PLC技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

浙江華潤(rùn)三九眾益制藥有限公司 崔立敏

1 PLC技術(shù)

PLC技術(shù)是一種可擴(kuò)展的編程控制器，這是一種結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)的先進(jìn)控制方式。PLC系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分為眾多的控制模塊，例如電源模塊，中央處理器模塊，模擬量輸入輸出模塊，數(shù)字量輸入輸出模塊，特殊模塊等，實(shí)現(xiàn)了智能控制功能。PLC技術(shù)的基本運(yùn)行原理是通過(guò)輸入模塊，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)及設(shè)備狀態(tài)讀取到系統(tǒng)內(nèi)，然后通過(guò)中央處理器根據(jù)編寫(xiě)的程序處理邏輯關(guān)系，最后通過(guò)輸出模塊輸出控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)智能邏輯控制。隨著現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，在自動(dòng)化控制技術(shù)的研究過(guò)程中更多的將PLC系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有效地集成在一起，組成一套大型的DCS系統(tǒng)。另外，隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展，在系統(tǒng)中應(yīng)用了高速CPU、高速計(jì)數(shù)，脈沖控制等模塊，以提高PLC在實(shí)際過(guò)程應(yīng)用中的控制能力。并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，遠(yuǎn)程控制等功能。另外在PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)靈活多樣的程序設(shè)計(jì)，將工藝流程通過(guò)梯形圖、語(yǔ)句表的方式系統(tǒng)的展現(xiàn)出來(lái)。

2 PLC技術(shù)的主要特點(diǎn)及價(jià)值

2.1 特點(diǎn)

（1）應(yīng)用廣泛

自動(dòng)化控制系統(tǒng)中使用PLC、觸摸屏、工控機(jī)、伺服控制器等工控設(shè)備，已經(jīng)是每個(gè)制造企業(yè)普遍采用到的技術(shù)。可以說(shuō)現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品制造都離不開(kāi)以PLC系統(tǒng)為基礎(chǔ)或核心的控制系統(tǒng)。通過(guò)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互、設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警提示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)隨處可見(jiàn)。并且通過(guò)程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)水平的提升。通過(guò)豐富的通訊協(xié)議將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)分散的控制節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)融合組成一套大型控制系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)PLC控制系統(tǒng)是自動(dòng)化設(shè)備的靈魂，為技術(shù)人員提升控制系統(tǒng)的水平提供了方法和手段。

（2）工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化

PLC系統(tǒng)利用靈活多樣的通訊接口可實(shí)現(xiàn)集散控制、遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)提取及控制，比如應(yīng)用廣泛的DCS、數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)、設(shè)備群控等系統(tǒng)。并且利用Modbus、自由口通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)了第三方儀表及設(shè)備的通訊。另外通過(guò)時(shí)序控制可實(shí)現(xiàn)在單一網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)輪詢，提高了PLC網(wǎng)絡(luò)的利用率，拓展了PLC的應(yīng)用范圍。PLC豐富的通訊協(xié)議接口便于將現(xiàn)場(chǎng)傳感器、智能儀表、智能執(zhí)行器的等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)字化后整合到DCS控制系統(tǒng)中，是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

