淺談PLC在工業(yè)機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中的運(yùn)用

Q摘要：在全球經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)下，現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化快速發(fā)展，機(jī)電一體化作為嶄新的技術(shù)正處于不斷演化并越來(lái)越完善的發(fā)展過(guò)程中。PLC是為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)的數(shù)字操作電子系統(tǒng)，適用于以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)為主的電控控制設(shè)備，是專門(mén)用于工業(yè)控制的微機(jī)系統(tǒng)。文章對(duì)PLC在工業(yè)機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：PLC；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；機(jī)電一體化；邏輯控制；生產(chǎn)系統(tǒng)；電控控制設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP273 文章編號(hào)：1009-2374（2016）06-0051-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.026

由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)更新?lián)Q代的迅速性，在各種不同專業(yè)的學(xué)科技術(shù)之間展現(xiàn)出越來(lái)越深入的相互交叉、相互滲透甚至相互融合的現(xiàn)象，這對(duì)工程領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究與革新在一定程度上起到了很大的促進(jìn)作用。在工業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)和微電子的相關(guān)技術(shù)不斷向機(jī)械工業(yè)滲透，使工業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化發(fā)展突飛猛進(jìn)，最終產(chǎn)生了機(jī)電一體化系統(tǒng)，進(jìn)而促使機(jī)械工業(yè)在技術(shù)、生產(chǎn)、管理等方面發(fā)生了全面的產(chǎn)業(yè)革新，推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)從機(jī)械電氣化階段步入全自動(dòng)智能化的機(jī)電一體化新階段。

1 機(jī)電一體化

機(jī)電一體化是站在系統(tǒng)工程的高度上，將機(jī)械、微電子、信息等技術(shù)的相關(guān)學(xué)科有機(jī)融合而形成和發(fā)展起來(lái)的新興邊緣技術(shù)科學(xué)。它主要是在機(jī)械的主要功能、動(dòng)力系統(tǒng)、信息處理和自動(dòng)控制等功能上引入微型電子技術(shù)，并用一些關(guān)聯(lián)軟件技術(shù)將電子設(shè)備和機(jī)械裝置有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。因此機(jī)電一體化是以微電子的相關(guān)技術(shù)為主導(dǎo)因素，將多種新興的技術(shù)融入到機(jī)械設(shè)計(jì)研究環(huán)節(jié)中，而形成的高性能、高質(zhì)量、高性價(jià)比的綜合性技術(shù)，是電子技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩個(gè)方向的有機(jī)結(jié)合產(chǎn)物。

機(jī)電一體化是對(duì)機(jī)械、自動(dòng)控制、微型電子、電力電子、傳感應(yīng)用觀測(cè)、軟件編程以及信息處理等多種技術(shù)相互穿插的綜合性運(yùn)用。它以系統(tǒng)功能優(yōu)化為目標(biāo)，合理分配及布局相關(guān)的功能模塊，在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、全功能、低耗能及高可靠性的基礎(chǔ)上，確保目標(biāo)功能價(jià)值的體現(xiàn)，以達(dá)到最優(yōu)化的系統(tǒng)狀態(tài)。機(jī)電一體化不是單純地將機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)進(jìn)行疊加，而是將電氣設(shè)備的信息處理和控制功能兩者運(yùn)用特定技術(shù)“揉和”到工業(yè)機(jī)械設(shè)備中去，相互穿插，互為補(bǔ)充，使機(jī)電一體化產(chǎn)品體現(xiàn)出系統(tǒng)科學(xué)的完整性，更具備環(huán)境競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)性。

