淺析工業(yè)自動化PLC控制的應用與調(diào)試

葉潤安

燕山大學，河北秦皇島，066004

0 引言

隨著PLC技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代的PLC與傳統(tǒng)的PLC有著本質(zhì)的區(qū)別，其中軟件模型及架構(gòu)方面有著重要的變化，現(xiàn)代的PLC有著更加卓越的性能以及完善的功能，因此PLC的應用范圍不斷擴大，特別是在工業(yè)自動化領域的深化拓展，使其與工業(yè)自動化的結(jié)合愈發(fā)緊密[1]。PLC是現(xiàn)代工業(yè)自動化的核心支柱之一，它對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生了顯著的效益。

1 PLC概念

PLC是一種邏輯控制器，它是由計算機相關部件組成的特殊結(jié)構(gòu)，它主要采用微機技術與傳統(tǒng)繼電觸控技術相結(jié)合的方式進行工作，通過調(diào)用存儲程序的執(zhí)行來實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯運算和特定功能，并順序控制執(zhí)行指令，利用輸入輸出的信號實現(xiàn)機械設備及生產(chǎn)過程的控制。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)組成結(jié)構(gòu)可分為整體式和模塊式兩大類：（1）整體式結(jié)構(gòu)是指將中央處理器、輸入輸出接口、電源等設備集中在一個機箱里，一般小型的PLC控制系統(tǒng)采用整體式結(jié)構(gòu)。（2）模塊式結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)的各個部分都是以單獨模塊的方式存在，如中央處理器模塊、輸入輸出模塊、電源模塊及各種功能性模塊等，一般大中型PLC控制系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)[2]。

2 PLC技術特征

在工業(yè)自動化領域中，現(xiàn)代的PLC技術特征相較于傳統(tǒng)的PLC技術具備明顯的優(yōu)勢，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在（1）硬件突破，例如：現(xiàn)代的PLC系統(tǒng)可以安裝多個中央處理器，并形成多處理器模塊的架構(gòu)。（2）軟件模型，例如：PLC可以通過配置的方式進行系統(tǒng)配置及定義資源，并且實現(xiàn)系統(tǒng) 接口，使程序與物理輸入輸出通道之間能有效的連接，并形成資源與處理器之間一對一的關系。因此現(xiàn)代PLC技術具有許多優(yōu)秀的技術特征，但遺憾的是，當前各廠商PLC的軟硬件體系是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，因此兼容性較差。

2.1 穩(wěn)定可靠、抗干擾強

PLC的設計之初就是為了滿足工業(yè)自動化現(xiàn)場各種惡劣環(huán)境下的使用，它是通過硬件與軟件兩個方面來實施措施的，因此，PLC具備穩(wěn)定性及可靠性，同時也能排除電子干擾等環(huán)境的影響。

2.2 功能完善、使用便捷

現(xiàn)代的PLC控制系統(tǒng)具備完善的功能。它不僅能控制開關量和模擬量，還可以對機械設備、生產(chǎn)線及生產(chǎn)過程進行控制，同時它還具備較強的聯(lián)網(wǎng)通信能力，通過與上位機的結(jié)合應用還能實現(xiàn)全自動化控制。由于現(xiàn)代PLC的產(chǎn)品基本上都采用模塊化的結(jié)構(gòu)組成，因此它能快速響應并滿足各種控制系統(tǒng)的需求，針對不同的需求編寫不同的程序，從而達到工作流程控制的要求。

2.3 編程簡單、易于掌握

PLC的編程基本上都是采用梯形圖的方式，圖形化語言使操作者無須具備專業(yè)的計算機編程知識，并且讓操作者能快速的上手，同時理解并掌握相關PLC的編程技能。

2.4 安裝快捷、調(diào)試方便

成熟PLC產(chǎn)品的安裝過程基本上采用搭積木的方式進行，并且通過仿真軟件的使用，使得PLC的調(diào)試工作變得容易。因此相較于其他控制系統(tǒng)，PLC產(chǎn)品的安裝調(diào)試降低了控制系統(tǒng)的構(gòu)建周期。

2.5 體積輕便、功耗節(jié)能

PLC的制造使用了微電子技術，因此它具備體積輕便、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，并且由于模塊體積較小，所以功耗相對較低，在一定程度上起到了節(jié)能的作用。