2.2 價(jià)值

PLC技術(shù)是一種可塑性非常高的技術(shù)，在應(yīng)用過(guò)程中具有極高的靈活性和適用性。在過(guò)程控制中，可以基于豐富的邏輯程序完成相應(yīng)的對(duì)象控制。此外PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式采用與計(jì)算機(jī)技術(shù)相同的數(shù)據(jù)類型，用戶可以運(yùn)用與計(jì)算機(jī)編程相同的方式來(lái)完成所需的算法。例如利用循環(huán)、分支、選擇、判斷、嵌套等結(jié)構(gòu)完成對(duì)工藝的過(guò)程控制。另外編程軟件中提供了海量的動(dòng)合、動(dòng)斷觸點(diǎn)，足夠使用的寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器及特殊功能繼電器。特別是PLC行業(yè)的龍頭企業(yè)西門子公司具有的指令語(yǔ)句表編程語(yǔ)言，可以類似于匯編語(yǔ)言進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的編程。在實(shí)際應(yīng)用中重復(fù)使用的程序可以編寫(xiě)成帶輸入輸出接口的子程序，對(duì)輸入存儲(chǔ)器賦值就可以得到需要的結(jié)果，也可以通過(guò)多次調(diào)用子程序完成生產(chǎn)過(guò)程中重復(fù)進(jìn)行的動(dòng)作。西門子公司在其軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中將過(guò)程控制常見(jiàn)的PID控制、變頻器控制、讀寫(xiě)系統(tǒng)時(shí)間、模擬量輸入輸出的比例和數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換等編寫(xiě)成功能塊，提供給程序開(kāi)發(fā)人員使用，減輕了開(kāi)發(fā)人員的編程負(fù)擔(dān)，節(jié)約了大量的時(shí)間去用于解決現(xiàn)場(chǎng)工藝難題。再比如電動(dòng)機(jī)的電流也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表的通訊接口遠(yuǎn)程傳送到控制室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集對(duì)保證生產(chǎn)的連續(xù)性、安全性、可靠性、節(jié)能降耗等都存在巨大的價(jià)值。

3 PLC技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用

3.1 在電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化中的應(yīng)用

對(duì)于傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及布線而言，是將電氣元件的數(shù)量及布線的復(fù)雜性作為衡量自動(dòng)化水平的標(biāo)準(zhǔn)，但這降低了使用過(guò)程中的可靠性和增加了故障維修的難度。通過(guò)運(yùn)用PLC技術(shù)形成的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，不需要大量的電氣元件及線路，所有的控制器件及邏輯判斷可以由PLC內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)，自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行效率得到了極大的提高，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)明有效，功能增強(qiáng)體積縮小，使整個(gè)控制系統(tǒng)跳躍式發(fā)展到程序控制階段。

3.2 在維護(hù)及控制邏輯變更中的應(yīng)用

與PLC控制系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)在使用過(guò)程中故障的頻率更高、故障維修時(shí)間更長(zhǎng)，而且這些故障的修復(fù)通常還存在著測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致某些關(guān)鍵部件的損壞。此外當(dāng)工藝要求發(fā)生變化時(shí)改變控制邏輯非常困難。而在應(yīng)用了PLC技術(shù)之后，可以通過(guò)軟件、程序及時(shí)檢查和評(píng)估故障發(fā)生的原因，以便迅速查明故障的位置，并在極短的時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)PLC系統(tǒng)具有在編程、工藝發(fā)生變化的過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行測(cè)試、重寫(xiě)的功能，不需要重新調(diào)整元器件及布線，通過(guò)編寫(xiě)程序快速有效的變更控制邏輯，達(dá)到預(yù)期的控制效果。這些優(yōu)勢(shì)在自動(dòng)化系統(tǒng)的使用中，大幅提升了設(shè)計(jì)的效率和維修的質(zhì)量。

4 PLC技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

4.1 在順序控制中的應(yīng)用

PLC控制系統(tǒng)廣泛用于順序控制中。在過(guò)程應(yīng)用中，使用CPU控制模塊，輸入輸出控制模塊和傳感器相互配合，可以迅速的組合成一套連續(xù)生產(chǎn)的順序控制系統(tǒng)。例在現(xiàn)階段的火力發(fā)電廠中的氣力輸灰系統(tǒng)，上煤連鎖系統(tǒng)。同時(shí)值得特別注意的是，在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，有必要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)傳感器信息輸入。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化連接，可達(dá)到利用工作站控制電氣設(shè)備的效果，使系統(tǒng)的覆蓋面更廣，控制連鎖的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更多，增加系統(tǒng)的可靠性及安全性。

