PLC技術(shù)在電氣設(shè)備自動化控制中的應(yīng)用

余國毅

（西南大學(xué)計(jì)信院，重慶 400715）

電氣設(shè)備自動化運(yùn)行生產(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然需求，如何更加有效地實(shí)現(xiàn)自動化控制一直是相關(guān)科學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。PLC 技術(shù)有效改良了傳統(tǒng)工控方式，解決了控制過程中存在的諸多疑難和瓶頸問題，極大節(jié)省了工業(yè)自動化控制的成本，加強(qiáng)了設(shè)備的集中管理和自動控制，提高了生產(chǎn)的自動化、信息化程度。雖然目前PLC 的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟和完善，但是隨著科技不斷進(jìn)步，PLC 也勢必需要尋求進(jìn)一步的發(fā)展。因此加強(qiáng)對PLC 技術(shù)在電氣設(shè)備自控領(lǐng)域的應(yīng)用研究，對促進(jìn)工控自動化的行業(yè)發(fā)展有著重大意義。

1 PLC概述

1.1 PLC技術(shù)簡介

PLC 為可程序化邏輯控制器，能夠進(jìn)行編程從而實(shí)現(xiàn)各種各樣的邏輯控制。PLC 是以現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)和繼電觸控技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)逐漸發(fā)展而來的一種自控技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)可程序化這一特點(diǎn)，PLC 通常由內(nèi)置計(jì)算功能的微處理器（CPU），用于存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)存（RAM/ROM）、信息數(shù)據(jù)進(jìn)出端子（I/O）、穩(wěn)定供電的電源模塊、網(wǎng)絡(luò)通信等其他功能的擴(kuò)展單元組合而成。CPU 是系統(tǒng)的核心，對于采集的數(shù)據(jù)按照設(shè)定程序進(jìn)行處理，并輸出控制信號；儲存器分兩類分別存放系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)；I/O 模塊接收信號傳給CPU，又將CPU 輸出信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動外部元件的信號；電源穩(wěn)壓并給整個PLC 系統(tǒng)供電；通訊接口用于與計(jì)算機(jī)或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)機(jī)，擴(kuò)展接口連接其他擴(kuò)展功能模塊，豐富PLC 的功能。

1.2 PLC的分類

從結(jié)構(gòu)類型上大致將PLC 分為3類：①整體式。將CPU、ROM、I/O、電源等部件和各種功能單元全部集中裝進(jìn)一個機(jī)箱外殼，這樣的結(jié)構(gòu)成本較低，而且空間體積小，往往用于小型PLC 設(shè)備。②模塊式。是將PLC 按功能和特點(diǎn)拆分成獨(dú)立模塊，按需要類似于搭積木一樣選擇不同模塊組成一個系統(tǒng)，配置靈活多變，方便擴(kuò)展和維修，一般大、中型PLC 采用這種結(jié)構(gòu)。③疊裝式。是將前兩者的優(yōu)勢結(jié)合，各個部件是獨(dú)立模塊，之間依靠電纜連接，兼具配置靈活和體積小巧的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 PLC的工作方式

PLC 通常采用“順序掃描，循環(huán)反復(fù)”的工作方式，即PLC 周而復(fù)始地運(yùn)行，按照順序逐個執(zhí)行同一周期內(nèi)的多個任務(wù)。輸入采樣階段順序掃描所有IN 端口，采集數(shù)據(jù)并存于寄存器中鎖存，本周期內(nèi)不再讀入新數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行階段按步序執(zhí)行程序，結(jié)果存入寄存器。刷新階段從寄存器輸出結(jié)果，對OUT 端進(jìn)行刷新。可見在同一個周期內(nèi)，輸入和輸出狀態(tài)不會發(fā)生變化，需要到下一個周期才會更新，這就造成了一定的延遲和滯后，給一些更新速度要求高的自控操作帶來困難。

1.4 PLC的特點(diǎn)

1.4.1 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高

傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中大量使用各種繼電器、計(jì)數(shù)器等電氣元件，由于器件的固有缺陷，如老化、接觸不良、觸點(diǎn)抖動等問題，極大降低了系統(tǒng)的安全可靠性。PLC 控制系統(tǒng)是使用虛擬的繼電器，即由無真實(shí)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)電氣元件的開關(guān)控制，因而故障率大幅減小。此外，PLC 對I/O 端口都采用光耦合隔離，對各個模塊都采取了信號干擾屏蔽措施，對電路采用濾波、降噪，多種措施確保PLC 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。PLC 自帶診斷功能，如超時(shí)檢測、邏輯檢查等，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)，PLC 會自動判斷故障部件給出信息提升，并可以控制影響范圍，提高系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。大型PLC 設(shè)備通常用于較大的工業(yè)生產(chǎn)線，設(shè)備數(shù)量多，種類繁雜，這時(shí)候通?？梢岳枚嗵幚砥鳂?gòu)建邏輯系統(tǒng)，增強(qiáng)運(yùn)行過程的可靠性。

