基于PLC技術(shù)的電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)

歐娟娟, 段向軍, 王春峰

(1.安徽省滁州市機(jī)電工程學(xué)校 機(jī)電與汽車工程系, 安徽 滁州 239057; 2.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院 江蘇,南京 210023)

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了各行各業(yè)技術(shù)革新，尤其是電氣設(shè)備應(yīng)用較廣的制造業(yè),電氣設(shè)備的應(yīng)用使其在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)節(jié)省了大量人力物力以及生產(chǎn)制造時(shí)間[1-2]．在制造精密儀器和相對(duì)復(fù)雜配件時(shí),對(duì)電氣設(shè)備控制質(zhì)量要求較高，電氣設(shè)備控制效果不佳對(duì)工業(yè)生產(chǎn)影響較大,延誤生產(chǎn)工期的同時(shí)也會(huì)造成大量物料消耗[3].針對(duì)電氣設(shè)備控制需求,戴本堯[4]設(shè)計(jì)了注塑機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)從電氣設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)角度出發(fā),利用PLC可編程控制器和觸摸屏以及傳感器等軟件與硬件組合的形式實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備控制,但該系統(tǒng)在其應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性相對(duì)較差,僅適用于某些特定的電氣設(shè)備．劉旭陽等人[5]則針對(duì)溫控電氣設(shè)備設(shè)計(jì)了控制優(yōu)化系統(tǒng),該系統(tǒng)依據(jù)定量反饋理論利用串級(jí)控制算法實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備自動(dòng)控制,但該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在遲滯性特征,導(dǎo)致其控制效果較差．

PLC技術(shù)是專門服務(wù)于工業(yè)環(huán)境內(nèi)的數(shù)字運(yùn)算控制器,其利用可編程存儲(chǔ)器,將邏輯控制算法寫入其中,通過數(shù)字模擬形式輸出控制數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制各類電氣設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)作過程[6-7]．PLC控制器在應(yīng)用過程中具備良好的柔性和可靠性,當(dāng)電氣設(shè)備更新時(shí),PLC控制器無需更換,僅改變其可編寫程序即可[8]．PLC控制器的平均故障時(shí)間可高達(dá)5年,具備較高的可靠性．針對(duì)電氣設(shè)備在其使用過程中控制效果不佳情況,本文設(shè)計(jì)基于PLC技術(shù)的電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng),為提升電氣設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)提供有力手段．

1 基于PLC技術(shù)的電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

“模塊化”思想來源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域,其是利用主程序、子程序等描述主要結(jié)構(gòu)和流程的方式[9]．依據(jù)該思想,設(shè)計(jì)電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示．在圖1電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi),其由模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、PLC可編程控制器等構(gòu)成．其中模擬量輸入模塊由壓力和溫度傳感器構(gòu)成,負(fù)責(zé)采集電氣設(shè)備當(dāng)前壓力和溫度情況,并通過PLC模擬擴(kuò)展子模塊內(nèi)嵌入的EM231或EM235功能擴(kuò)展子模塊將其傳輸至PLC可編程控制器內(nèi)．?dāng)?shù)字量輸入模塊負(fù)責(zé)采集電氣設(shè)備溫度和壓力開關(guān)狀態(tài)并檢測(cè)當(dāng)前開關(guān)電路數(shù)字信號(hào)后,將其傳輸至PLC可編程控制器內(nèi)．PLC可編程控制器利用控制軟件依據(jù)不同信號(hào)屬性,控制電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),并將控制后的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸至數(shù)字量輸出模塊內(nèi),利用該模塊內(nèi)各個(gè)子模塊描述控制后的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和開關(guān)閥電路．?dāng)?shù)字輸出模塊依據(jù)PLC可編程控制器與工業(yè)計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議,經(jīng)由觸摸顯示子模塊將電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息傳輸至工業(yè)計(jì)算機(jī)內(nèi),為用戶呈現(xiàn)電氣設(shè)備控制結(jié)果并提供人機(jī)交互功能．

