PLC在智能機(jī)械控制上的應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)分析

唐 毅，常 建，高 雪，岳明明

（1.四川天源宏創(chuàng)科技有限公司，四川 成都 610040；2.航天鈞和科技有限公司，河北 廊坊 065500）

0 引 言

隨著我國(guó)科技水平的快速提升，社會(huì)經(jīng)濟(jì)趨于知識(shí)型發(fā)展，各種先進(jìn)信息技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，智能制造成為新時(shí)期的重要發(fā)展趨勢(shì)。新型工業(yè)時(shí)代悄然到來(lái)，為使我國(guó)從制造大國(guó)轉(zhuǎn)為制造強(qiáng)國(guó)，需提高對(duì)智能機(jī)械的重視和有效應(yīng)用。此外，需加強(qiáng)PLC在該領(lǐng)域的深入研究，促進(jìn)智能機(jī)械不斷進(jìn)步和發(fā)展，保證我國(guó)在世界大市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳步。

1 PLC控制系統(tǒng)

隨著工業(yè)化發(fā)展的不斷深入，傳統(tǒng)繼電器控制裝置已無(wú)法有效滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)要求。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)率先研發(fā)出PLC控制系統(tǒng)，并在世界范圍內(nèi)大規(guī)模推廣和應(yīng)用。在良好的工業(yè)環(huán)境下，各種新型網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)迅速發(fā)展并科學(xué)運(yùn)用，PLC控制系統(tǒng)的功能也進(jìn)一步完善和優(yōu)化，并在工業(yè)生產(chǎn)中成功實(shí)現(xiàn)有效地控制邏輯、運(yùn)動(dòng)和過(guò)程。

PLC控制系統(tǒng)由中央處理單元、存儲(chǔ)器及邏輯組態(tài)軟件等組成。通過(guò)綜合運(yùn)用可完成邏輯運(yùn)算、制定順序操作及定時(shí)等不同的工作指令，可在采集、輸入及輸出相關(guān)信息數(shù)據(jù)時(shí)，按照具體工藝流程規(guī)定和要求完成各項(xiàng)操作。可編程邏輯控制器是PLC最重要的組成部分之一，同時(shí)綜合運(yùn)用了控制、通信等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的有效控制。該控制器主要包括電源、I/O模塊及中央處理器等部分。通過(guò)這些模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和廣大用戶(hù)之間的連接。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的支持下，可使不同設(shè)備和系統(tǒng)之間完成有效通信。邏輯組態(tài)軟件屬于PLC控制系統(tǒng)中的監(jiān)控層，主要工作于上位機(jī)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控離線(xiàn)仿真、在線(xiàn)診斷等不同的應(yīng)用功能。監(jiān)控組態(tài)軟件在PLC中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，主要滿(mǎn)足于信息數(shù)據(jù)的采集和機(jī)械操作過(guò)程的有效掌控，可確保控制的高效性和科學(xué)性，并確保系統(tǒng)監(jiān)控的質(zhì)量和水平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，通過(guò)加強(qiáng)PLC控制系統(tǒng)的科學(xué)、有效應(yīng)用，可保障智能機(jī)械的合理化掌控，同時(shí)提升系統(tǒng)運(yùn)行效率和安全性。此外，PLC可在模塊化設(shè)計(jì)時(shí)促使系統(tǒng)維護(hù)更加方便，易于操作。

2 PLC特點(diǎn)概述

PLC控制系統(tǒng)主要應(yīng)用大規(guī)模集成電路，在其內(nèi)部電路中對(duì)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行有效的光電隔離，同時(shí)應(yīng)用故障診斷和電源屏蔽等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性要求。PLC的無(wú)故障時(shí)間較多，一般可達(dá)5～10萬(wàn)小時(shí)。分析機(jī)外電路，并比較其他規(guī)模一致的繼電接觸器后發(fā)現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)中的電氣接線(xiàn)大幅降低，故障率也不斷下降?，F(xiàn)階段，運(yùn)用PLC逐漸形成了一系列系統(tǒng)化、規(guī)?；漠a(chǎn)品。PLC控制系統(tǒng)可應(yīng)用于不同的工業(yè)控制，還可有效完成相關(guān)工作任務(wù)。另外，應(yīng)用PLC分析和計(jì)算信息數(shù)據(jù)，并將其成功運(yùn)用于數(shù)字控制作業(yè)。隨著PLC各項(xiàng)功能單元的增加，通信能力得到大幅提升，并逐漸向人機(jī)界面方向發(fā)展。

