PLC和單片機(jī)在工業(yè)控制中有效應(yīng)用的區(qū)別和聯(lián)系分析

藺思明

摘要：在電子產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的影響下，單片機(jī)實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，隨處可見。而PLC的使用范圍則相對縮減，主要應(yīng)用于電力電子與機(jī)械制造等能源類型領(lǐng)域，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)繼電器的缺陷，能實現(xiàn)傳統(tǒng)繼電器的多元化功能，即順序控制、電動機(jī)控制等等，還可以基于A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬控制，即水溫監(jiān)測控制、溫度與壓力控制。其中，應(yīng)用最廣泛的就是基于PLC的控制系統(tǒng)，尤其是在數(shù)控車床與機(jī)器人的加工制造中。本文主要針對PLC與單片機(jī)在工業(yè)控制中有效應(yīng)用的區(qū)別和聯(lián)系進(jìn)行了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：PLC；單片機(jī)；工業(yè)控制；區(qū)別聯(lián)系

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0258-02

1 單片機(jī)系統(tǒng)特點

單片機(jī)系統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)部是嵌入式控制系統(tǒng)，主要包括硬件與軟件系統(tǒng)兩部分，單片機(jī)控制功能更強大，覆蓋面也非常廣。因為單片機(jī)是依賴于芯片進(jìn)行操作控制的，這與現(xiàn)代化信息技術(shù)發(fā)展要求明確相符，其對于復(fù)雜操作也能夠基于單片機(jī)進(jìn)行，而單片機(jī)在硬件設(shè)計與指令方面的操作已經(jīng)有了更多進(jìn)步，其能夠促使單片機(jī)廣泛應(yīng)用到智能設(shè)備中去。其中最大的優(yōu)勢是體積小、操作簡單、生產(chǎn)成本較低，因為是嵌入式機(jī)芯，內(nèi)部主要包含集成電路板與芯片。

當(dāng)前，單片機(jī)主要應(yīng)用到便攜式設(shè)備中去，在以后單片機(jī)也將會實現(xiàn)在大型設(shè)備自動化控制中的有效應(yīng)用，從而也就為工業(yè)自動化控制發(fā)展帶來了全新的發(fā)展機(jī)遇。單片機(jī)內(nèi)部一般會選用匯編語言和C語言等編程方式，其具備執(zhí)行速度快與效率高等優(yōu)勢，在工業(yè)操作中的應(yīng)用更具優(yōu)勢。單片機(jī)主要包括芯片、元件、PLB板，這些器件的生產(chǎn)成本比較低，通用性也很差，在選擇設(shè)備的時候，具備一定針對性，而且設(shè)計難度比較大，開發(fā)試驗周期較長，這都是單片機(jī)所具備的特性。另外，還有一些缺陷，其中最大的缺點是故障查找難度較大，如果出現(xiàn)故障，維護(hù)不及時，硬件故障與軟件故障查找難度都很大。

2 PLC特點

PLC模式的實用性非常高，其具備較高的可靠性與抗干擾性，能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備進(jìn)行實現(xiàn)有效控制，并合理利用現(xiàn)代化規(guī)模集成電路，保證日常生管理環(huán)節(jié)實現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化完善。內(nèi)部電路設(shè)備中采用了多元化抗干擾技術(shù)，可靠性較好，通過對PLC所構(gòu)成的控制系統(tǒng)改進(jìn)，可以更好地滿足工作需求。不同于相同規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)，通過對比分析，電氣接線與開關(guān)接點可以縮減到成百上千分之一，所以故障也會隨之顯著減少。PLC還具有一定的硬件故障自行檢測功能，在出現(xiàn)故障時，可以快速發(fā)出警告。但是，在應(yīng)用軟件中，用戶還可以編入外圍器件故障自行診斷保護(hù)，以此使得系統(tǒng)可靠性與安全性得以提升。

而PLC模式的有效應(yīng)用直接滿足了市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的多元化需求，其系統(tǒng)功能相對健全，適應(yīng)性良好，能夠優(yōu)化整個工業(yè)控制的各個階段。在此過程中，PLC模式通過數(shù)據(jù)運算能力的充分發(fā)揮，改進(jìn)優(yōu)化各個領(lǐng)域數(shù)字控制，實現(xiàn)了對各類型功能單元的有效應(yīng)用。通過深化完善PLC模式，促使溫度控制、位置控制、工業(yè)控制模式實現(xiàn)全面合理利用，從而滿足實際工作的多元化需求。PLC還具有十分突出的通信能力與先進(jìn)的人機(jī)界面技術(shù)，這就使得PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)更加方便。而簡單易學(xué)易用，且備受青睞的PLC是基于工礦企業(yè)的工控設(shè)備，其接口比較便利，編程語言也容易接受，梯形圖語言的圖形符號、表達(dá)方式類似于繼電器，以此為不熟知電子電路、計算機(jī)原理、匯編語言的工作人員從事工業(yè)控制提供了巨大便利。

