基于PLC的大型儀器儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

談太良

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司，湖北 鐘祥 431910）

目前，我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展步調(diào)相對(duì)較快，這也使得工業(yè)機(jī)械的研究與生產(chǎn)逐漸取代了人工生產(chǎn)，形成較為成熟的機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。一定程度上擴(kuò)大了電氣自動(dòng)化設(shè)備的日常生產(chǎn)與應(yīng)用，同時(shí)，也提升了整體的生產(chǎn)率。在這樣的背景下，也有利于確保設(shè)備的應(yīng)用效率以及質(zhì)量實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)一，提升單位內(nèi)部的總體處置量，使得企業(yè)的生產(chǎn)效益得到了明顯的提升。因此，被社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域所廣泛應(yīng)用。另外，大型儀器儀表自動(dòng)化控制程序也需要靈活地執(zhí)行。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，通常情況下，這部分的機(jī)械體積均較大，且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)極容易出現(xiàn)誤差。所以，實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)測(cè)以及控制是十分必要的。這樣一旦發(fā)生故障，便可以及時(shí)知曉，并有效地處理與維修，避免產(chǎn)生大規(guī)模的關(guān)聯(lián)故障，造成大型的機(jī)械儀表設(shè)備的損害。

傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制結(jié)構(gòu)相對(duì)較為單一，面對(duì)如今復(fù)雜且煩瑣的執(zhí)行程序，應(yīng)變的效果十分有限，并且傳統(tǒng)的系統(tǒng)對(duì)于控制的程度以及監(jiān)控范圍也沒(méi)有較好的規(guī)劃。所以，在這樣的發(fā)展背景下，需要依據(jù)實(shí)際情況的變化以及處理需求，設(shè)計(jì)更加靈活多變、層級(jí)分明的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。再加上PLC技術(shù)的輔助，可以實(shí)現(xiàn)更好的效果。PLC技術(shù)是一種應(yīng)用較為廣泛的控制輸出處理技術(shù)，它的適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)，同時(shí)，在應(yīng)用過(guò)程中的局限條件也較少，這也使得它在系統(tǒng)中的實(shí)施效果一度超越傳統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，受到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的普遍關(guān)注。因此，對(duì)基于PLC的大型儀器儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，在較為真實(shí)的環(huán)境下，搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合PLC技術(shù)創(chuàng)建更加貼合實(shí)際的執(zhí)行指令，最大程度上提升系統(tǒng)的綜合應(yīng)用效率，提高自動(dòng)化控制的實(shí)際質(zhì)量水平。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)化控制單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件單元是大型工業(yè)儀器儀表設(shè)備運(yùn)行控制的基礎(chǔ)和前提，依據(jù)控制設(shè)備實(shí)際的控制需求，設(shè)計(jì)不同數(shù)量的執(zhí)行單元以及數(shù)據(jù)的采集單元，并且在應(yīng)用電路的啟動(dòng)過(guò)程中，與PLC控制器以及對(duì)應(yīng)的上位機(jī)、伺服電機(jī)相連接，由此構(gòu)建控制自動(dòng)化單元。采用自動(dòng)化控制的傳感與集成傳感器串聯(lián)，此時(shí)，電路的電壓與電流均在額定的范圍內(nèi)，可以通過(guò)傳感器進(jìn)行采集與匯總，通過(guò)PLC控制器連接，并且各個(gè)控制單元均屬于獨(dú)立單元，但又存在一定的聯(lián)系。

每個(gè)控制單元均存在存儲(chǔ)區(qū)域，通過(guò)數(shù)字輸入或模擬輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路以及電源的控制，開(kāi)啟PLC控制器單元，并在節(jié)點(diǎn)單元中選定一個(gè)核心單元，選取西門子S7-200系列與系統(tǒng)控制中心關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)電路的自動(dòng)化控制效果，設(shè)定24路輸入的I/O點(diǎn)，同時(shí)，預(yù)設(shè)4個(gè)RS485控制接口，最終完成硬件自動(dòng)化控制單元的設(shè)計(jì)。

1.2 工控電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)之前，需要先進(jìn)行對(duì)應(yīng)工控電路的設(shè)計(jì)。此次系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要采用了工控計(jì)算設(shè)備、PLC關(guān)聯(lián)裝置以及配套的檢測(cè)儀表構(gòu)成的自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的電路。電路在執(zhí)行的過(guò)程中，會(huì)通過(guò)硬件的傳輸信道，將各種變送器測(cè)得的信號(hào)通過(guò)屏蔽信號(hào)電纜傳送至接口柜的接線端子板上，此時(shí)，電路處于閉合的狀態(tài)。隨后，在初始的總控電路中安裝關(guān)聯(lián)控制硬件，并添加控制mic F的實(shí)測(cè)處理信號(hào)，結(jié)合PLC自動(dòng)化控制器，再加上工控機(jī)對(duì)整體電路的處理與分離，使參加控制的轉(zhuǎn)換器以及控制器接口的A/D轉(zhuǎn)換為執(zhí)行傳感設(shè)備，并形成循環(huán)的控制硬件結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

