基于PLC 技術(shù)的自動(dòng)化機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

房 浩

（1.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018；2.中鐵十九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，北京102600）

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的效率相對(duì)較低，達(dá)不到日益提升的生產(chǎn)需求，制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)線自動(dòng)化程度的要求也越來(lái)越高[1]。機(jī)電自動(dòng)化控制技術(shù)主要包括可編程邏輯控制器（PLC）控制與繼電器控制兩種形式，其應(yīng)用不僅可以節(jié)約資金和人力資源，還能夠提高制造效率與控制精度[2?3]。現(xiàn)階段繼電器控制已逐漸暴露出了較多的缺點(diǎn)，如硬結(jié)點(diǎn)接線復(fù)雜、成本高、改動(dòng)復(fù)雜、易受外界影響等[4]。

相對(duì)而言，PLC 技術(shù)具有更為優(yōu)質(zhì)的邏輯性、穩(wěn)定性、靈敏性，需要的人力參與度較少，主要的人為工作是編寫程序，由于修改程序方便、運(yùn)算能力較強(qiáng)，因此其應(yīng)用日益廣泛[5?6]。自動(dòng)控制技術(shù)采用可編程邏輯控制器，固態(tài)電子器件與光學(xué)傳感器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線機(jī)電控制電路，常被應(yīng)用于生產(chǎn)中[7]。目前，其在機(jī)電工程自動(dòng)化控制、汽車制造控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制、電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域等方面均有著廣泛的應(yīng)用，甚至在軍事國(guó)防領(lǐng)域中也有所應(yīng)用[8?10]?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)研究一種基于PLC 技術(shù)的自動(dòng)化機(jī)電控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)和過(guò)程控制。

1 PLC 技術(shù)

PLC 技術(shù)指在實(shí)踐中利用數(shù)字化編程、智能控制各類系統(tǒng)的技術(shù)。PLC 系統(tǒng)擁有儲(chǔ)存功能，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)、排序等指令?？刂七^(guò)程為：在收到指令后經(jīng)軟件編程的邏輯進(jìn)入各種對(duì)應(yīng)步驟，再通過(guò)傳感器等方式完成信息數(shù)據(jù)輸入/輸出操作，實(shí)現(xiàn)多方管理控制[11]。按照規(guī)模與結(jié)構(gòu)的不同，PLC 技術(shù)可以分為以下幾種類型，如表1 所示。

表1 PLC 技術(shù)的分類

1.1 自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)化在機(jī)電控制領(lǐng)域中主要有兩個(gè)應(yīng)用方面：第一個(gè)是自動(dòng)控制裝置，通過(guò)修改控制程序并將其植入控制終端，由此實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的控制。例如典型的傳感器檢測(cè)流程，如圖1 所示[12]。

圖1 傳感器檢測(cè)流程

第二個(gè)應(yīng)用方面是機(jī)電自動(dòng)控制器，智能的檢測(cè)裝置可以收集檢測(cè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，然后利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率。其優(yōu)勢(shì)在于不易受到外界干擾，能夠準(zhǔn)確分析出工作系統(tǒng)的精確度，一旦出現(xiàn)故障可以及時(shí)告警，減少生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)備維修方面的損失。

1.2 PLC 在機(jī)電控制領(lǐng)域的應(yīng)用

PLC 在自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可以兼顧定時(shí)、計(jì)算數(shù)據(jù)、程序控制等多種功能，且使用方便、安裝簡(jiǎn)單，是促進(jìn)機(jī)電企業(yè)迅速發(fā)展的重要方式。PLC 使用流程如圖2 所示。

2 PLC 機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

為了提高機(jī)電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)質(zhì)量，需要有科學(xué)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，如圖3 所示為機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的典型流程[13]。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)前首先應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)控制對(duì)象的工作過(guò)程全面了解，針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用的特殊要求，熟悉工藝過(guò)程并確定任務(wù)目標(biāo)。

圖2 PLC 使用流程

圖3 典型機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

2.2.1 控制器設(shè)計(jì)