3 PLC在工業(yè)自動化中的應用策略

現(xiàn)代PLC系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)具備十分明顯的優(yōu)勢，但現(xiàn)代PLC系統(tǒng)的應用還處于起步階段，所以需要通過不斷地深化PLC技術的理論知識，并與實踐相結(jié)合的方式，來完善PLC產(chǎn)品的功能及優(yōu)化改進。只有這樣PLC系統(tǒng)才能適應時代的需求，更好的為工業(yè)自動化服務[3]。

3.1 深化應用并加強PLC技術的研發(fā)

PLC技術應當不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，通過解決工業(yè)自動化領域的實際問題，提升PLC技術的深度研發(fā)能力，并且通過不斷完善及強化理論體系的應用，對當前PLC技術進行優(yōu)化改進，使PLC技術更加先進更加智能，以滿足當前及未來工業(yè)自動化領域?qū)LC的要求。

3.2 構(gòu)建規(guī)范的PLC技術應用調(diào)試標準

由于PLC技術應用在社會各個領域，在各領域中的使用及用途都不相同，并且各廠商的PLC產(chǎn)品都存在技術閉環(huán)，所以PLC的應用及調(diào)試沒有一個統(tǒng)一的標準。如果制定一個統(tǒng)一的標準，那么就可以讓各領域之間產(chǎn)生緊密的聯(lián)系，通過推動統(tǒng)一的PLC標準能讓PLC技術在各領域中的應用更加深入，同時也有利于完善PLC的系統(tǒng)功能。因此，推動統(tǒng)一的PLC技術、質(zhì)量檢查、系統(tǒng)規(guī)范等標準是十分有必要的。

3.3 強化信息對稱并搭建溝通平臺

PLC技術的應用都需要相應的溝通，如：需求溝通、業(yè)務溝通等，只有通過溝通才能確定PLC運用的目的，以及檢驗搭建的PLC系統(tǒng)是否合理。只有強化信息對稱，并且溝通順暢，才能讓PLC的應用更加符合實際需求。當然在后期運維的過程中，信息對稱及溝通平臺的搭建同樣也是十分重要的，只有通過不斷的反饋問題及解決問題，才能促使PLC技術更加完善，讓PLC系統(tǒng)的在工業(yè)自動化中的應用更加深入。

4 PLC在工業(yè)自動化中的應用分析

4.1 開關數(shù)量控制

開關控制是工業(yè)自動化中關鍵的應用場景之一。開關替代了傳統(tǒng)的繼電器電路，不僅可以用于單臺設備，還可以用于多機群控制。雖然它有著簡便的控制效果，但是開關數(shù)量過多可能會導致自動化運行過程中出現(xiàn)問題。因此，對開關的使用必須有嚴格的要求和控制。PLC技術的應用能有效解決這一問題，PLC技術能讓工業(yè)自動化控制更加智能與精細，因為它不僅能有效地控制工業(yè)自動化中的各種開關需求，同時也能提升控制精度，只需通過有效的調(diào)控即可[4]。

4.2 模擬量控制

在實際的工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，存在著很多不斷連續(xù)變化的量，我們稱之為模擬量，例如：溫度、流量、壓力、速度等。PLC控制系統(tǒng)可以通過編程控制器處理這些模擬量，但在處理之前，必須先對模擬量進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，可使用編程控制器對數(shù)字量進行相應處理，從而實現(xiàn)對量的精準控制。當前市面上各廠商的PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)品基本都配有轉(zhuǎn)換模塊，用于編程控制器對模擬量的控制。

4.3 運動相關控制

在工業(yè)自動化生產(chǎn)活動中，PLC技術涉及到運動設計和運動掌握兩個方面，從運動設計角度來講，它可以通過運動模塊進行不同的組合，來達到投入生產(chǎn)的必需要求，并最終形成大規(guī)模完整的工業(yè)生產(chǎn)體系，但在生產(chǎn)過程中，如果生產(chǎn)流程發(fā)生變化，會存在難以進行變更的問題，PLC技術的使用能有效的解決這一難題，只需通過模塊化管理，從而達到精準管控的目的，以此來提升工業(yè)自動化生產(chǎn)的靈活性。從運動掌握的角度來講，PLC技術的使用不僅可以對工作對象進行精確掌握，還可以掌握多個工作對象運動間的協(xié)調(diào)[5]。