3 PLC與單片機(jī)在工業(yè)控制中應(yīng)用的區(qū)別

PLC是基于單片機(jī)構(gòu)建的產(chǎn)品，其自身就是復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，單片機(jī)屬于集成化電路，只是一個芯片。首先，單片機(jī)能夠構(gòu)成多元化應(yīng)用系統(tǒng)，而PLC是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的特例。其次，生產(chǎn)廠家不同，PLC工作原理卻相同，類似功能與指標(biāo)之間是可以互換的，而且質(zhì)量也有保證，編程軟件朝著標(biāo)準(zhǔn)化的方向不斷發(fā)展，這也是PLC全方位應(yīng)用的重要基礎(chǔ)條件。然而，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能多元化，彼此之間存在較大差異，質(zhì)量也是參差不齊，使用與維護(hù)工作難度都比較大。再次，PLC與單片的最大區(qū)別是PLC比較可靠，抗干擾能力非常強，比較適合應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場。在電力系統(tǒng)中，因為干擾過強，所以一般來說會選擇PLC，單片機(jī)的價格比較便宜，功能多元化，簡單便捷，家用情況很多，家用電器中都會用到單片機(jī)。但是，PLC只是一臺機(jī)器，是由大量單片機(jī)和外圍接口所構(gòu)成的，屬于電用單片機(jī)。最后，就單項工程或者重復(fù)數(shù)較少的項目而言，利用PLC方案更加明智和邊界，成功的幾率也非常高，可靠性良好，但是成本也很高。而量比較大的配套項目，可以有效發(fā)揮單片機(jī)系統(tǒng)成本較低與效益較高的突出性優(yōu)勢，但是這需要具備一定的研發(fā)力量與行業(yè)經(jīng)驗，才能夠保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。最關(guān)鍵的方式就是單片機(jī)系統(tǒng)嵌入PLC的功能，這樣便能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)研發(fā)時間的縮減，保證性能較好，保證良好綜合效益。

4 PLC與單片機(jī)在工業(yè)控制中應(yīng)用的聯(lián)系

就本質(zhì)而言，PLC實際上就是已經(jīng)做好的單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)可以用于PLC制作，但是八位CPU在高級應(yīng)用中的應(yīng)用卻明顯力不從心，但是添加DSP便可以滿足一般性要求，并且同樣利用梯形圖進(jìn)行編程，將梯形圖轉(zhuǎn)換成嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行編譯。對此，也可以利用單片機(jī)直接進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)，但是對研發(fā)者要求比較高，開發(fā)周期也很長，成本非常高。只要解決這些問題，便可以編制成PLC。這樣來說，PLC并非復(fù)雜，其內(nèi)部CPU除了速度快，其他功能與普通單片機(jī)相同。一般PLC利用16位或者32位CPU，帶1-2個串行通道實現(xiàn)和外界之間的通訊，內(nèi)部安裝定時器即可，如果想要提高可靠性，再添加看門狗便可以有效解決。PLC的關(guān)鍵技術(shù)是內(nèi)部固化了可以解釋梯形圖語言的程序和輔助通訊程序，梯形圖語言的解釋程序效率在很大程度上決定了PLC性能，而通訊程序決定了PLC和外界進(jìn)行信息交換的難易程度。實際而言，PLC設(shè)計的主要工作是開發(fā)解釋梯形圖語言的程序，當(dāng)前單片機(jī)能夠完全替代PLC。傳統(tǒng)單片機(jī)因為穩(wěn)定性與抗干擾能力較差，與PLC難以比擬，但是現(xiàn)代化單片機(jī)已經(jīng)具備了較高的穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力，從而實現(xiàn)了在很多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，甚至在一定程度上替代了PLC。

5 PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用

5.1 模擬量控制

以控制對象特性為依據(jù)，PLC能夠基于不同組合模塊工程進(jìn)行科學(xué)有效控制，主機(jī)模塊、計數(shù)模塊、位置控制模塊、通信模塊等等。PLC的模擬量控制能夠有效提高工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性，從而對自動化設(shè)備升溫、降溫、運行等整個過程進(jìn)行科學(xué)控制，并且便于熱處理過程的全方位維護(hù)。

5.2 開關(guān)量控制

就某種程度而言，PLC應(yīng)用是傳統(tǒng)機(jī)電控制器的替代品，所以，在開關(guān)控制量上的準(zhǔn)確性更高，基于中間繼電器控制動作，能夠依據(jù)控制器公式進(jìn)行程序設(shè)計，并依據(jù)控制程序進(jìn)行梯形圖繪制，此方式可以獲得更加規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計效果，促使PLC在開關(guān)量控制上的效果也非常顯著。

5.3 位置控制

位置控制是工業(yè)控制的重要組成部分，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，機(jī)床刀具串刀補償控制、主軸精確分度控制、搬運定位控制都需基于位置控制加以實現(xiàn)，而PLC的充分合理利用，能夠有效控制步進(jìn)電機(jī)，并依據(jù)控制結(jié)果明確電機(jī)位移的合理性，從而實現(xiàn)對位置的控制。