圖1 循環(huán)控制硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1中的結(jié)構(gòu)，最終完成對(duì)循環(huán)控制硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此時(shí)，工控電路處于循環(huán)閉合狀態(tài)，相對(duì)應(yīng)的工控電路也要調(diào)整為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)形式，增強(qiáng)其抗干擾能力，最終完成對(duì)工控電路的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在完成硬件的相關(guān)設(shè)計(jì)后，接下來(lái)，需要進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，需要依據(jù)實(shí)際的處理情況，進(jìn)行PLC自動(dòng)化控制子站的設(shè)計(jì)。PLC自動(dòng)化控制子站實(shí)際上是一種控制指令，它主要是由不同的控制協(xié)議構(gòu)建而成的，并且具有一定的執(zhí)行程序目標(biāo)。利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總和采集，并計(jì)算大型儀器儀表的PLC自動(dòng)化控制的實(shí)際范圍，具體如公式1所示。

式中，Y表示PLC自動(dòng)化控制的實(shí)際范圍，γ表示簡(jiǎn)控程序比值，h表示PLC范圍系數(shù)，?表示控制誤差。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的PLC自動(dòng)化控制的實(shí)際范圍。將這個(gè)范圍作為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)庫(kù)的執(zhí)行初始標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)不同的功能模塊創(chuàng)建整體的控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)，依據(jù)控制特征在PLC執(zhí)行結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建功能體系，與數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)，將得出的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成新的關(guān)聯(lián)控制數(shù)據(jù)庫(kù)，最終完成軟件的相關(guān)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本次主要是對(duì)基于PLC的大型儀器儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)效果的驗(yàn)證，測(cè)試主要對(duì)不同情況下，系統(tǒng)的控制效果作出分析與研究。并于初始的控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)與調(diào)整，接下來(lái)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)備工作。

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

本次測(cè)試選取A工廠的大型自動(dòng)化儀器儀表作為本次測(cè)試的主要研究目標(biāo)對(duì)象，并搭建相應(yīng)的系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境。在系統(tǒng)的電路中設(shè)計(jì)安裝八軸的控制器，設(shè)立6個(gè)自動(dòng)化控制關(guān)節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算關(guān)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)度，具體如式2所示。

式中，M表示關(guān)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)度，d表示目標(biāo)控制范圍，β表示靈活控制誤差。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的關(guān)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)度。依據(jù)自動(dòng)度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行程序，并設(shè)定系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的指標(biāo)參數(shù)，具體如下系統(tǒng)測(cè)2.5對(duì)象最大負(fù)載為3kg，額定功率為0.9kW，額定電壓為220V，額定電流為1600A，執(zhí)行總質(zhì)量為37kg。完成上述設(shè)定和準(zhǔn)備后，核查測(cè)試的設(shè)備以及系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，確保不存在影響最終測(cè)試結(jié)果的外部因素，核查無(wú)誤后，開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

3.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

在上述所搭建的測(cè)試環(huán)境之中，進(jìn)行具體的測(cè)試。創(chuàng)建PLC控制模型，將測(cè)試的設(shè)備劃分為5組，獲取測(cè)試數(shù)據(jù)信息，匯總整合后，添加控制系統(tǒng)之中，最終得出相應(yīng)的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，具體如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息，可以得出最終的結(jié)論：對(duì)比未應(yīng)用PLC的大型儀器儀表自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的靈活性，控制能力更加穩(wěn)定，自動(dòng)化控制誤差也有所減小，效果明顯，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，便是對(duì)基于PLC的大型儀器儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。其實(shí)，在PLC技術(shù)的輔助下，對(duì)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)得到了極大的優(yōu)化與完善，同時(shí)具有更好的靈活應(yīng)用性，對(duì)于大型儀器儀表的控制程度也得到了極大的提升，面對(duì)不同的執(zhí)行控制情況，可以靈活地應(yīng)變，更好地避免了關(guān)聯(lián)性故障以及損害的事故的發(fā)生，有利于系統(tǒng)執(zhí)行控制能力的加強(qiáng)，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更新。