基于PLC的機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

鄒雯 孔祥振

（滕州市中等職業(yè)教育中心學(xué)校 山東省滕州市 277500）

PLC 是一種具備微型處理器的適用于自動化控制中的一種數(shù)據(jù)化的運(yùn)算控制器，通過將控制指令輸入到控制器的內(nèi)存當(dāng)中進(jìn)行存儲和執(zhí)行，完成對設(shè)備的自動化控制[1]。機(jī)電設(shè)備目前在人們的日常生活中的應(yīng)用逐漸增多，從交通工具到各類家用電器、電子設(shè)備等，已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的機(jī)電產(chǎn)品。通過合理的引入不僅可以有效提高生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動強(qiáng)度，改善原有的生產(chǎn)環(huán)境，從而完成更多人力無法做到的工作，同時機(jī)電設(shè)備作為國家工業(yè)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)設(shè)施，對整個國家的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，都有著更大的影響力度[2]。對此，本文將綜合當(dāng)下市場科技調(diào)研的力度，結(jié)合PLC 具備的顯著優(yōu)勢，提出一種機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)設(shè)計方法，分別從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與軟件功能兩個層面展開設(shè)計和研究，保證控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可發(fā)揮其最高價值。

1 基于PLC的機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 PLC可編程邏輯控制器選型

將PLC 作為設(shè)計的核心部分，對系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計。PLC 可編程邏輯控制器是本文提出的機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備，該控制器的主要組成包括主控制芯片、電磁閥、傳感器以及電動泵等。在對芯片的型號進(jìn)行選擇時，應(yīng)根據(jù)主控制芯片的功能需要、接口處資源、機(jī)電設(shè)備的工業(yè)性、尺寸大小以及功率消耗等相關(guān)因素選擇[3]。針對上述要求，本文選擇將型號為ZW245V25-27的主控制芯片引入到PLC 當(dāng)中。

PLC 可編程邏輯控制器中的電動泵主要用于為機(jī)電設(shè)備提供驅(qū)動，其主要電路是由MOSFET 金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和高速光耦共同構(gòu)成，驅(qū)動形式為脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動，從而讓電動泵獲得自由的調(diào)速。高速光耦作用是將PLC 中發(fā)出的控制信號與電動泵的電路進(jìn)行連接，從而通過將控制信號轉(zhuǎn)換為控制當(dāng)量，對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行自動控制。

1.2 系統(tǒng)電源選型

電源的主要功能是為了給PLC 及其他外部控制部件提供電力，PLC 的工作狀態(tài)為弱電狀態(tài)，因此在系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電壓較低，而系統(tǒng)中的其他外部控制部件為強(qiáng)電工作狀態(tài)，因此產(chǎn)生的電壓差會影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果，為解決這一問題在布設(shè)電源時應(yīng)將外部其他控制部件的電源與PLC 的供電電源隔離。

2 基于PLC的機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 機(jī)電設(shè)備控制數(shù)據(jù)自動采樣

圖1：控制當(dāng)量計算順序圖

將本文基于PLC 的機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集裝置相連接，將控制數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器當(dāng)中，利用計算機(jī)自動獲取機(jī)電設(shè)備每一個端口當(dāng)中的控制數(shù)據(jù)信息，完成對機(jī)電設(shè)備控制數(shù)據(jù)的自動化采樣。在本文系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，控制數(shù)據(jù)中存在一部分無效的數(shù)據(jù)樣本，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)無效控制，采用PLC控制器首先通過掃描的方式，按照實(shí)際控制順序應(yīng)接受的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并通過過濾將數(shù)據(jù)中無效的控制數(shù)據(jù)剔除，將有效數(shù)據(jù)保存在存儲器當(dāng)中。

在上述提出行為的基礎(chǔ)上，應(yīng)持續(xù)進(jìn)行機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)控制端電源最大承受負(fù)荷量，并考慮如何將超負(fù)荷行為值平均轉(zhuǎn)移并分配到系統(tǒng)其他控制節(jié)點(diǎn)上。基于提出的分析內(nèi)容，本文選擇采用云端在線分析的方式進(jìn)行機(jī)電設(shè)備控制數(shù)據(jù)的獲取。并結(jié)合不同控制層在多種狀態(tài)下行為數(shù)據(jù)，計算控制系統(tǒng)每個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的平均自動采樣量。計算公式如下。

公式（1）中：K 表示為機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)的約束條件；λ 表示為系統(tǒng)在常規(guī)運(yùn)行環(huán)境下的頻率參數(shù)；D 表示為系統(tǒng)在采樣過程中控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)負(fù)荷量；R 表示為控制節(jié)點(diǎn)占比；j 表示為i 級的系統(tǒng)層的數(shù)據(jù)量；L 表示為擾動系統(tǒng)的相關(guān)敏感因素。根據(jù)上述計算公式，監(jiān)控機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)在自動獲取數(shù)據(jù)過程中的平衡運(yùn)行能力，并通過網(wǎng)間連接設(shè)備，將獲取的控制參數(shù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，采用單片機(jī)傳輸方式轉(zhuǎn)化為傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議的傳輸方式。

2.2 機(jī)電設(shè)備控制當(dāng)量計算

獲取機(jī)電設(shè)備控制數(shù)據(jù)后，利用PLLC 控制器對數(shù)據(jù)計算，獲取機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)中控制器、變頻器、機(jī)電設(shè)備以及外部環(huán)境的控制當(dāng)量?？刂飘?dāng)量的計算順序如圖1 所示。