1.4.2 編程簡單，設(shè)計(jì)調(diào)試周期短

PLC 是通過程序來進(jìn)行各種邏輯控制，實(shí)現(xiàn)自動化控制功能。PLC 的標(biāo)準(zhǔn)編程有梯形圖、指令表、順序圖等多種語言，而且大都簡單易學(xué)，門檻低容易上手，針對同一功能可以采取多種程序的編寫方式來實(shí)現(xiàn)，靈活性強(qiáng)，功能豐富。其中梯形圖編程基于電氣操作原理，與繼電器控制系統(tǒng)對應(yīng)性好，直觀易懂，應(yīng)用最為廣泛。此外還可以依據(jù)復(fù)雜性和難度需要，采用BASIC 語言、C 語言等編程軟件進(jìn)行程序編寫，極大地?cái)U(kuò)展了程序的應(yīng)用性。PLC 的程序可以方便地存儲、移植及再使用，對于某些定型產(chǎn)品所用的PLC程序完善之后，通過拷貝或簡單修改就可以運(yùn)用到同類型產(chǎn)品上，不需要對每臺設(shè)備都重新編寫程序，工作量和設(shè)計(jì)調(diào)試期極大縮減。

1.4.3 安裝和維修簡便

因?yàn)镻LC 具有抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以無需設(shè)置專用機(jī)房，可以在多種工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。模塊化的設(shè)計(jì)，使得PLC 組建和安裝靈活簡單，現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC 各個模塊對應(yīng)的端口連接好就可以使用。各種模塊上自帶工作狀態(tài)指示裝置，并且可以記錄故障情況，可以直觀地看到設(shè)備運(yùn)行狀況和故障信息。診斷出故障后的維修也很簡單，可按模塊排除故障，只需要進(jìn)行簡單的模塊更換就可以解決故障。軟件方面的問題，只需要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行程序調(diào)整和完善就可以加以排除。

1.4.4 適應(yīng)范圍廣，擴(kuò)展能力強(qiáng)

PLC 廠商針對不同客戶，不同的功能需求，提供了相應(yīng)的功能模塊產(chǎn)品，用戶只需要根據(jù)自身需要的功能和環(huán)境特點(diǎn)，選擇合適的功能、數(shù)量、接口的模塊進(jìn)行組合就能達(dá)到設(shè)計(jì)效果。此外，PLC 提供了多種形式的人機(jī)交流的接口模塊，滿足現(xiàn)代工業(yè)對于控制界面的人性化和智能化的要求。為了適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化信息化發(fā)展，PLC 還提供了多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊以適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)組建的需求。通過標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)，PLC 的應(yīng)用范圍和擴(kuò)展能力得到了極大增強(qiáng)。

2 PLC技術(shù)的應(yīng)用

2.1 用于開關(guān)量的控制

PLC 是通過虛擬繼電器來取代實(shí)體繼電器，所以可以輕松控制大量的開關(guān)量，依照設(shè)備的體量能夠控制的出入點(diǎn)少到幾十，多到上萬，如果考慮聯(lián)網(wǎng)控制，可控點(diǎn)數(shù)數(shù)量可以說是無窮大。對于開關(guān)量的邏輯控制可以有順序、時(shí)序、即時(shí)、延時(shí)、計(jì)數(shù)、隨機(jī)等多種方式或者組合方式，靈活多樣。PLC 的硬件結(jié)構(gòu)可變可調(diào)，軟件程序可編寫，用于具體的工業(yè)環(huán)境中，就可以依據(jù)工業(yè)現(xiàn)場多種工況，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的需求，選擇合理的硬件模塊，并編寫相適應(yīng)的一套或多套程序，按照需求進(jìn)行調(diào)用，非常靈活方便。目前PLC 相較于其他控制器最大的優(yōu)勢就是可以方便可靠地進(jìn)行各種開關(guān)量的控制，特別適用于如今大規(guī)模、復(fù)雜精密的各種工業(yè)生產(chǎn)電氣設(shè)備的自動化控制，控制過程反應(yīng)快、靈活可調(diào)、穩(wěn)定可靠，有助于提升生產(chǎn)效能。

