāo)后，對比PLC、繼電器控制、工業(yè)控制系統(tǒng)，確定最佳控制裝備。

（2）根據(jù)分析得出的結(jié)論選擇輸入和輸出設(shè)備，確定系統(tǒng)的總體配置。所選輸入設(shè)備包括按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)、傳感器等。輸出設(shè)備則包括接觸器、電磁閥、指示燈等。

（3）則根據(jù)系統(tǒng)總體配置，選取PLC。一般先根據(jù)統(tǒng)計的I/O點數(shù)加上20%左右的擴(kuò)展余量，估算I/O點數(shù)，并根據(jù)數(shù)字量I/O點數(shù)的15倍左右以及模擬量I/O點數(shù)的100倍，加以考慮25%的余量作為PLC存儲器容量。然后在選擇PLC的功能，包括運算能力、控制功能、通信功能、編程、診斷等。

（4）根據(jù)定型的PLC確定電源。

（5）當(dāng)以PLC為核心的控制系統(tǒng)硬件安裝完成后，就需要針對特定的控制功能進(jìn)行程序設(shè)計。一般來說在進(jìn)行程序設(shè)計時，應(yīng)先繪制系統(tǒng)控制流程圖，表明動作順序和條件，然后設(shè)計梯形圖，這是程序設(shè)計中非常關(guān)鍵也是比較難的一步，對控制要求的熟悉程度必須要求，而且要具備一定電氣設(shè)計經(jīng)驗。

4.4 PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用案例

例如，工藝要求當(dāng)啟動控制按鈕按下時，泵1和泵2通電啟動，泵1將循環(huán)槽中的冷卻液抽入冷卻槽中，冷卻液再經(jīng)過沉淀槽沉淀后，由泵2抽入循環(huán)槽。循環(huán)運行15 min后，2個泵停機(jī)。在生產(chǎn)過程當(dāng)中，即泵1和泵2運行過程中，沉淀槽有高、低2個液面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測液面，當(dāng)沉淀槽中冷卻液液面達(dá)到一定高位時，液位高位液面?zhèn)鞲衅魍娺\行，此時泵1停機(jī)，泵2繼續(xù)工作。而當(dāng)沉淀槽液面達(dá)到低位液面時，低位傳感器發(fā)生作用，此時泵2停機(jī)，泵1運行。在整個控制電路中停止按鈕按下時，雙泵停機(jī)。

基于上述PLC控制系統(tǒng)設(shè)計方面的分析，實驗對象中有4個輸入點，即啟動按鈕、停止按鈕、高位液面?zhèn)鞲衅?、低位液面?zhèn)鞲衅?。而輸出點數(shù)為2個，即2個水泵的控制接觸器，I/O點數(shù)6個。整個控制工藝相對簡單，不過這類生產(chǎn)工藝變動較大，并且對擴(kuò)展功能要求較高，同時對系統(tǒng)可靠性、抗干擾能力要求較高，經(jīng)過分析后選用PLC。

由上述分析中可知，控制系統(tǒng)有4個開關(guān)量輸入（即4個輸入點），2個開關(guān)量輸出點，電壓基本為交流220 V，驅(qū)動功率要求不高，基本不需要考慮額外輸出功率，所以不存在模擬輸出/輸入。因此PLC不需要模擬量輸入/輸出模塊。

據(jù)此可配置出系統(tǒng)的相關(guān)硬件。并由此開始軟件設(shè)計。此時先明確動作順序，啟動按鈕啟動后，輸出繼電器得電，泵1、泵2啟動，定時器輔助繼電器得電，設(shè)定15 min工作定時，到達(dá)15 min后，輔助繼電器斷電，停止計時，輸出繼電器斷電，雙泵停機(jī)，而當(dāng)高液面到達(dá)時，泵2延時1 min停機(jī)，當(dāng)?shù)竭_(dá)低位液面時，泵1延時1 min停機(jī)。

5 結(jié)束語

機(jī)械電氣控制領(lǐng)域普遍采用繼電器、接觸器控制電路，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，不適應(yīng)很多工況。而PLC作為自動控制領(lǐng)域的核心裝備，對于實現(xiàn)機(jī)械電氣控制與自動化具有非常好的效果，而且PLC也是后續(xù)實現(xiàn)智能化控制的關(guān)鍵。事實上，繼電器控制是機(jī)械電氣控制當(dāng)中非常基礎(chǔ)的內(nèi)容，它也是實現(xiàn)PLC控制的基礎(chǔ)條件。也就是說在機(jī)械電氣控制中應(yīng)用PLC，必須要懂得繼電器控制的原理，然后才是去精通PLC的配置、程序編制等。所以，在具體的機(jī)械電氣控制當(dāng)中，必須要針對被控制對象的相關(guān)特性，仔細(xì)分析研究，最終確定最優(yōu)化的控制方案。