圖1 電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 PLC硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PLC可編程控制器的設(shè)計(jì)與電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)思想相同,均采用模塊化思想設(shè)計(jì)．可將PLC負(fù)責(zé)計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的主控模塊視為“主機(jī)”,主機(jī)利用不同屬性的總線和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其他模塊間的通信．利用傳感器采集到的電氣設(shè)備實(shí)時(shí)信息和PLC可編程控制器輸出的信息均使用信息輸入輸出模塊處理,為保護(hù)CPU不受PLC程序運(yùn)行干擾,在CPU于I/O接口端實(shí)施光電隔離處理．PLC可編程控制器主機(jī)的CPU內(nèi)部集成了豐富的資源,為更清晰呈現(xiàn)PLC可編程控制器硬件結(jié)構(gòu),對(duì)該結(jié)構(gòu)實(shí)施精簡(jiǎn),所得PLC可編程控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示．在PLC硬件結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi),PLC可編程控制器具備若干接口,負(fù)責(zé)接收傳感器采集到的電氣設(shè)備當(dāng)前溫度與位置等信息和電氣設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行信息．并使用存儲(chǔ)器和CPU分別對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算處理后,利用串行接口、以太網(wǎng)接口等將計(jì)算處理后的電氣設(shè)備信息傳輸給本地和遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/O模塊和互聯(lián)網(wǎng)內(nèi),實(shí)現(xiàn)PLC可編程控制器與工業(yè)計(jì)算機(jī)相連,且可增強(qiáng)PLC可編程控制器的可擴(kuò)展性．

1.3 觸摸屏配置

電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的觸摸屏配置是實(shí)現(xiàn)用戶與PLC可編程控制器之間交互的重要途徑．觸摸屏配置如圖3所示．用戶利用工業(yè)計(jì)算機(jī)內(nèi)的應(yīng)用程序啟動(dòng)圖像界面控制與管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等功能實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度資源管理操作,并使用接口與電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)相連,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能．其中應(yīng)用程序內(nèi)嵌入觸摸屏編程軟件,用戶可自由變更圖形與數(shù)字表達(dá)形式,也可輸入電氣設(shè)備控制參數(shù)，調(diào)取控制日志等[10-11]．在此選擇星火XH-B6055型觸摸屏作為電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)交互的橋梁．

圖2 PLC硬件結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 觸摸屏配置

1.4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件是實(shí)現(xiàn)用戶控制電氣設(shè)備信息管理、參數(shù)輸入等功能的重要途徑．該系統(tǒng)的軟件程序使用STEP7-Micro編程軟件實(shí)現(xiàn)．電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件主要由現(xiàn)場(chǎng)控制模塊、被控對(duì)象、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、人機(jī)交互模塊等構(gòu)成．用戶利用現(xiàn)場(chǎng)控制模塊采集電氣設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)信息,使用工藝運(yùn)行子模塊和設(shè)備通信子模塊獲取其工藝運(yùn)行情況以及設(shè)備通信情況后,利用網(wǎng)絡(luò)通信模塊將電氣設(shè)備運(yùn)行信息發(fā)送至人機(jī)交互模塊．人機(jī)交互模塊接收到電氣設(shè)備運(yùn)行信息后為用戶提供電氣設(shè)備運(yùn)行流程顯示、跟蹤曲線、數(shù)據(jù)窗口展示等功能．?dāng)?shù)據(jù)管理模塊與SQL Server 2017數(shù)據(jù)庫相連,負(fù)責(zé)人機(jī)交互模塊內(nèi)的電氣設(shè)備運(yùn)行信息存儲(chǔ)、管理與導(dǎo)出．

1.5 通信程序設(shè)計(jì)