4.4 數(shù)據(jù)信息處理

數(shù)據(jù)信息處理在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中是十分重要的，它包括數(shù)學運算、采集、存儲、傳輸、處理等環(huán)節(jié)。隨著PLC技術的發(fā)展，通過編程的方式能讓PLC有效的解決數(shù)據(jù)信息處理問題，并依托工業(yè)網(wǎng)絡傳輸相關數(shù)據(jù)，以此來實現(xiàn)不同工業(yè)智能設備之間的對接，并且進行統(tǒng)一的調(diào)度控制以及數(shù)據(jù)管理，這樣可以減少人工操作帶來的工作失誤，從而提升整個工業(yè)自動化體系的操作效果。不僅如此，PLC技術還解決了數(shù)據(jù)分散和集中管理的問題，進而更深層次的實現(xiàn)了工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中對數(shù)據(jù)信息處理的需求。

4.5 使用頻率控制

在工業(yè)自動化領域中，PLC技術可以對機械設備生產(chǎn)使用頻率進行控制。PLC技術通過編程的方式對設備的使用進行合理的設計，并通過計算得出設備的運行時間及狀態(tài)，從而對設備生產(chǎn)使用頻率進行規(guī)范化，以此減少長時間高負荷生產(chǎn)作業(yè)過程中對設備造成的損害，并延長設備使用的壽命，最終達到節(jié)約設備生產(chǎn)成本及運營成本的目的。

4.6 過程管控應用

PLC技術現(xiàn)已廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)過程的管控，包括溫度、電壓、壓力、電流等運行參數(shù)的控制，通過參照歷史輸入信息并結(jié)合當前實際情況，產(chǎn)生生產(chǎn)所要求的輸出模擬量，并且使系統(tǒng)的工作按照一定的運行參數(shù)進行。不僅如此，如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了問題，PLC控制系統(tǒng)還可以對機器的操作進行自動控制，如：斷電、關閉等。因此，PLC技術讓工業(yè)生產(chǎn)制造具備了連續(xù)性，不僅改進了工作流程，同時也讓生產(chǎn)過程更加安全。

5 PLC控制系統(tǒng)的程序調(diào)試

PLC控制系統(tǒng)在完全投入生產(chǎn)之前，需要進行一系列程序調(diào)試，排查各種存在的問題，如：PLC控制系統(tǒng)能否滿足控制需求、是否滿足現(xiàn)場實際運行要求等。通過程序調(diào)試對系統(tǒng)進行檢驗及修改完善相關環(huán)節(jié)，讓系統(tǒng)能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，盡量避免故障的發(fā)生。

5.1 實驗室調(diào)試

按照控制要求，PLC控制系統(tǒng)在完成程序設計之后，需要進行實驗室調(diào)試，以此來保障設計的正確性，之后才能投入生產(chǎn)。實驗室調(diào)試一般分為兩步：（1）首先編程器的狀態(tài)脫離主機控制，其次運行后臺軟件的檢查功能，對整個程序進行檢查，如存在錯誤就進行記錄和修改。（2）在沒有錯誤的情況下，讓編程器連接主機進行深入調(diào)試，以此來確保系統(tǒng)相關參數(shù)設置及狀態(tài)的正確性，在聯(lián)機情況下，對設計的程序進行逐步排查并修改完善，以此驗證設計的效果[6]。

5.2 廠家調(diào)試

PLC產(chǎn)品設備在出廠時，需要廠家對設備進行組裝并進行聯(lián)調(diào)，以此來保證出廠之前整個PLC產(chǎn)品設備的配置正確，并確保運行的正確性及滿足生產(chǎn)的要求。首先檢查相關設備模塊及接口的狀態(tài)，在確保狀態(tài)正確后，連通電源并觀察指示燈是否點亮，然后檢查系統(tǒng)程序中的“通信管理表I/Omap”，查看通信配置和相關模塊設置是否正確，接著使用仿真器連接系統(tǒng)的輸入模塊，觀察模擬系統(tǒng)運行的狀態(tài)，并根據(jù)反饋信號的順序進行相應開關的撥動。最后連接所有調(diào)試完畢的控制程序塊進行整體聯(lián)調(diào)，逐步排查每一條控制分支及邏輯是否合理，在整體上考慮所有PLC控制路線邏輯是否滿足要求。

