關(guān)于PLC 在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用探討

吳小聰

（廣州市輕工技師學(xué)院， 廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)不斷發(fā)展，各行業(yè)都呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，尤其是工業(yè)技術(shù)發(fā)展如火如荼，工業(yè)逐漸成為振興我國(guó)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，這對(duì)于強(qiáng)化我國(guó)的綜合國(guó)力有著積極作用。在21 世紀(jì)信息化技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位的時(shí)代下，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域不斷發(fā)展，尤其是PLC 技術(shù)的應(yīng)用更是實(shí)現(xiàn)了我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的革新和發(fā)展，并在工業(yè)自動(dòng)化控制中占據(jù)舉足輕重的地位。實(shí)踐證實(shí)PLC（可編程邏輯控制器）能滿足以往工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)中許多的客觀要求，對(duì)于提升自動(dòng)化控制質(zhì)量有著重要價(jià)值。此次圍繞PLC 與工業(yè)自動(dòng)化控制深入研究，有重要現(xiàn)實(shí)意義與指導(dǎo)價(jià)值。

1 PLC 與工業(yè)自動(dòng)化控制概念

PLC 全稱為Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器，最早出現(xiàn)于1969 年[1]。在20 世紀(jì)90 年代，PLC 經(jīng)不斷完善后更適合用于現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中。PLC 主要組成構(gòu)件有:第一，電源。電源是保障PLC 相關(guān)模塊集成電路能正常工作的關(guān)鍵，占據(jù)重要地位。第二，中央處理器。中央處理器主要是負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)學(xué)與邏輯運(yùn)算，能控制整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，發(fā)揮出組織和協(xié)調(diào)的作用。第三，存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)、用戶不同類型，主要功能就是存儲(chǔ)關(guān)鍵信息。第四，模塊。模塊在該系統(tǒng)中有著連接作用的通路。第五，編程設(shè)備。該設(shè)備主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)，在系統(tǒng)的運(yùn)行中不能發(fā)揮出特別的作用。由于PLC 系統(tǒng)體積小、功能全、質(zhì)量輕、安全可靠，因而被廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化控制中。工業(yè)自動(dòng)化控制（也可簡(jiǎn)稱為工控）指通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)等，能讓工業(yè)生產(chǎn)和制造的整個(gè)過程更高效、精確的過程，能實(shí)現(xiàn)可控和可視的目標(biāo)。和傳統(tǒng)控制技術(shù)相比，工業(yè)領(lǐng)域中的自動(dòng)化控制，能提升生產(chǎn)效率在300%以上，運(yùn)用價(jià)值突出[2]。工業(yè)自動(dòng)化控制有著廣闊的發(fā)展前景，而與PLC 系統(tǒng)的融合也必定為該領(lǐng)域的發(fā)展注入鮮活動(dòng)力，有利于實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造 2025”、《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等國(guó)家戰(zhàn)略的要求和目標(biāo)。

2 PLC 在工業(yè)自動(dòng)化控制的應(yīng)用影響因素

PLC 應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制中作用突出，且是實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的重要保障，雖然它能為工控帶來便利，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也不可忽視存在著的影響因素。第一，溫度。PLC 應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制中，溫度宜處于0~55 ℃之間，過高或是過低的溫度都可能影響到該系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因而要采取策略加以管理。第二，濕度。濕度對(duì)PLC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大，濕度過大可能損害到PLC 系統(tǒng)中各類元器件的絕緣性能，因而通常要將濕度控制在85%以下，從而為工業(yè)自動(dòng)化控制工作的開展創(chuàng)造有利條件[3]。第三，振動(dòng)。應(yīng)用PLC 時(shí)很可能受到許多因素影響，尤其是以振動(dòng)最為突出。若工業(yè)生產(chǎn)中振動(dòng)非常頻繁且超過了規(guī)定的范圍值，很可能會(huì)影響到PLC 系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。為此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要解決該問題，盡可能地減少振動(dòng)造成的不良影響。第四，電源設(shè)置。電源是PLC 的核心所在，選擇220 V 交流供電并減少外部環(huán)境下的干擾，能確保供電穩(wěn)定持續(xù)，繼而提升工業(yè)自動(dòng)化控制的質(zhì)量。