PLC 機(jī)電控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上應(yīng)由PLC、輸入輸出模塊、編程器、獨(dú)立電源模塊、CPLI、PC/PCL 聯(lián)接、編程軟件等幾部分組成，本系統(tǒng)選擇西門子300 系列PCL 作為控制器?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)在于伺服連接電路的設(shè)計(jì)，主要包括伺服通信電路、驅(qū)動(dòng)器和控制器的接線圖及電源電路。主電路通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的5個(gè)端口接觸并連接到電抗器，運(yùn)動(dòng)控制器主要通過(guò)6 個(gè)端口連接到驅(qū)動(dòng)器?？刂破髟O(shè)計(jì)圖要包括各模塊的電路，主要有：

1）以CPU 為核心的電路，用于對(duì)2 個(gè)電磁閥通斷及電動(dòng)泵調(diào)速進(jìn)行管理與控制，包括CPU、譯碼、三總線及總線驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、WDT 等電路；

2）輸入/輸出電路；

3）通信接口電路；

4）打印機(jī)接口電路；

5）顯示電路；

6）電源電路。

2.2.2 電源設(shè)計(jì)

PLC 控制器通常在電壓相對(duì)較低的狀態(tài)下運(yùn)行，但外部控制部件主要在強(qiáng)電情況下工作，易對(duì)控制器造成不同程度的影響。因此，電源需要提供穩(wěn)定的強(qiáng)弱電力供控制器運(yùn)行。此外，設(shè)計(jì)時(shí)要把外部控制部件及控制器所涉及的電源與供電電源有效隔離，伺服驅(qū)動(dòng)器的電源電壓選擇范圍是12～24 V。

2.2.3 其他硬件

傳感器可以將模擬量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行采集。因此，物理量如環(huán)境溫度、機(jī)械壓力、液體流量、氣體成分等被測(cè)信號(hào)均可被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。執(zhí)行器可以分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓三種類型，作用在于接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)并轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)作。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括通信系統(tǒng)、傳感器軟件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件、計(jì)算軟件及控制管理軟件等。為了高效連接各硬件部分，可以增加相應(yīng)的通信設(shè)置。傳感器處理系統(tǒng)基于式（1）對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行處理：

式中：M是處理后的信號(hào)；a是信號(hào)初始值；γ是標(biāo)準(zhǔn)值；κ是信號(hào)權(quán)重。

為了改善自動(dòng)化控制中的非線性誤差與延遲，采用模糊控制PID 算法設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制軟件。PID 算法對(duì)各種控制系統(tǒng)的適應(yīng)性均較強(qiáng)、魯棒性較優(yōu)、調(diào)整精度較高，可以提高自動(dòng)化機(jī)電控制的有效性。

模糊控制分為3 個(gè)步驟：

1）將精度偏差e與偏差變化ec模糊為E和EC；

2）由模糊控制表推理得出推理結(jié)果U；

3）將U模糊判決轉(zhuǎn)化為精確值，用于實(shí)際參數(shù)設(shè)定。轉(zhuǎn)化時(shí)引入量化因子ke，kec和比例因子ku，從連續(xù)域轉(zhuǎn)變到有限域，具體計(jì)算如下：

式中：eH是偏差的高極限值；eL是偏差的低極限值。

式中：ecH是偏差變化的高極限值；ecL是偏差變化的低極限值；uH，uL分別是控制量的高、低極限值。

基于上述原理，取各項(xiàng)參數(shù)，利用式（5）和式（6）建立模糊控制器。

機(jī)電系統(tǒng)的控制軟件包括上位機(jī)與下位機(jī)，上下位機(jī)之間經(jīng)由PN 網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)。下位機(jī)的程序有：主程序塊、數(shù)據(jù)塊、功能塊等結(jié)構(gòu)。功能塊由主程序調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、越限報(bào)警、控制輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（包括絕對(duì)時(shí)鐘和相對(duì)時(shí)鐘）、人機(jī)交互等功能。PLC 編寫程序結(jié)合語(yǔ)句表與梯形圖，以下為主程序塊的部分語(yǔ)句：