5.3 現(xiàn)場調(diào)試及優(yōu)化

PLC設備在現(xiàn)場按要求完成安裝后，在交付投入生產(chǎn)前需要進行驗收，檢查系統(tǒng)是否滿足設計要求、程序執(zhí)行與設備狀態(tài)是否正常、執(zhí)行結(jié)果是否達標等。在調(diào)試時，需要現(xiàn)場相關操作人員對程序的運行進行監(jiān)控并微調(diào)，讓整個PLC控制系統(tǒng)能保持良好的運行狀態(tài)。由于工業(yè)自動化的工作環(huán)境比較惡劣，所以除了調(diào)試以外，必須還要對PLC設備進行優(yōu)化，減少環(huán)境對PLC控制系統(tǒng)的影響，排除相關的干擾，同時還要加強對設備的維護。所以必須在以下方面予以重視及優(yōu)化：（1）對電源電流輸入輸出的控制，保障輸入輸出電流的穩(wěn)定，并且電源必須具備隔離性，這樣才能在工業(yè)自動化惡劣的環(huán)境中，減少電流對控制系統(tǒng)的干擾，可通過濾波器和變壓器來解決這個問題。（2）確保線路之間的敷設分開，如電源線路與通信線路的敷設，盡量在布線設計的時候就要考慮這個問題，并且還要考慮相關電氣控制單元與線路之間的實際距離，盡量減少線路干擾對控制系統(tǒng)的影響。（3）由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，一些信號往往會遇到磁場的干擾，造成信號誤差或者錯誤信號，所以可以采用數(shù)據(jù)濾波的方式來處理信號，排除相關磁場干擾。（4）PLC控制系統(tǒng)主要是通過軟件程序進行相關操作控制，所以軟件很可能會出現(xiàn)不可預期的問題，這時軟件容錯的作用就尤為凸顯，因為軟件容錯可以提高軟件的可靠性及安全性，利用新的軟件容錯技術，減少冗余規(guī)模及采用智能化決策，并且增加容錯覆蓋范圍，來實現(xiàn)PLC技術程序調(diào)試上的優(yōu)化。

6 PLC在工業(yè)自動化中的應用展望

PLC技術的應用在我國工業(yè)自動化領域中十分廣泛，在數(shù)字化新時代的加持下，PLC技術的應用前景會更加深而廣闊。從軟硬件層面來講，PLC的性能和功能會不斷的完善增強，讓PLC擁有更快的運算能力、擁有更多的輸入輸出擴展以及更強的數(shù)據(jù)處理能力等，甚至可能將人工智能引入PLC技術，進一步讓PLC技術更加智能化的。從通信能力角度來講，隨著工業(yè)網(wǎng)絡5G技術的快速發(fā)展，PLC技術很可能與5G技術相融合，從而實現(xiàn)真正的互聯(lián)互通。從接入標準來講，PLC系統(tǒng)可能擁有更多的接口，讓其功能更加強大，可快速的實現(xiàn)系統(tǒng)及設備間的接入能力與聯(lián)動能力，達到高效無縫的協(xié)作，以及集中與分散管理的能力，從而進一步讓PLC的融合程度更加深入，更能解決行業(yè)應用的需求，從而創(chuàng)造獨特的價值。從信息安全的角度來講，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，由于控制網(wǎng)絡之間具備隔離性，信息安全很容易實現(xiàn)，但未來的PLC技術，融合了各種技術，特別是通信方面的增強，讓數(shù)據(jù)信息安全變得脆弱，容易遭受到網(wǎng)絡攻擊及數(shù)據(jù)竊取，未來PLC技術的應用需要考慮網(wǎng)絡安全，并且增強數(shù)據(jù)信息安全的保護。在未來，PLC技術在工業(yè)自動化領域的應用潛力是巨大的，它會隨著工業(yè)自動化領域需求的變化，而不斷的適應和融合新的技術，強化自身的功能，并在未來扮演一個不可或缺的角色。

7 結(jié)語

隨著科學技術的發(fā)展與時代的進步，PLC技術的發(fā)展也有了長足進步，在工業(yè)自動化領域中，其應用會越來越深入廣泛，與工業(yè)自動化的結(jié)合也會越來越緊密，不僅如此，PLC技術還可憑借著自身的優(yōu)勢及影響，促進整體生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)水平的提升，并有效地刺激社會經(jīng)濟的發(fā)展。所以加強PLC技術的研究，使其與時代無縫對接是有必要的，這樣可以讓我國工業(yè)自動化水平進一步提高。