3 PLC 在工業(yè)自動(dòng)化控制的具體應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制

PLC 應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的控制主要對(duì)象是生產(chǎn)中的模擬量，且此控制方式也常常出現(xiàn)在化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中，效果理想。所謂模擬量（analog quantity）指某個(gè)變量在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的量，其使用屬于PLC 控制的重要部分。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，依托于PLC 能有效統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)前的電壓、電流、溫度等與工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的模擬量，并將其與提前輸入好的歷史數(shù)據(jù)加以對(duì)比，最終得到和生產(chǎn)要求符合的開關(guān)量，從而確保工業(yè)生產(chǎn)過程更完善，各設(shè)備也能按照所預(yù)定的程序來運(yùn)行。首先，PLC 系統(tǒng)先對(duì)各種物理量進(jìn)行采集，包括工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、速度、振動(dòng)等[4]。其次，處理模擬量。模擬量涵蓋輸入、輸出單元兩種，以輸入單元為例，需做好外部接線、程序編寫等相關(guān)程序，方可達(dá)到更好的模擬量控制效果。模擬量接線時(shí)可使用屏蔽雙絞線，能減少電路間不良干擾，保障采集模擬量過程更穩(wěn)定。隨后在程序編寫時(shí)，要編寫關(guān)于模擬量采集等內(nèi)容，包括讀取模擬量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址等，且對(duì)編寫好的程序加以調(diào)試。通過進(jìn)行對(duì)模擬量的控制，便利于實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制。

3.2 應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境控制

工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于環(huán)境的監(jiān)控也非常重要，PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用也常常體現(xiàn)在環(huán)境控制上。不同行業(yè)的產(chǎn)品加工生產(chǎn)中，生產(chǎn)環(huán)境都是影響產(chǎn)品質(zhì)量及其工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素，例如在糧食、酒精等行業(yè)的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，企業(yè)就必須格外關(guān)注到外部環(huán)境，發(fā)酵時(shí)外部的溫度、濕度等因素，都可能影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。為此，要積極應(yīng)用PLC 來進(jìn)行環(huán)境的控制，例如進(jìn)行對(duì)空氣成分、溫度等因素的管控。首先，以空氣成分檢測(cè)為例。工業(yè)企業(yè)可借助于PLC 系統(tǒng)來制作某監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中設(shè)置了煙霧傳感器、一氧化碳傳感器等數(shù)據(jù)采集模塊，同時(shí)還包括網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、存儲(chǔ)模塊、移動(dòng)終端、安全中心、報(bào)警模塊。若在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中有任何可能影響到生產(chǎn)的空氣異常情況，就可借助于PLC 來處理，從而有效改善生產(chǎn)環(huán)境，提升工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。其次，以溫度檢測(cè)為例。例如某食品工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于佐料的溫度有著嚴(yán)格要求，那么便可借助于PLC 來強(qiáng)化管理。先利用編程掌握器來采集工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)（溫度）并處理，并設(shè)置相關(guān)人機(jī)界面，便于技術(shù)人員能了解數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)過程，同時(shí)還要設(shè)計(jì)溫度報(bào)警系統(tǒng)，能提升溫度測(cè)量的精確性并發(fā)出警報(bào)。除了所提及到的溫度、濕度等環(huán)境因素，PLC的應(yīng)用還能體現(xiàn)在對(duì)生產(chǎn)安全的控制上。通過及時(shí)用傳感器裝置分析生產(chǎn)環(huán)境要素，還能合理規(guī)避可能存在的火災(zāi)安全隱患，為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的安全性提供了保障。