3 智能機(jī)械控制中PLC的具體應(yīng)用

當(dāng)前，PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在冶金、化工、機(jī)械制造及環(huán)保等不同行業(yè)的有效運(yùn)用[1]。由于PLC綜合性能的提升，它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，應(yīng)用類(lèi)型可分為5類(lèi)。

3.1 邏輯運(yùn)算

PLC控制系統(tǒng)具有邏輯運(yùn)算能力。通過(guò)PLC系統(tǒng)的定時(shí)和計(jì)收等不同功能完成相應(yīng)運(yùn)算，一般應(yīng)用于單片機(jī)、生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)的有效控制，如科學(xué)合理的操控機(jī)床和電鍍流水線(xiàn)，這是PLC最常應(yīng)用的領(lǐng)域之一。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制

大部分控制系統(tǒng)都設(shè)置了伺服電機(jī)、拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)等控制模塊，可有效應(yīng)用于裝配機(jī)械和機(jī)床等不同的機(jī)械設(shè)備。

3.3 過(guò)程控制

規(guī)模較大的PLC中均配置相應(yīng)的PID控制功能，同時(shí)配備相應(yīng)的多路模擬量I/O模塊。一些小型PLC也設(shè)置模擬量的科學(xué)輸入、輸出功能。因此，利用PLC可準(zhǔn)確掌控模擬量，且形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)操作過(guò)程的掌控。該功能一般應(yīng)用于反應(yīng)堆和釀酒等操作。

3.4 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)前，PLC控制系統(tǒng)基本都具有豐富的操作功能，如數(shù)學(xué)運(yùn)算和相關(guān)信息數(shù)據(jù)的傳輸、轉(zhuǎn)換以及科學(xué)排序。此外，PLC控制系統(tǒng)可采集、歸納和處理所需的信息數(shù)據(jù)，并利用通信接口傳輸相關(guān)信息數(shù)據(jù)，最終到達(dá)機(jī)械智能裝置。

3.5 通信聯(lián)網(wǎng)

PLC控制系統(tǒng)的通信模塊主要用于PLC和計(jì)算機(jī)、PLC間及PLC與其他智能設(shè)備間的信息傳遞。應(yīng)用PLC可連接計(jì)算機(jī)的通信轉(zhuǎn)換單元并形成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)構(gòu)成不同級(jí)別的分布式控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的有效運(yùn)行和進(jìn)一步發(fā)展[2]。

4 關(guān)于智能機(jī)械手臂控制的分析

PLC在智能機(jī)械控制中的有效運(yùn)用，比較有代表性的是智能機(jī)械手臂。通過(guò)系統(tǒng)性的分析和探究，智能機(jī)械手臂的實(shí)際運(yùn)行情況如圖1所示。通電后，檢測(cè)裝置馬上執(zhí)行到位，并啟動(dòng)檢測(cè)功能，然后按照具體的檢測(cè)結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的指示信號(hào)，并傳輸信號(hào)至PLC控制系統(tǒng)，然后系統(tǒng)結(jié)合信號(hào)指示機(jī)械下降。當(dāng)下降到相應(yīng)位置時(shí)，PLC接受指示命令，機(jī)械終止操作，然后按照“抓緊”指示完成工件抓緊等一系列操作。完成上述過(guò)程后，PLC控制系統(tǒng)啟動(dòng)上升指示，到達(dá)規(guī)定位置后，系統(tǒng)終止運(yùn)行并下達(dá)放松指示。在確定工件到達(dá)制定位置后，繼續(xù)執(zhí)行上述一系列指示要求，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)的有效循環(huán)[3]。

以智能機(jī)械手臂為例，系統(tǒng)分析各部分組成結(jié)構(gòu)，同時(shí)探討PLC在其中的應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 主控系統(tǒng)

分析智能機(jī)械手臂，它的最關(guān)鍵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是主控系統(tǒng)，也是PLC的核心。通過(guò)科學(xué)運(yùn)用該系統(tǒng)內(nèi)部的可編程存儲(chǔ)裝置，可有效存儲(chǔ)相關(guān)編輯程序，同時(shí)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和順序操控等一系列功能。此外，該系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了程序處理模塊，可按照控制編程的具體規(guī)定和要求完成機(jī)械動(dòng)作的有效管控，同時(shí)分析和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)故障，最終通過(guò)CPU的支持，確保系統(tǒng)具有良好的可控性。