5.4 系統(tǒng)集中控制

在工業(yè)控制中合理利用PLC，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制，以及對工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的集中化控制，特別是系統(tǒng)故障檢測與顯示等等，PLC系統(tǒng)的集中化控制功能是依據(jù)故障檢測與邏輯檢測結(jié)果，全過程實時監(jiān)控系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，機(jī)床設(shè)備運轉(zhuǎn)與停止都需要固定時間，在此循環(huán)過程中，需要耗費一定時間才能夠順利完成，基于PLC可以實時控制啟動定時器，并將其信號輸出作為設(shè)備啟停信號，從而集中化控制系統(tǒng)。

6 單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用

6.1 電動機(jī)控制

在電子技術(shù)發(fā)展的推動下，電動機(jī)控制方式也轉(zhuǎn)變成了以單片機(jī)為載體的混合控制與全數(shù)字控制方式。利用單片機(jī)給用戶發(fā)出操作指令，以此實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字邏輯電路的簡捷化。傳統(tǒng)的交流電動機(jī)根本無法實現(xiàn)速率轉(zhuǎn)換，對此也通過變頻技術(shù)與脈寬調(diào)制技術(shù)得以解決，并演變成了電動機(jī)控制技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。在電動機(jī)控制中有效利用單片機(jī)，還能夠保證電壓電流的穩(wěn)定性與抗干擾性良好，還能夠在一定程度上有效降低能耗，節(jié)約電能資源，保證電動機(jī)一直處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保設(shè)備良好性能與壽命。與此同時，單片機(jī)既可以切實應(yīng)用到電動機(jī)控制工作中，又可以對供電進(jìn)行動態(tài)化全方位監(jiān)控，保證供電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

6.2 溫度控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，加熱爐與孵化器等各種相關(guān)設(shè)施設(shè)備都應(yīng)進(jìn)行溫度控制，一般會選擇單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，以提高設(shè)備控制的精確性。單片機(jī)和高精度溫度傳感器有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，其具有獨特性優(yōu)勢，即控制精密度比較高和靈敏度也比較高。將溫度值與控制目標(biāo)溫度值進(jìn)行對比分析，根據(jù)積分分離的PID控制后輸出控制信號，在觸發(fā)器電平轉(zhuǎn)換后，觸發(fā)大功率可控硅，然后通過其輸出大電流明確加熱電爐的時間、功率，從而促使調(diào)節(jié)溫度環(huán)境的目標(biāo)得以實現(xiàn)，促使單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的精確度顯著提升，并大大縮小誤差。這一系統(tǒng)可以配置各式各樣的溫度傳感器，從而進(jìn)一步實現(xiàn)實時智能化控制。

6.3 串口通信系統(tǒng)

電腦在工業(yè)自動化控制中的應(yīng)用越來越廣泛，不論單片應(yīng)用到哪一領(lǐng)域，都能夠基于設(shè)計單片機(jī)與電腦通訊程序，約定通訊協(xié)議，實現(xiàn)單片機(jī)與電腦端之間的通訊，以此臺式機(jī)控制，但是其中也存在許多不足。但是，電腦內(nèi)部串行通信接口電路創(chuàng)新優(yōu)化接口技術(shù)，直接彌補了這些缺陷，其主要是由串行通信協(xié)議芯片構(gòu)成的，電腦端提供了編程接口、單片機(jī)內(nèi)部硬件支持串行通信模式。因此，可以通過電腦對許多單片機(jī)狀況進(jìn)行實時監(jiān)測。在現(xiàn)代化設(shè)備管理過程中，則可以利用現(xiàn)場總線技術(shù)針對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)先級別設(shè)定，從而實現(xiàn)設(shè)備控制，促使單片機(jī)運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

7 結(jié)語

總而言之，PLC系統(tǒng)的主要任務(wù)是就實際需求為依據(jù)，進(jìn)行梯形圖設(shè)計和解釋，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)具體需要進(jìn)行電路設(shè)計，合理選擇模塊、編程語言、編制程序等加以調(diào)試。另外，單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用在某種程度上完全可以代替PLC，但是單片機(jī)對工作環(huán)境和運行狀態(tài)的要求更高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何海龍.PLC與單片機(jī)之間的串行通信及運用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（11）：29-30.

[2] 杜娟，王海龍.單片機(jī)控制改為PLC控制的實例應(yīng)用分析[J].時代農(nóng)機(jī)，2015，42（11）：10-11.

[3] 桂攀.PLC的特點與通信功能及其在工業(yè)控制中的應(yīng)用[J].科學(xué)與財富，2014（3）：131-132.

[4] 黃永東.PLC與單片機(jī)之間的串行通信及技術(shù)應(yīng)用分析[J].電子制作，2018（z2）.

【通聯(lián)編輯：張薇】