3.3 應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量控制

質(zhì)量是企業(yè)的生命，工業(yè)自動(dòng)化控制中，最不可忽視的便是產(chǎn)品質(zhì)量。高質(zhì)量的產(chǎn)品是企業(yè)樹立品牌的前提，也是獲取效益的源泉。反之，若產(chǎn)品質(zhì)量未能達(dá)到滿意的狀態(tài)，會(huì)直接影響到工業(yè)企業(yè)的生存與發(fā)展。PLC 能獲取工業(yè)生產(chǎn)加工的相關(guān)信息并加以監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制。究其原因，是因?yàn)镻LC 本身就集合了有著較強(qiáng)兼容性的信息感知系統(tǒng)，它不但能采集工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品的信息，并將信息進(jìn)行傳送對(duì)比，還能分析出各種殘次品、劣質(zhì)品，為生產(chǎn)質(zhì)量的提高做好保障。在此過程中，工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)人員能通過所獲取到的信息知曉當(dāng)前產(chǎn)品生產(chǎn)中的缺陷問題，并及時(shí)進(jìn)行后續(xù)的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量的改進(jìn)。例如在某工業(yè)企業(yè)中可借助于PLC技術(shù)來設(shè)計(jì)質(zhì)量檢測(cè)提醒系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包括了控制單元、開關(guān)電源、電感式傳感器、繼電器件、聲光報(bào)警器等[5]。當(dāng)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)存在產(chǎn)品質(zhì)量缺陷時(shí)，該系統(tǒng)能及時(shí)提醒檢測(cè)與報(bào)警，最終提升了工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品流通的合格率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)效益與社會(huì)效益的共同提高，推動(dòng)企業(yè)良性發(fā)展。

3.4 應(yīng)用于物理運(yùn)動(dòng)控制

工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品的制造與生產(chǎn)會(huì)需要相關(guān)機(jī)械設(shè)備處理，在此過程中往往會(huì)發(fā)生不同情況的物理運(yùn)動(dòng)。假設(shè)所制造出的零件在物理運(yùn)動(dòng)中因各種外界因素影響而出現(xiàn)軌跡的偏差，那么必定會(huì)影響到該零件的形態(tài)，包括其尺寸、形狀等，無法達(dá)到更完美的工業(yè)制造效果。PLC 系統(tǒng)能對(duì)工業(yè)自動(dòng)化過程中的圓周運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)加以控制，并利用系統(tǒng)的脈沖量來確保其物理運(yùn)動(dòng)維持在常規(guī)狀態(tài)下。由于脈沖控制中的實(shí)際位移量小，也就決定了PLC 系統(tǒng)應(yīng)用于物理運(yùn)動(dòng)控制中的高精度特性。當(dāng)前PLC 在物理運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化中的機(jī)械手、機(jī)床等。首先，以機(jī)械手為例。例如某工業(yè)企業(yè)中運(yùn)用了物料搬運(yùn)機(jī)械手，它本身屬于工業(yè)機(jī)器人的重要部分。為了確保物料搬運(yùn)機(jī)械手的操作高效，動(dòng)作精確，也可利用PLC 系統(tǒng)來加以完善。PLC 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)能更好地控制機(jī)械手的各個(gè)步驟與動(dòng)作，保障工業(yè)生產(chǎn)中各零件的物理運(yùn)動(dòng)更準(zhǔn)確。其次，以機(jī)床控制為例。PLC 系統(tǒng)在現(xiàn)階段工業(yè)領(lǐng)域中的數(shù)控機(jī)床運(yùn)用，主要包括內(nèi)裝、獨(dú)立兩種形式。在數(shù)控機(jī)床中PLC 系統(tǒng)能充當(dāng)其“大腦”，由PLC 發(fā)號(hào)施令實(shí)現(xiàn)對(duì)刀架換刀等運(yùn)動(dòng)的精確性控制，減少了因工件物理運(yùn)動(dòng)失誤造成的不良影響。PLC 系統(tǒng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制中能發(fā)出脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的控制目標(biāo)，調(diào)整優(yōu)化工作機(jī)制。