4.2 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

將PLC技術(shù)應(yīng)用于電氣工程中的伺服控制環(huán)節(jié)，可以保證機(jī)械設(shè)備加工精度控制。配合伺服控制器、伺服電機(jī)等部件，可以完成如多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的同步運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)控制中的位移角度控制等一些過(guò)程控制中的難題，在自動(dòng)化產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人制造、數(shù)控機(jī)床等多領(lǐng)域得以應(yīng)用。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中通過(guò)數(shù)字脈沖編碼器獲取伺服電動(dòng)機(jī)的位置信息，對(duì)位置信息進(jìn)行比較、判斷、修正可以保證機(jī)械在可控的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)加工精度控制的要求，收到滿意的效果。由于PLC系統(tǒng)是一套全數(shù)字化系統(tǒng)，對(duì)伺服控制系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差的修正提供了很好的技術(shù)手段，在系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中可以通過(guò)數(shù)據(jù)的調(diào)整完成對(duì)機(jī)械設(shè)備加工精度誤差的修正，大大縮短了閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期。

4.3 在機(jī)床電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

對(duì)于機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)而言，機(jī)床的控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)。而傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)只能去加工簡(jiǎn)單的、精度要求不高的零部件。對(duì)于復(fù)雜的、精度要求高的機(jī)械加工場(chǎng)合只能使用具有PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)。在使用了PLC技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)中，整個(gè)加工過(guò)程各個(gè)聯(lián)動(dòng)軸的動(dòng)作完全由編寫(xiě)的程序及編碼器反饋的參數(shù)控制。此外多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)中急需解決的問(wèn)題是動(dòng)態(tài)性能和加工精度，這對(duì)控制系統(tǒng)的硬件提出了更高的要求，例如高位數(shù)CPU（64位）在數(shù)控裝置上的應(yīng)用，高速納米級(jí)插補(bǔ)運(yùn)算、高分辨率伺服，開(kāi)放式PLC。而在軟件方面，指令代碼的發(fā)展成為了提高加工質(zhì)量的關(guān)鍵要素，將簡(jiǎn)單的指令組合在一起形成帶輸入輸出參數(shù)功能塊、對(duì)精度的補(bǔ)償、加工全過(guò)程的仿真、標(biāo)準(zhǔn)件加工的自動(dòng)編程等功能都是對(duì)加工質(zhì)量的保證。開(kāi)發(fā)出一套操作簡(jiǎn)單、加工精度高，多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床為包括PLC技術(shù)在內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)提供了廣闊的發(fā)展空間。

4.4 在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用提高了工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。管理人員和編程人員可以根據(jù)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量要求將指令輸入到PLC系統(tǒng)中，從而使工業(yè)機(jī)器人可以連續(xù)運(yùn)行。在生產(chǎn)過(guò)程中，中央控制室可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到機(jī)器和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)計(jì)劃參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)了偏差，可以及時(shí)停止生產(chǎn)過(guò)程并進(jìn)行故障維護(hù)，PLC系統(tǒng)通過(guò)模擬仿真程序可以快速的找到故障原因，重新輸入?yún)?shù)、修正指令可以及時(shí)的恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。以此確保產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。工業(yè)機(jī)器人的使用將工業(yè)生產(chǎn)帶入到無(wú)人化時(shí)代，工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率都出現(xiàn)了跨越式的提高。

結(jié)束語(yǔ)：PLC技術(shù)被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的電氣工程、自動(dòng)化控制中，促進(jìn)了我國(guó)電氣工程自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)的應(yīng)用可以有效地優(yōu)化和增強(qiáng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平，是工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展不可或缺的組成部分。在追趕世界先進(jìn)制造水平的今天，深入研究和掌握PLC技術(shù)并使其國(guó)產(chǎn)化是現(xiàn)在面臨的緊迫問(wèn)題，在此希望國(guó)產(chǎn)PLC產(chǎn)品盡快到達(dá)國(guó)際一流水準(zhǔn)。