PLC在機(jī)械電氣控制裝置中的運(yùn)用研究

周燕

摘要：本文深入研究了可編程邏輯控制器（PLC）在機(jī)械電氣控制裝置中的運(yùn)用。通過詳細(xì)介紹PLC的定義、組成、工作原理及編程語(yǔ)言，本文展示了PLC如何有效地提高數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制效率和準(zhǔn)確性，探討了PLC在機(jī)械電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用以及隨著技術(shù)發(fā)展PLC在未來(lái)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，指出了PLC技術(shù)在提高生產(chǎn)效率、降低成本、增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性方面的重要性。

關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)械電氣控制裝置；數(shù)控機(jī)床；工業(yè)機(jī)器人

引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)逐步提升，原有的機(jī)械電氣控制系統(tǒng)已無(wú)法勝任現(xiàn)代工業(yè)高效精確的需求，借助可編程邏輯控制器（PLC）的高度靈活性、穩(wěn)定性和便捷編程功能有助于提升機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的性能。

一、機(jī)械電氣控制裝置概述

（一）機(jī)械電氣控制裝置的定義

機(jī)械電氣控制裝置是指應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備上的電氣控制系統(tǒng)，它利用電氣元件按照一定的邏輯關(guān)系對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行。機(jī)械電氣控制裝置主要由控制部分和執(zhí)行部分兩大部分組成。控制部分負(fù)責(zé)按照預(yù)定的程序?qū)?zhí)行部分進(jìn)行指令控制，執(zhí)行部分則根據(jù)控制指令驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象（如電機(jī)、氣缸等）完成相應(yīng)的動(dòng)作。傳統(tǒng)的機(jī)械電氣控制裝置采用繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等元器件構(gòu)成邏輯控制電路，工作可靠但布線復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、擴(kuò)展性差。

（二）機(jī)械電氣控制裝置的作用

機(jī)械電氣控制設(shè)備在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵角色，自動(dòng)化控制具備提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量、以及緩解人工勞動(dòng)壓力的優(yōu)勢(shì)，能根據(jù)工藝要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)與防護(hù)，確保設(shè)備處于穩(wěn)定、安全的運(yùn)行狀態(tài)，程序化和規(guī)范化的生產(chǎn)工藝也有利于質(zhì)量控制和生產(chǎn)管理，更為重要的是一些先進(jìn)的控制系統(tǒng)還增設(shè)了數(shù)據(jù)采集與工藝優(yōu)化等功能為企業(yè)決策提供有力支持。

二、PLC的基本概念及工作原理

（一）PLC的定義及組成

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱“PLC”）是一種專用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，它采用一種類似于電腦的操作方式以指令語(yǔ)句為程序依據(jù)，通過循環(huán)掃描的方式對(duì)輸入量進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，然后將處理結(jié)果輸出到被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制，PLC主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入／輸出（I/O）接口、編程終端等部分組成，CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行控制程序和處理指令，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)，I/O接口與被控對(duì)象連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，編程終端用于編寫和修改控制程序。

（二）PLC的工作原理

PLC控制系統(tǒng)的工作原理主要包括四個(gè)步驟：首先，經(jīng)由輸入接口將現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)以開關(guān)量或模擬量的形式輸入到PLC系統(tǒng)；其次，PLC的CPU根據(jù)用戶預(yù)先編寫并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序?qū)斎肓窟M(jìn)行邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出結(jié)果；然后，PLC通過輸出接口將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的開關(guān)量或模擬量輸出到控制對(duì)象，最后現(xiàn)場(chǎng)的控制對(duì)象（如電機(jī)、閥門等）按PLC的控制指令工作，在PLC的自動(dòng)化控制下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工藝生產(chǎn)任務(wù)。該過程周而復(fù)始，形成一個(gè)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（三）PLC編程語(yǔ)言

PLC編程語(yǔ)言是完成PLC控制程序編寫的專用語(yǔ)言，主要有梯形國(guó)（Ladder Diagram，LAD）、指令列表（Instruction List，IL）、功能塊圖（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）等幾種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言。

三、PLC在機(jī)械電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)

1.PLC在數(shù)控機(jī)床中的作用

數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代工業(yè)加工業(yè)中的主力軍，其自動(dòng)億控制系統(tǒng)則是確保其高效穩(wěn)定運(yùn)行的核心，在該系統(tǒng)中PLC起著舉足輕重的作用，PLC負(fù)責(zé)數(shù)控機(jī)床各類輔助功能的控制包括主軸啟動(dòng)、冷卻液供給、工件裝夾以及機(jī)床安全防護(hù)等，這些都是數(shù)控加工至關(guān)重要的補(bǔ)充環(huán)節(jié)，需要以極高的精確度和可靠性來(lái)執(zhí)行，PLC還承擔(dān)著對(duì)裝置組件的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷工作若發(fā)現(xiàn)異常狀況或故障，它將會(huì)立即采取系統(tǒng)保護(hù)措施并發(fā)出警報(bào)力求避免造成嚴(yán)重?fù)p失，PLC還負(fù)責(zé)控制數(shù)控機(jī)床與其他配套設(shè)備間的聯(lián)鎖操作，如機(jī)床與車床料架、機(jī)械手的協(xié)同作業(yè)均由PLC負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)及掌控。