3.5 應(yīng)用于信息安全控制

從當(dāng)前已經(jīng)發(fā)生過的典型事件來看，當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中還存在安全威脅問題。除了自然災(zāi)害（如洪水雷電）、內(nèi)部安全威脅（人為操作有誤）、設(shè)備故障外，還有惡意代碼、網(wǎng)絡(luò)攻擊等情況，危及到工業(yè)領(lǐng)域的信息安全。工業(yè)自動(dòng)化控制中涉及的信息與數(shù)據(jù)是工業(yè)企業(yè)的核心資源，包括了研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)維、管理、外部等多種信息與數(shù)據(jù)。PLC 系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制中，能充分發(fā)揮出在信息安全控制上的作用，并借助于遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、系統(tǒng)維護(hù)等功能來實(shí)現(xiàn)安全管控。首先，PLC 集成通信板塊采用IPv4 終端模式，并通過以太網(wǎng)串口通信協(xié)議，能確保PLC 系統(tǒng)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的高效安全傳輸，避免存在協(xié)議漏洞，而導(dǎo)致信息泄露。其中IPv4 終端的特點(diǎn)在于無連接協(xié)議，所需要的內(nèi)存小，能構(gòu)建虛擬的通信層。其次，PLC 系統(tǒng)中要集成防火墻技術(shù)（Firewall Technology）。該技術(shù)屬于網(wǎng)絡(luò)防御技術(shù)，它能對(duì)進(jìn)出該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)加以保護(hù)，從根源上杜絕各種惡意代碼、惡意入侵的現(xiàn)象，保護(hù)該系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)與信息的安全。再者，要將部分非必要的UDP/TCP 端口關(guān)閉，同時(shí)監(jiān)聽管理必須端口中所發(fā)出的通信內(nèi)容[6]。若在監(jiān)聽中檢測(cè)到了可能存在畸形化的報(bào)文內(nèi)容，必須及時(shí)由系統(tǒng)管理員處理，將其置入黑名單。最后，還要構(gòu)建全方位的校驗(yàn)機(jī)制。通過校驗(yàn)工業(yè)自動(dòng)化控制中的信息安全風(fēng)險(xiǎn)能最大程度上地發(fā)揮出PLC 系統(tǒng)的應(yīng)用功能，繼而做好工業(yè)產(chǎn)品相關(guān)信息的保密。

4 PLC 在工業(yè)自動(dòng)化控制的應(yīng)用前景

PLC 能在工業(yè)自動(dòng)化控制的多個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮作用，有非常廣闊的發(fā)展前景。結(jié)合實(shí)際來展望未來，PLC 在工業(yè)自動(dòng)化控制的應(yīng)用主要會(huì)朝著以下三個(gè)方向來發(fā)展：第一，智能化。當(dāng)前隨著各項(xiàng)智能技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)，有更多先進(jìn)的智能技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺等）開始在各個(gè)領(lǐng)域大放異彩。數(shù)字技術(shù)無論是傳輸?shù)馁|(zhì)量、速度還是安全性，都較于以往數(shù)據(jù)傳輸有明顯優(yōu)勢(shì)。在未來PLC 技術(shù)的智能化控制也會(huì)受到更多關(guān)注，促使其在工業(yè)自動(dòng)化控制的應(yīng)用也更智能、高效。第二，專業(yè)化。雖然和傳統(tǒng)生產(chǎn)模式相比，PLC 系統(tǒng)的應(yīng)用讓工業(yè)生產(chǎn)的效率、質(zhì)量和安全都得到了明顯改善，但實(shí)際應(yīng)用仍然有一定的不足，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備控制有缺陷。在未來，PLC 用于工業(yè)自動(dòng)化控制中的相關(guān)元器件質(zhì)量會(huì)得以改善，一定程度上推動(dòng)了專業(yè)化發(fā)展。第三，信息化。信息技術(shù)在PLC系統(tǒng)的發(fā)展中占據(jù)著主導(dǎo)地位，決定了PLC 信息化發(fā)展方向。與此同時(shí)，關(guān)于PLC 技術(shù)和其他軟件平臺(tái)的兼容也是重要的發(fā)展趨勢(shì)，能更好地實(shí)現(xiàn)資源共享與生產(chǎn)體系融合。

5 結(jié)語

《關(guān)于鞏固回升向好趨勢(shì)加力振作工業(yè)經(jīng)濟(jì)的通知》要求要積極推進(jìn)2023 年的新型工業(yè)化進(jìn)程。目前，隨著我國(guó)綜合實(shí)力提升和科技進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展也獲得了更有利的契機(jī)。例如信息化技術(shù)發(fā)展的良好形勢(shì)下，PLC 技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，并開始在工業(yè)自動(dòng)化控制中迅速得到重視與應(yīng)用，不斷拓展了運(yùn)用范圍，也促進(jìn)了工業(yè)化的積極向好發(fā)展。從研究可知，PLC 應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制的環(huán)節(jié)較多，且有著廣闊的發(fā)展前景，作為工業(yè)企業(yè)更要結(jié)合因地制宜、與時(shí)俱進(jìn)的雙原則，結(jié)合自身實(shí)際情況來充分發(fā)揮出PLC 的作用，并將其優(yōu)化處理，完善PLC 源碼，以確保它在工業(yè)自動(dòng)化控制中能發(fā)揮效能，助推工業(yè)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。