圖1 智能機(jī)械手臂示意圖

4.2 電氣系統(tǒng)

在PLC控制系統(tǒng)中，電氣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)管理和控制電氣設(shè)備，包括I/O設(shè)備、繼電器等，可有效保障系統(tǒng)的順利運(yùn)行。應(yīng)用電氣系統(tǒng)時(shí)，需有效配置繼電器控制和電氣設(shè)備檢測(cè)等相關(guān)技術(shù)，更好地檢測(cè)和監(jiān)控不同信號(hào)，保障信號(hào)的順利輸入、輸出。

4.3 機(jī)械系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要功能是機(jī)械控制中為各種指令的執(zhí)行提供載體支持，包括機(jī)械手、臂、身及腕等組成部分。通過(guò)配合DC技術(shù)和相關(guān)軟件，實(shí)現(xiàn)向上、下、左、右操作和機(jī)械手的放松、收緊等各項(xiàng)功能。在科學(xué)化、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)中，可及時(shí)更新和快速傳輸信息數(shù)據(jù)，保障系統(tǒng)控制的良好穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，在一定程度上簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，促使操作過(guò)程更便捷、高效[4]。

5 PLC在智能機(jī)械控制領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

為適應(yīng)新時(shí)期的發(fā)展要求，我國(guó)加強(qiáng)對(duì)新型信息技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)化及科學(xué)高效應(yīng)用。PLC控制系統(tǒng)的完善和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了更加安全、智能的應(yīng)用。例如，分析和研究PLC時(shí)，由于執(zhí)行任務(wù)難度不斷提高，控制要求和標(biāo)準(zhǔn)不斷增加，它在實(shí)際操作中集成了更多功能，并綜合運(yùn)用了認(rèn)知、采集、決策、執(zhí)行及監(jiān)控等不同功能。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的基礎(chǔ)上，有效連接不同設(shè)備裝置，促使管理和控制過(guò)程趨向于集成化、智能化方向發(fā)展，從而更好地滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行中的相關(guān)要求[5]。

隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和開(kāi)放程度的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不斷優(yōu)化，有效保障了通信過(guò)程的安全和系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的安全。在外界環(huán)境支持下，人們提高了對(duì)PLC控制系統(tǒng)的重視，并期望其在智能機(jī)械領(lǐng)域中發(fā)揮更大作用?；诖耍杩茖W(xué)融合PLC和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，并利用安全密鑰增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信的有效性和安全性。針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，可建立相應(yīng)的安全評(píng)估模型，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)的判斷力，以準(zhǔn)確診斷和有效處理PLC運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的故障問(wèn)題，保障系統(tǒng)操作更加可靠、安全。

此外，工作人員應(yīng)著重分析和研究PLC組態(tài)軟件、控制器等組件，確保其在系統(tǒng)大環(huán)境下有良好的可操作性和自適應(yīng)性，同時(shí)不斷升級(jí)和完善數(shù)據(jù)庫(kù)、操作系統(tǒng)及機(jī)械設(shè)備，增強(qiáng)系統(tǒng)的自主管控性，提高PLC的可控程度。

6 結(jié) 論

綜上所述，在自動(dòng)化系統(tǒng)中，通過(guò)編程控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的有效控制，同時(shí)該控制器也是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分之一。隨著信息化技術(shù)的應(yīng)用升級(jí)，智能制造系統(tǒng)不斷完善和優(yōu)化，智能機(jī)械控制得

到了進(jìn)一步發(fā)展，保障了控制質(zhì)量和實(shí)際運(yùn)行中的穩(wěn)定性。此外，PLC中不斷融入新技術(shù)，促使智能機(jī)械控制趨于高等智能化方向發(fā)展，整個(gè)應(yīng)用過(guò)程更加安全、可靠。本文分析和研究了智能機(jī)械手臂，系統(tǒng)研究了PLC的科學(xué)應(yīng)用和涉及的關(guān)鍵技術(shù)，以期促進(jìn)PLC系統(tǒng)更好地發(fā)展。