由圖1 可知控制當(dāng)量的計算順序，改變PLC 控制器的控制參數(shù)會影響到變頻器、機(jī)電設(shè)備以及周圍環(huán)境的控制參數(shù)。計算時，首先給PLC 控制器一個已知的數(shù)值，利用該數(shù)值，機(jī)電設(shè)備自動給出一個原始恒定的運(yùn)行速度，待機(jī)電設(shè)備運(yùn)行一段時間后，通過改變這一定值，計算相關(guān)當(dāng)量對機(jī)電設(shè)備自動控制。當(dāng)量的計算公式為：

表1：實(shí)驗(yàn)組與對照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

公式（2）中，W 表示為機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)的控制輸出頻率當(dāng)量；Ki 表示為機(jī)電設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中的比例系數(shù)；Kj 表示為機(jī)電設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中的積分系數(shù)；f（x）表示為當(dāng)系統(tǒng)第x 次自動采樣時與實(shí)際定量之間的偏差。利用上述公式計算出機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)對PLC 控制器、變頻器、機(jī)電設(shè)備以及周圍環(huán)境參數(shù)的當(dāng)量數(shù)值。

2.3 控制當(dāng)量映射

得到各機(jī)電設(shè)備的控制當(dāng)量后，利用計算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)深度控制當(dāng)量的映射，映射出兩個4 位數(shù)的8 進(jìn)制數(shù)，最終獲得在每個控制點(diǎn)位上的控制數(shù)據(jù)，再利用特定的變量數(shù)據(jù)對機(jī)電設(shè)備控制數(shù)據(jù)映射，形成區(qū)域性的映射?？刂飘?dāng)量映射是將用戶在系統(tǒng)當(dāng)中輸入的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行控制信息轉(zhuǎn)換為具體的參數(shù)控制，用戶只需事先將規(guī)定的各項(xiàng)機(jī)電設(shè)備控制限制輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，通過系統(tǒng)自動檢測是否進(jìn)行控制參數(shù)的改變。再利用計算機(jī)的端口狀態(tài)對控制數(shù)據(jù)及控制信息進(jìn)行存儲，并將其輸入到相應(yīng)的映射區(qū)域當(dāng)中，通過在區(qū)域映射中對應(yīng)的控制語義、詞義等分析得出正確的控制結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)所設(shè)計的基于PLC 的機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)對機(jī)電設(shè)備控制的同步率是否與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比有所提高，提出一個簡單的對比實(shí)驗(yàn)，將本文設(shè)計的系統(tǒng)與傳統(tǒng)的系統(tǒng)進(jìn)行對比檢驗(yàn)，以市場內(nèi)某機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)廠址作為此次實(shí)驗(yàn)的試點(diǎn)場所，將設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)用到場內(nèi)工作與生產(chǎn)流程中，以此驗(yàn)證本文設(shè)計系統(tǒng)的有效性。下面將進(jìn)行該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的對比實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)設(shè)計。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用虛擬軟件，將本文控制系統(tǒng)中涉及的所有機(jī)電設(shè)備、控制器、變頻器等以及傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備的參數(shù)輸入到軟件中。分別利用兩種控制系統(tǒng)對同一機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，設(shè)置本文控制系統(tǒng)對機(jī)電設(shè)備控制為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對機(jī)電設(shè)備為對照組，分別對兩組系統(tǒng)輸入相同的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行限制，利用本文系統(tǒng)自動完成，利用傳統(tǒng)系統(tǒng)手動完成，將兩組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述提出的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，計算出兩種控制系統(tǒng)的同步率，每組實(shí)驗(yàn)輸出五次，去掉一個實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的最高值和一個最低值，取中間三個數(shù)值，求取平均值。輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將其繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表。如表1 所示。

從表1 中的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組的同步率明顯高于對照組的同步率。且隨著控制次數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)組控制系統(tǒng)的同步率呈逐漸上升的趨勢，而對照組控制系統(tǒng)的同步率呈逐漸下降的趨勢。因此，通過仿真對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，本文提出的控制系統(tǒng)具有更高的同步率，更適用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中對機(jī)電設(shè)備控制。

4 結(jié)束語

結(jié)合PLC 可編程邏輯控制器具備的自動化優(yōu)勢，將其引入到機(jī)電設(shè)備的控制系統(tǒng)當(dāng)中，通過實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了初步自動化，同時同步率得到提高。通過該控制系統(tǒng)的建立對提高生產(chǎn)質(zhì)量、技能水平的自動化都有巨大的推動作用，能夠?yàn)樯鐣徒?jīng)濟(jì)帶來巨大的效益，具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诤罄m(xù)的研究中還將基于PLC 對各個領(lǐng)域中的控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的設(shè)計，并嘗試將本文設(shè)計的基于PLC 的機(jī)電設(shè)備自動控制系統(tǒng)在市場內(nèi)投入應(yīng)用，通過系統(tǒng)在市場的不斷實(shí)踐，掌握本文設(shè)計系統(tǒng)在實(shí)踐運(yùn)行中存在的隱性問題，進(jìn)一步解決問題，完善系統(tǒng)功能，以此發(fā)揮系統(tǒng)在應(yīng)用中的最大價值，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的自動化、可持續(xù)發(fā)展。