電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的PLC網(wǎng)絡(luò)通信程序的本質(zhì)是易控組態(tài)軟件和硬件設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換過程,因此需應(yīng)用到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和通信程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備和易控組態(tài)軟件傳輸．工業(yè)計(jì)算機(jī)內(nèi)存在自驅(qū)動(dòng)程序,因此僅需編寫PLC網(wǎng)絡(luò)通信程序即可．電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)選擇TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)內(nèi)存在傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP．兩種協(xié)議通過API函數(shù)調(diào)用[12],API函數(shù)利用Socket接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)自傳輸層向網(wǎng)絡(luò)層傳輸．PLC在通信過程中,TCP/IP通信協(xié)議首先調(diào)取TCP套接字函數(shù),將本地IP和用戶輸入的PORT信息導(dǎo)入到PLC通信程序內(nèi)后,使用bind()函數(shù)將本地IP和用戶輸入的PORT信息和TCP套接字相連．設(shè)置PLC監(jiān)聽端口連接的最大函數(shù),等待遠(yuǎn)程連接成功后獲取新套接字并判斷該進(jìn)程是否為子進(jìn)程,若是則接受用戶鍵盤輸入將該輸入信息向遠(yuǎn)端發(fā)送后判斷該程序是需退出,若是則刪除當(dāng)前套接字和子進(jìn)程,并返回到獲取新套接字步驟．若當(dāng)前進(jìn)程不是子進(jìn)程,則判斷該進(jìn)程為父進(jìn)程,此時(shí)直接進(jìn)入刪除套接字步驟．經(jīng)過上述步驟反復(fù)循環(huán),即可實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的PLC端與用戶輸入端的信息通信．

1.6 基于PLC的電氣設(shè)備控制算法實(shí)現(xiàn)

電氣設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用過程中,大多數(shù)應(yīng)用閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)其溫度、壓力、動(dòng)作等具備連續(xù)變化特征的模擬量,在此使用PID(Proportional-Integral-Differential)控制器實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備自動(dòng)控制,其控制過程如下:

令u(t)表示PID控制器輸出數(shù)值,Y0表示穩(wěn)態(tài)時(shí)PID控制器輸出數(shù)值,則PID控制器輸出數(shù)值表達(dá)式如下:

(1)

式中,Kp、Ti、Td分別表示比例增益、積分、微分比例系數(shù);e表示輸出偏差;dt表示時(shí)間增量．

PID控制器在PLC可編程控制器內(nèi)運(yùn)行時(shí),其控制電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)的時(shí)間是離散狀態(tài),因此PID控制器需使用間隔采樣周期方式對(duì)其輸入信息進(jìn)行采樣并計(jì)算,此時(shí)需對(duì)式(1)實(shí)施離散處理．假設(shè)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行的采樣周期為T,當(dāng)PID控制器采樣時(shí)間符合t=mT時(shí),則微分和積分計(jì)算公式如下:

(2)

式中,j表示電氣設(shè)備,且j=1,2,…n．

利用式(2)計(jì)算PID控制器數(shù)字算法輸出數(shù)值,表達(dá)式如下:

(3)

式中,Ki表示微分系數(shù),Kd表示積分常數(shù)．

在式(3)內(nèi)積分項(xiàng)內(nèi)存在其自開始運(yùn)行以來的所有誤差,為使PID控制器輸出數(shù)值較為精準(zhǔn),對(duì)式(3)進(jìn)行增量計(jì)算,表達(dá)式如下:

ΔY(m)=Y(m)-Y(m-1)=Kp[e(m)-e(m-1)]+

Kie(m)+Kd[e(m)-2e(m-1)+e(m-1)]

(4)

上述公式中僅需獲得電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)前兩個(gè)采樣周期的偏差數(shù)值即可獲取PID控制時(shí)的增量數(shù)值．

依據(jù)式(4)結(jié)果計(jì)算PID控制器在采用時(shí)刻為時(shí)的實(shí)際輸出數(shù)值,表達(dá)式如下:

Y(m)=Y(m-1)+ΔY(m)

(5)