2.PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常遵循模塊化、分層次的原則，系統(tǒng)硬件主要包括CPU模塊、電源模塊、輸入，輸出模塊等，其中I/O模塊負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接和通信，軟件系統(tǒng)則由底層的硬件驅(qū)動(dòng)程序、系統(tǒng)基本功能模塊、用戶自編應(yīng)用程序等組成，在具體的控制程序設(shè)計(jì)中要對(duì)機(jī)床系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分解，將輔助功能單元、安全防護(hù)單元、監(jiān)控診斷單元等按功能模塊進(jìn)行劃分。然后針對(duì)每個(gè)功能模塊，按照梯形圖等PLC語(yǔ)言形式編寫相應(yīng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的邏輯控制算法，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)接線情況，對(duì)PLC的I／O點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆峙浜偷刂酚成洌瑸樘岣呖刂葡到y(tǒng)的可靠性、安全性和友好性設(shè)計(jì)時(shí)還需要增加相應(yīng)的冗余備份措施、故障診斷功能和人機(jī)交互界面等。

（二）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種精密復(fù)雜系統(tǒng)，主要由三大部分構(gòu)成，即機(jī)器人本體控制系統(tǒng)、示教編程裝置及外圍功能控制系統(tǒng)，其中機(jī)器人本體控制系統(tǒng)是主體，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，其結(jié)構(gòu)包含數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器及機(jī)器人控制器，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡插補(bǔ)運(yùn)算機(jī)器人控制囂實(shí)施整體動(dòng)力學(xué)分析和控制算祛的實(shí)現(xiàn)。示教編程裝置是人機(jī)交流的關(guān)鍵接口，主要由示教囂、編程單元等硬件設(shè)備和編程軟件系統(tǒng)所組成該裝置預(yù)設(shè)了機(jī)器人工作的先決條件。外圍功能控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)施除機(jī)器人本體控制外的所有輔助控制功能如自動(dòng)上下料系統(tǒng)、夾具／手爪控制、安全防護(hù)系統(tǒng)等，確保整個(gè)工作流程能夠安全且高效地運(yùn)行。

2.PLC在工業(yè)機(jī)器人控制中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)依從模塊化、分層級(jí)原則，硬件設(shè)施主要包括CPU模塊、電源模塊及輸入/輸出模塊等，其中I/O模塊用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成及通訊。軟件系統(tǒng)則包括底層硬件驅(qū)動(dòng)程序、系統(tǒng)基礎(chǔ)功能模塊以及用戶自編應(yīng)用程序等，控制程序需依據(jù)機(jī)床系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分解將輔助功能單元、安全防護(hù)單元、監(jiān)控診斷單元等劃分為獨(dú)立功能模塊。針對(duì)每個(gè)功能模塊，采用梯形圖等PLC編程語(yǔ)言編寫相應(yīng)控制程序，實(shí)現(xiàn)相關(guān)邏輯控制算法，設(shè)計(jì)人員需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)接線情況對(duì)PLC I／O點(diǎn)進(jìn)行妥善分配并地址映射確保系統(tǒng)可靠性、安全性及友好性，增加冗余備份措施、故障診斷功能及人機(jī)交互界面亦是必要。

（三）自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

1.自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

自動(dòng)化生產(chǎn)線是指在生產(chǎn)過程中，采用自動(dòng)傳遞、自動(dòng)操作、自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制等技術(shù)手段，使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)流轉(zhuǎn)和連續(xù)化作業(yè)的生產(chǎn)線系統(tǒng)，相比普通生產(chǎn)線，自動(dòng)化生產(chǎn)線具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

自動(dòng)化生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度很高，生產(chǎn)過程中絕大部分工序都由自動(dòng)控制系統(tǒng)完成，人工干預(yù)較少，這極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。自動(dòng)化生產(chǎn)線的靈活性很強(qiáng)，通過控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和程序調(diào)整，可適應(yīng)不同品種和規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)需求實(shí)現(xiàn)戶戶通技術(shù)提高設(shè)備利用率。自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)過程可實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)控，系統(tǒng)可自動(dòng)采集關(guān)鍵工序的參數(shù)數(shù)據(jù)，并對(duì)異常情況實(shí)施報(bào)警和自動(dòng)處理，確保生產(chǎn)過程可視、可控、可追溯。

2.PLC在自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用

在自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，PLC扮演著十分重要的角色，由于生產(chǎn)線需控制的對(duì)象種類繁多，且各工序之間存在復(fù)雜的聯(lián)鎖、串行和并行邏輯關(guān)系，這些特點(diǎn)都很適合交由PLC來(lái)承擔(dān)控制任務(wù)。

四、PLC在機(jī)械電氣控制系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢(shì)

PLC本身的硬件性能將持續(xù)提升，未來(lái)PLC將采用更快、更大容量的處理器和存儲(chǔ)器，提供更多的編程指令集和功能庫(kù)，同時(shí)還會(huì)支持更多種類的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，實(shí)現(xiàn)與更多設(shè)備的無(wú)縫連接，硬件平臺(tái)的升級(jí)將大幅提升PLC的控制性能和適應(yīng)能力。PLC軟件系統(tǒng)將更加智能化，實(shí)現(xiàn)更為智能的過程控制和優(yōu)化決策功能，同時(shí)軟件系統(tǒng)也將更加人性化，操作界面更友好，遠(yuǎn)程維護(hù)更使捷。

結(jié)論

展望未來(lái)，隨著智能制造和工業(yè)4.0的進(jìn)一步發(fā)展，PLC的功能將更加強(qiáng)大，應(yīng)用范圍將更加廣泛，未來(lái)的PLC技術(shù)將更加注重與信息技術(shù)的融臺(tái)如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)（loT）等新興技術(shù)的結(jié)臺(tái)以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能控制，隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，PLC的決策能力和自適應(yīng)能力也將得到顯著提升為實(shí)現(xiàn)更加智能化、靈活化的生產(chǎn)梳程提供強(qiáng)有力的支持。