上位機(jī)的程序包括：主畫面、參數(shù)設(shè)定、操作模式切換、生產(chǎn)信息、報(bào)警查詢、賬戶管理等功能?？刂破骺梢栽诔Ｒ?jiàn)的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，且下位機(jī)的人機(jī)交互界面可以在多種環(huán)境中開(kāi)發(fā)。但該方案的插值算法是實(shí)時(shí)執(zhí)行的，工作量較大，整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度較高。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在下位機(jī)完成人機(jī)交互，采用插值算法計(jì)算運(yùn)動(dòng)控制核心，大幅降低控制器的實(shí)時(shí)性能要求。

2.4 機(jī)電控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

完成設(shè)計(jì)后，逐步調(diào)試系統(tǒng)，調(diào)試共分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：

1）系統(tǒng)調(diào)試。依照控制器設(shè)計(jì)電路，連接各硬件部分，調(diào)試實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。硬件調(diào)試完成后，進(jìn)行程序軟件的匹配調(diào)試。

2）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。實(shí)驗(yàn)室調(diào)試后，現(xiàn)場(chǎng)需要選擇合理的調(diào)節(jié)參數(shù)，注意接地、環(huán)境干擾等問(wèn)題，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到性能指標(biāo)，完善設(shè)計(jì)方案。

結(jié)合PLC 控制器類型進(jìn)行各電路的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)使用西門子PLC 可編程控制軟件STEP7 的特殊運(yùn)算指令完成系統(tǒng)的程序編譯，并同硬件進(jìn)行連線調(diào)試，通過(guò)調(diào)試即完成了機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。其中，軟件設(shè)計(jì)將軟件模塊化，分別歸類為各子程序，由主機(jī)集成管理控制過(guò)程。最終在模塊上模擬完成控制系統(tǒng)中各子程序的運(yùn)行，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。

3 有效性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)本文基于PLC 技術(shù)與模糊控制PID 算法的自動(dòng)化機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行工作效率分析，完成有效性對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于需要對(duì)照的兩種系統(tǒng)控制方式不同，所以無(wú)法直接比較，因此引入第三方軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)管控效率的記錄。

1）條件參數(shù)設(shè)置。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，由于對(duì)照采用的兩種機(jī)電控制系統(tǒng)不同，所以其控制方法也有區(qū)別。為了得出較為精確、可信的過(guò)程與結(jié)果，需要設(shè)定統(tǒng)一的外部環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)。文中的條件參數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)置結(jié)果，如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

2）對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)獲取常規(guī)非自動(dòng)化機(jī)電控制系統(tǒng)與本文基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)的管控效率，主要從控制管理效率的對(duì)比進(jìn)行系統(tǒng)有效性的驗(yàn)證。從20～220 次實(shí)驗(yàn)中，獲得傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)的控制管理效率，取每隔20 次實(shí)驗(yàn)的記錄進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

由圖4 中可得，傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制管理效率能夠達(dá)到30%左右，而本文設(shè)計(jì)的基于PLC 技術(shù)的自動(dòng)化機(jī)電控制系統(tǒng)的控制管理效率能夠達(dá)到60%～70%。對(duì)比分析可知，文中所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制管理效率較常規(guī)系統(tǒng)提高了約30%。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)基于PLC 技術(shù)的自動(dòng)化機(jī)電控制系統(tǒng)，采用模糊控制PID 算法優(yōu)化控制軟件計(jì)算程序，最終實(shí)現(xiàn)高效率的自動(dòng)控制。最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了常規(guī)非自動(dòng)化控制系統(tǒng)與文中系統(tǒng)的管控效率，證明設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備的管控功能，對(duì)比常規(guī)系統(tǒng)性能更優(yōu)越，比如，管控效率高出30%左右、抗干擾性強(qiáng)、應(yīng)用靈活、實(shí)踐便捷等。同時(shí)，PLC 技術(shù)的合理應(yīng)用可以顯著提高機(jī)電系統(tǒng)的控制管理整體效率與質(zhì)量。值得注意的是，在相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域中必須要明確其具體的環(huán)境與原理，強(qiáng)化自動(dòng)控制和機(jī)電系統(tǒng)的融合程度，進(jìn)而提升應(yīng)用效果。