將上述步驟以自編程序方式寫入到PLC可編程控制器內(nèi),經(jīng)過程序啟動(dòng)并完整運(yùn)行,即可實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備自動(dòng)控制．

2 仿真測(cè)試

以加工鉚釘?shù)臄?shù)控機(jī)床為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行智能控制．本文系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows 7 旗艦版操作系統(tǒng),硬盤為三星870QVO固態(tài)硬盤,CPU為Intel 11代i7 11700K型．

2.1 穩(wěn)定性測(cè)試

穩(wěn)定性是衡量系統(tǒng)運(yùn)行重要指標(biāo)之一，優(yōu)良系統(tǒng)其在不同線程數(shù)下的性能損失均較低,設(shè)置系統(tǒng)性能損失閾值為8%．為此測(cè)試了本文系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)不同線程數(shù)下的性能損失值變化情況,結(jié)果如圖4所示．分析圖4可知,系統(tǒng)在開始啟動(dòng)時(shí)其運(yùn)行線程數(shù)較少,系統(tǒng)初始的性能損失數(shù)值也較低,但隨著系統(tǒng)運(yùn)行線程數(shù)量的增加,其性能損失曲線呈現(xiàn)峰狀．在運(yùn)行線程數(shù)量為6時(shí),系統(tǒng)的性能損失達(dá)到最大數(shù)值約為19%,但隨著系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行其線程數(shù)量繼續(xù)增加,系統(tǒng)性能損失曲線迅速收斂．在運(yùn)行線程數(shù)量為14時(shí),系統(tǒng)的性能損失數(shù)值達(dá)到最低為3.9%,且該數(shù)值不受系統(tǒng)運(yùn)行線程數(shù)量增加影響,始終保持該數(shù)值．結(jié)果表明本文系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)其性能損失數(shù)值遠(yuǎn)低于所設(shè)閾值,且當(dāng)其性能損失數(shù)值收斂到最小值后不受系統(tǒng)運(yùn)行線程數(shù)量影響．

圖 4系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果 圖5 通信性能測(cè)試結(jié)果

2.2 通信性能測(cè)試

以系統(tǒng)通信時(shí)信息傳輸頻譜效率作為衡量本文系統(tǒng)通信性能指標(biāo),通信量增加系統(tǒng)通信時(shí)的導(dǎo)頻數(shù)目也增加,測(cè)試在不同導(dǎo)頻數(shù)目時(shí),本文系統(tǒng)通信傳輸時(shí)的頻譜效率,結(jié)果如圖5所示．分析圖5可知,本文系統(tǒng)在通信時(shí)的頻譜效率數(shù)值隨著信息量的增加而增加．在不同信息量時(shí),導(dǎo)頻數(shù)量越大則其頻譜效率越低．當(dāng)系統(tǒng)在通信信息量超過65 dB后,不同導(dǎo)頻數(shù)量時(shí)的系統(tǒng)頻譜效率曲線均與理想頻譜效率曲線重合．結(jié)果表明本文系統(tǒng)在傳輸信息時(shí),不同導(dǎo)頻數(shù)量時(shí)的頻譜效率數(shù)值已達(dá)到理想數(shù)值, 其具備良好的信息通信性能．

2.3 觸摸屏功能測(cè)試

電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的觸摸屏是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的重要設(shè)備. 本文系統(tǒng)的觸摸屏可為用戶呈現(xiàn)數(shù)控機(jī)床聯(lián)動(dòng)加工時(shí)的給進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)角、當(dāng)前模數(shù)等相關(guān)參數(shù),且用戶可通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、圖形展示等功能．在觸摸屏畫面相應(yīng)的菜單欄內(nèi)可變更當(dāng)前頁面并實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床參數(shù)導(dǎo)出、信息管理等功能．