機(jī)電一體化這種強(qiáng)調(diào)機(jī)與電的有機(jī)結(jié)合的嶄新的學(xué)術(shù)正處在不斷發(fā)展和完善的過(guò)程中，它對(duì)工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。根據(jù)機(jī)電一體化的學(xué)術(shù)思想，各種新型的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品、技術(shù)以及系統(tǒng)，如果是各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械和電子相互結(jié)合而形成的，均隸屬于機(jī)電一體化研究范疇。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的不斷革新，機(jī)電一體化技術(shù)呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)：（1）智能化。應(yīng)用現(xiàn)代控制理論和技術(shù)，吸收人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等新思想，使機(jī)電一體化產(chǎn)品具有一定的判斷推理和邏輯思維能力；（2）微型化。采用精細(xì)加工技術(shù)，使工業(yè)產(chǎn)品向著微米級(jí)別和納米級(jí)別發(fā)展，從而達(dá)到小體積、低耗能、運(yùn)動(dòng)靈活的相關(guān)優(yōu)勢(shì)；（3）數(shù)字化。使機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作、診斷和修復(fù)功能，使機(jī)電一體化產(chǎn)品更具前瞻性；（4）模塊化。使產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系統(tǒng)化是生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)新產(chǎn)品的研發(fā)具有代表性的意義；（5）集成化。對(duì)各種不同的技術(shù)相互之間進(jìn)行滲透和融合、對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和整改，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)加工、裝配、檢測(cè)、管理等多種工序同時(shí)進(jìn)行處理，節(jié)約了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和時(shí)間成本。

2 可編程序邏輯控制器（PLC）

PLC為可編程序邏輯控制器（Programmable Logical Controller）的簡(jiǎn)稱，它是一種把微型處理設(shè)備作為重要元件，使現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)三者結(jié)合協(xié)調(diào)發(fā)展起來(lái)的工業(yè)自動(dòng)控制的通用裝置?，F(xiàn)代PLC是由早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展演變而來(lái)的，它的主要功能由邏輯控制、順序控制衍生出適用于工業(yè)機(jī)械智能化的邏輯判斷、算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理、定時(shí)和計(jì)數(shù)、記憶和聯(lián)網(wǎng)通信及PID回路調(diào)節(jié)等功能。它是微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與繼電器控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以順序控制器作為基礎(chǔ)、以位處理器為核心而發(fā)展起來(lái)的用作數(shù)字控制方面的專用工業(yè)計(jì)算機(jī)。它有專門(mén)的硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)存放在存儲(chǔ)器中的控制程序來(lái)確定控制功能，因此，若是要對(duì)控制功能做相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)，只需要更改部分軟件即可實(shí)現(xiàn)。

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論相互融合發(fā)展而來(lái)的可編程序邏輯控制器（PLC），它既不是普通的計(jì)算機(jī)，也不是一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它作為一種特殊形式的計(jì)算機(jī)控制裝置，在硬件、軟件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成以及多通道用戶界面等許多方面都有其獨(dú)特的性能。

根據(jù)可編程序邏輯控制器的組成結(jié)構(gòu)，可將PLC劃分為整體式和模塊式兩種類型：（1）整體式PLC是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱內(nèi)將電源、輸入輸出I/O接口、中央處理器（CPU）等部件緊湊地排列在一起，具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。小型的PLC裝置的組裝常采用整體式，比如用于教學(xué)的三菱FX2N系列PLC、西門(mén)子S7-200PLC等。整體式PLC由基本單元和擴(kuò)展單元所組成，中央處理器、輸入輸出接口及擴(kuò)展口以及編程器相連的接口等在基本單元內(nèi)，而擴(kuò)展單元只包括輸入輸出和電源等。由電纜線連接著基本單元和擴(kuò)展單元。PLC還有模擬量單元、位置控制單元等特殊功能單元用于功能擴(kuò)展。（2）模塊式PLC是將組成PLC的各部分元器件，分割成中央處理器模塊、輸入輸出模塊、電源模塊以及各種單獨(dú)的功能模塊。模塊式PLC是由一個(gè)基架和各種單獨(dú)功能模塊所組成的。模塊式PLC可根據(jù)所選的不同的功能模塊構(gòu)成不同的系統(tǒng)，裝配靈活多變。模塊式的可編程序邏輯控制器的功能擴(kuò)展、故障維修和設(shè)備維護(hù)極其簡(jiǎn)單方便。因此，為了安裝方便，大、中型PLC都采用的是模塊式結(jié)構(gòu)。

可編程序邏輯控制器（PLC）雖是具有專業(yè)用途的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，但它的市場(chǎng)是面向廣大人民群眾的，因此具備許多顯著的特點(diǎn)，主要包括：性能可靠，抗干擾性好；通用性強(qiáng)，控制程序可靈活多變，使用方便；功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣；編程簡(jiǎn)單，容易掌握；在很大程度上節(jié)省了控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程需要的工作量；日常維護(hù)十分方便。