2.2 用于模擬量的控制

工業(yè)生產(chǎn)過程中各種電氣設(shè)備的運(yùn)行通常需要根據(jù)各種變化參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，按照生產(chǎn)工藝要求控制諸如溫度、轉(zhuǎn)速、流量等物理量處在合理區(qū)間。這些物理量采集通常是模擬量，需要轉(zhuǎn)化成數(shù)字量才能被PLC 處理，所以就需要配置轉(zhuǎn)化模塊。常用的轉(zhuǎn)換單元即A/D 和D/A 單元，A 指的是模擬量（Analog），D 指的數(shù)字量（Digital），模擬量多為電流或者電壓，常用的電壓有0～5V 或0～10V，電流一般是4～20mA。小型PLC 數(shù)字量多為8位二進(jìn)制，大中型PLC 常用12位二進(jìn)制數(shù)。PLC 可以對這些數(shù)字量進(jìn)行加減乘除、開方、插值、浮點(diǎn)運(yùn)算，帶PID 功能的PLC 還可以對偏差量進(jìn)行微積分運(yùn)算，最后輸出計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行自動化控制。這樣一來，PLC 在進(jìn)行開關(guān)量控制的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量的控制，對于自動化控制的全面性和經(jīng)濟(jì)性來說，無疑是具有巨大優(yōu)勢。

2.3 用于順序控制

以開關(guān)量的控制為基礎(chǔ)，PLC 可以實(shí)現(xiàn)對于電氣設(shè)備運(yùn)行順序的控制，起到順序控制器的作用。在企業(yè)的自動化生產(chǎn)過程中，通常需要不同的電氣設(shè)備按照工藝要求遵循一定的順序依次運(yùn)行，如果順序發(fā)生錯亂，自動化生產(chǎn)的效率就會大幅下降，甚至發(fā)生錯漏故障。傳統(tǒng)的繼電控制只能進(jìn)行一些較為簡單的順序控制，如果是面對較為復(fù)雜的控制，就需要用PLC編寫出形式多樣的控制程序來完成。采用PLC 進(jìn)行順序控制，邏輯更清晰，過程更簡潔，且能夠監(jiān)控程序運(yùn)行，快速定位問題點(diǎn)，方便維護(hù)。為確保PLC程序邏輯性的縝密，通常采用順序功能圖設(shè)計(jì)法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，再轉(zhuǎn)化基本指令（置位、復(fù)位）梯形圖或者步進(jìn)指令梯形圖、功能指令梯形圖。另外，整體性的順序控制中要注意現(xiàn)場站點(diǎn)、主控站點(diǎn)、遠(yuǎn)控三級層次之間控制的協(xié)調(diào)關(guān)系，提高系統(tǒng)控制的靈活性和可靠性。

2.4 用于運(yùn)動軌跡控制

基于PLC 系統(tǒng)能夠進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)動設(shè)備以圓周或直線等軌跡運(yùn)動。PLC 負(fù)責(zé)邏輯控制，在運(yùn)動控制方面能力相對較弱，對于精度要求較高，反應(yīng)要求靈敏時(shí)，運(yùn)行控制和PLC 的編程就顯得較為困難。目前PLC 控制器生產(chǎn)廠家的中、高端產(chǎn)品通?？梢赃x擇裝備運(yùn)動控制模塊或者數(shù)控模塊，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床、自動化機(jī)械臂、機(jī)器人、電梯等場合，通過這些模塊可以較好地進(jìn)行數(shù)控，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軌跡控制的控制。

2.5 閉環(huán)控制

自動控制系統(tǒng)通常需要采用閉環(huán)控制，PLC 的閉環(huán)控制通常是基于模擬量控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過監(jiān)控的模擬量反饋來修正運(yùn)行，從而達(dá)到閉環(huán)效果。在反饋控制系統(tǒng)中，設(shè)定的被控制量超出規(guī)定區(qū)間范圍，PLC 就會發(fā)出指令執(zhí)行相應(yīng)的糾偏程序和動作。在企業(yè)自動化運(yùn)行中常見的模擬量有流量、壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等，通過PLC 的模擬量控制作用，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量在PLC 系統(tǒng)程序下進(jìn)行判斷，按照判斷結(jié)果維持現(xiàn)狀或者執(zhí)行動作，達(dá)到閉環(huán)控制。例如在水泵房的自動控制中，常通過監(jiān)控泵房液位反饋數(shù)據(jù)來控制水泵的自動啟停和運(yùn)行時(shí)長，如果是變頻器控制的水泵還可以依據(jù)水位進(jìn)行變頻調(diào)速。