為更好地呈現(xiàn)本文系統(tǒng)人機(jī)交互功能,以觸摸屏的靈敏度作為衡量其指標(biāo),兩根手指并攏同時(shí)在滑動(dòng)相同軌跡,測(cè)試手指觸控時(shí)觸摸屏的靈敏度,結(jié)果如圖6所示．分析圖6可知,兩根手指并攏在觸摸屏滑動(dòng)時(shí)的軌跡完全相同,且兩根手指滑動(dòng)軌跡較為流暢不存在斷點(diǎn)情況,兩條手指觸摸軌跡線之間間隔數(shù)值也完全相同．結(jié)果表明本文系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)備具備較高的靈敏度和流暢度,可為用戶提供良好的人機(jī)交互功能．

2.4 自動(dòng)控制效果

鉚釘在加工過程中對(duì)其壓制成型的壓力和溫度要求較高,壓力不足則導(dǎo)致鉚釘成型效果差影響其效用,而溫度過高或過低則影響鉚釘內(nèi)部結(jié)構(gòu)．使用本文系統(tǒng)對(duì)鉚釘加工過程中其數(shù)控機(jī)床壓力機(jī)展開自動(dòng)控制,效果如圖7和表1所示．分析圖7可知,使用本文系統(tǒng)控制壓制鉚釘數(shù)控機(jī)床壓力時(shí),在控制時(shí)間為0～7 s之間時(shí),鉚釘承受壓力曲線出現(xiàn)超調(diào)情況．但隨著自動(dòng)控制時(shí)間的增加,鉚釘承受壓力曲線開始保持平滑狀態(tài),且?guī)缀鯚o波動(dòng)情況．而未使用本文系統(tǒng)之前, 鉚釘承受壓力曲線波動(dòng)幅度較大．

圖6 觸控屏靈敏度測(cè)試結(jié)果 圖7 壓力控制結(jié)果

鉚釘加工過程的溫度變化對(duì)自動(dòng)控制的影響.數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過程中,工作車間人員流動(dòng)和室外溫度變化均會(huì)使鉚釘加工車間出現(xiàn)熱負(fù)荷擾動(dòng)情況．因此測(cè)試了熱負(fù)荷擾動(dòng)倍數(shù)不同時(shí),本文方法對(duì)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)控制效果,結(jié)果如表1所示．分析表1可知,熱負(fù)荷擾動(dòng)倍數(shù)可對(duì)數(shù)控機(jī)床溫度自動(dòng)控制造成一定影響．使用本文系統(tǒng)對(duì)該數(shù)控機(jī)床溫度進(jìn)行控制時(shí),在擾動(dòng)倍數(shù)為0.2～1.2時(shí),擾動(dòng)倍數(shù)對(duì)本文系統(tǒng)溫度自動(dòng)控制未造成影響,且其自動(dòng)控制數(shù)控機(jī)床溫度消耗時(shí)間較少．隨著熱負(fù)荷擾動(dòng)倍數(shù)的增加,本文系統(tǒng)在自動(dòng)控制數(shù)控機(jī)床溫度時(shí)出現(xiàn)偏差,但最大偏差數(shù)值為1.79℃,出錯(cuò)百分比僅為0.003左右.結(jié)果表明本文系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備溫度控制效果較佳，且精度較高.

表1 數(shù)控機(jī)床溫度調(diào)節(jié)測(cè)試結(jié)果

綜上所述，本文系統(tǒng)可以有效地自動(dòng)控制鉚釘加工的電氣設(shè)備,且具備良好的應(yīng)用效果．

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于PLC技術(shù)的電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng),在該系統(tǒng)內(nèi)采用PID控制算法,并將其以自編程方式寫入到PLC可編程控制器內(nèi),利用該控制器實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備自動(dòng)控制．仿真測(cè)試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)受線程數(shù)量影響較小,運(yùn)行較為穩(wěn)定，系統(tǒng)頻譜效率曲線與理想曲線重合,具備較好的通信性能，對(duì)數(shù)控機(jī)床的壓力和溫度控制效果較好,具備較好的應(yīng)用性．