可編程邏輯控制器（PLC）是多種科學(xué)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其功能非常強(qiáng)大，主要基本功能為：（1）控制功能。包括邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)以及步進(jìn)控制，使PLC具有位處理、時(shí)間設(shè)定、計(jì)數(shù)操作等能力，PLC中的若干個(gè)位移寄存器可以實(shí)現(xiàn)以指定邏輯信號(hào)、時(shí)間、計(jì)數(shù)為轉(zhuǎn)換條件的步進(jìn)控制；（2）數(shù)據(jù)處理。對(duì)所需的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行運(yùn)算、轉(zhuǎn)換和傳送等相關(guān)處理；（3）回路控制。PLC具有數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，可以方便地完成對(duì)模擬量的采集和變換等的控制盒調(diào)節(jié)；（4）通信聯(lián)網(wǎng)。采用先進(jìn)的現(xiàn)代化通信技術(shù)，對(duì)輸入輸出I/O口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)之間的信息傳遞的遠(yuǎn)程控制等；（5）監(jiān)控。PLC設(shè)置了較強(qiáng)的監(jiān)控功能；（6）停電記憶。PLC內(nèi)部有停電保持器件，以保證斷電后能夠?qū)⑿畔㈤L(zhǎng)期保存。

3 工業(yè)機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中PLC的運(yùn)用情況

在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的全自動(dòng)化、智能化前提下，由于可編程序控制器（PLC）功能的強(qiáng)大，已經(jīng)普遍應(yīng)用在機(jī)械制造行業(yè)、電力電子通信行業(yè)、建筑建材行業(yè)、交通行業(yè)等工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。PLC通過(guò)以下四個(gè)方面影響著現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品：

3.1 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制

把專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊運(yùn)用在生產(chǎn)和自動(dòng)控制過(guò)程中來(lái)提高運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度，并且方便運(yùn)行操作。因此，利用PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的有效控制，較為常見(jiàn)類型有機(jī)械塑型、金屬切削、混凝土攪拌機(jī)等。由于高可靠性、高穩(wěn)定性、高抗干擾性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，使PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展前途十分廣闊。

3.2 實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)邏輯量控制

PLC是從繼電器控制發(fā)展而來(lái)的，因此可用PLC代替繼電器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量邏輯控制。PLC常應(yīng)用于家用電器空調(diào)的溫度控制、裝配車(chē)間的上下料系統(tǒng)控制、電鍍生產(chǎn)線控制、傳輸帶運(yùn)行控制、機(jī)床電氣控制等。

3.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理

機(jī)械加工中的計(jì)算機(jī)數(shù)控控制與PLC有機(jī)結(jié)合組成一體，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和處理，主要是運(yùn)用數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)換操作、查表與排序操作以及位操作等功能，也可以對(duì)比和傳輸處理存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并可直接對(duì)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)進(jìn)行打印并制作出相應(yīng)的表格。此控制功能在一些大型機(jī)械制造、電子電路裝配、造紙等行業(yè)的無(wú)人控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。

3.4 實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制

模擬量是隨時(shí)間不斷變化的變量，比如壓力以及溫度等物理量。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用PLC技術(shù)，依據(jù)相關(guān)模擬量的當(dāng)前測(cè)定值以及歷史測(cè)定值，衍生出所需要的相關(guān)開(kāi)關(guān)量或者模擬量進(jìn)行輸出，以確保整個(gè)系統(tǒng)按照既定目標(biāo)準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)行，此為實(shí)施過(guò)程控制的最主要目的。

4 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中，可編程序控制器（PLC）起著舉足輕重的作用，對(duì)現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展和全球工業(yè)智能化的形成以及工業(yè)制造領(lǐng)域的信息化進(jìn)程的加快起著助推劑的作用。因此生產(chǎn)過(guò)程中，要不斷加強(qiáng)PLC的創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)，將現(xiàn)代化制造系統(tǒng)及制造技術(shù)引入工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，推動(dòng)生產(chǎn)模式的更新?lián)Q代的速度，促使工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)一步的發(fā)展。隨著時(shí)代的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械制造行業(yè)將面臨全球化、虛擬化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，從而會(huì)擴(kuò)大可編程邏輯控制器未來(lái)的發(fā)展空間。

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作者簡(jiǎn)介：周方方，女，山東濟(jì)寧人，濟(jì)寧市技師學(xué)院助理講師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：陳 潔）