2.6 數(shù)據(jù)采集和聯(lián)網(wǎng)通訊

PLC 不僅可以在數(shù)據(jù)存儲區(qū)保存大量的數(shù)據(jù)，還可以利用計(jì)算機(jī)與PLC 建立通訊，將DM 區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到計(jì)算機(jī)硬盤中進(jìn)行保存、分析、運(yùn)用。例如電費(fèi)能耗、設(shè)備工作時(shí)長、模擬量的變化數(shù)據(jù)等，都可以進(jìn)行保存并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)并進(jìn)行軟件分析，從而得到有價(jià)值的管理和決策數(shù)據(jù)、報(bào)表。如今隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，PLC 普遍加強(qiáng)了聯(lián)網(wǎng)功能，PLC 與計(jì)算機(jī)，不同PLC 之間，PLC 與智能設(shè)備、儀表之間都可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。這樣一來，就可以選用多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建局域網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備乃至生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。隨著工控網(wǎng)發(fā)展，工業(yè)智能自動化控制逐漸完成由點(diǎn)到線，再到面的完善，所以PLC 的聯(lián)網(wǎng)通訊能力是新一代智能自動化技術(shù)的基礎(chǔ)條件。

3 PLC的發(fā)展趨勢

雖然PLC 經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)較為成熟，但是隨著PLC 應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)張，工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，PLC 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也在不斷改進(jìn)升級。如今PLC 在產(chǎn)品規(guī)模方面，呈現(xiàn)向兩極發(fā)展的趨勢：①小而精，即開發(fā)功能更為強(qiáng)大的小型及超小型PLC，以適應(yīng)單機(jī)及小型自動控制的需要；②向大而全發(fā)展，即開發(fā)高速運(yùn)行、大容量、技術(shù)完善的大型PLC，以滿足越來越復(fù)雜的自動控制要求。

網(wǎng)絡(luò)化是自動控制的大趨勢，如今4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，無線通信技術(shù)已經(jīng)日益成熟，傳輸速度和能力都能夠滿足PLC 無線入網(wǎng)的需求。PLC 各大制造商都在改進(jìn)產(chǎn)品的通信模塊和軟件以提升PLC的聯(lián)網(wǎng)性能，與此同時(shí)也在協(xié)商制定通用標(biāo)準(zhǔn)，以利于構(gòu)成不同品牌不同產(chǎn)品之間構(gòu)建更大更全的網(wǎng)絡(luò)。

PLC 另一個發(fā)展趨勢，就是更為專業(yè)和性能更為出色的模塊開發(fā)。PLC 模塊化的特點(diǎn)是其經(jīng)久不衰的重要原因之一，通過更為專業(yè)和先進(jìn)的模塊，就能夠不斷完善和拓展PLC 的功能，進(jìn)一步提升PLC的性價(jià)比優(yōu)勢。在PLC 系統(tǒng)上主張開放性和標(biāo)準(zhǔn)化，PLC 系統(tǒng)與PC 系統(tǒng)和移動端系統(tǒng)靠攏，通過提供標(biāo)準(zhǔn)化和開放性的通信模塊接口和具有兼容性的系統(tǒng)，將PLC 與PC、PDA、手機(jī)等電子設(shè)備方便地連接起來，豐富PLC 的功能，也方便程序的編寫和運(yùn)行監(jiān)控。PLC 軟件方面需要對算法進(jìn)行深入優(yōu)化，以適應(yīng)工業(yè)4.0生產(chǎn)要求，底層程序封裝為簡易工具包，實(shí)現(xiàn)對于復(fù)雜生產(chǎn)工藝流程控制的操作簡潔化，并增強(qiáng)人機(jī)交互性能。

4 結(jié)束語

PLC 技術(shù)一直都是工業(yè)中電氣設(shè)備自動化控制的重要技術(shù)，即便在如今智能制造升級工業(yè)4.0的時(shí)代，PLC 也能夠憑借其自身的優(yōu)勢繼續(xù)占據(jù)工業(yè)自動化控制的大量市場份額。隨著科技的發(fā)展，PLC 的發(fā)展也必然呈現(xiàn)新的特點(diǎn)和趨勢，深入研究PLC 的發(fā)展和應(yīng)用，對于促進(jìn)我國工業(yè)自動化轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。