PLC控制系統(tǒng)在自動化設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用探究

譚華杰

（深圳市華杰盛機械有限公司，廣東深圳 518000）

隨著科技的發(fā)展，PLC 技術(shù)快速發(fā)展并廣泛運用于多種領(lǐng)域，企業(yè)在購入復(fù)雜的機械設(shè)備時，應(yīng)由設(shè)備制造廠商的工作人員進行設(shè)備安裝配置，確保設(shè)備可安全運行。投產(chǎn)后，隨著使用時長的增加，設(shè)備磨損等多種因素可能會導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)問題。若當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時，只能停機等待設(shè)備制造廠商的工程師維修設(shè)備，這勢必會影響工作效率。

1 PLC控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1.1 PLC概述

可編程控制器（PLC）是指微處理器技術(shù)、電子繼電器控制技術(shù)、計算機通信技術(shù)、特殊運算處理技術(shù)、高處理速度和高度集成化的通用功能模塊的組合。與計算機控制不同，采用PLC 的自動控制器可以采用編程語言完成信息運算、邏輯控制和程序設(shè)計等功能，然后利用PLC 控制器的I/O 單元、物理總線和物理外設(shè)，將由PLC 控制器的計算機處理單元所確定的處理指令收集并轉(zhuǎn)化為執(zhí)行指令，并通過邏輯程序驅(qū)動執(zhí)行單元實現(xiàn)復(fù)雜的高速邏輯控制運算。通過將微分控制、PLC 動作控制等與智能化技術(shù)的結(jié)合，不僅大幅提高了電氣自動化裝置的工作效率，也同時推動了智能化裝置的發(fā)展。

PLC 技術(shù)廣泛應(yīng)用于家電、航空、醫(yī)療、印染、食品包裝等行業(yè)，促進了我國自動化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。隨著國產(chǎn)微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，逐步將國產(chǎn)PLC技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)電氣自動控制。PLC 技術(shù)具有可迅速檢測的使用優(yōu)點，能組建復(fù)雜電氣系統(tǒng)，安全性較好，能在復(fù)雜的條件下穩(wěn)定運行，可迅速處理誤差問題，通過使用在以太網(wǎng)和路由設(shè)備上的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能力，輕易實現(xiàn)對集成測控網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測。PLC 廣泛應(yīng)用可以減少企業(yè)管理成本，提升電氣自動化行業(yè)的管理質(zhì)量，達到平穩(wěn)運營的目的。

1.2 PLC技術(shù)類型解析

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的重要功能是實現(xiàn)機電設(shè)備的智能化和自動化，F(xiàn)CS 密鑰統(tǒng)一數(shù)值模型，利用多節(jié)點通信技術(shù)建立數(shù)字設(shè)備的內(nèi)部環(huán)境。FCS的主要功用是使設(shè)備之間形成良好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)關(guān)系，為機械設(shè)備的現(xiàn)代化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)，從而提升機械設(shè)備的生產(chǎn)效率。

分散控制系統(tǒng)（DCS）的功能是分散管理，將現(xiàn)場控制站等控制系統(tǒng)接入專用系統(tǒng)，將計算機技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)分散控制和集中控制技術(shù)，信息的集中有利于生產(chǎn)過程的實時調(diào)整和控制。DCS的主要目的是消除和散設(shè)備中的危害，集中管理，實現(xiàn)對機電設(shè)備的有效監(jiān)控。DCS 主要由控制系統(tǒng)、顯示裝置和通信總線組成。通信總線是連接控制單元和顯示單元，采用信息管理技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)進行統(tǒng)一調(diào)度管理，將生產(chǎn)部控制中心和監(jiān)控站接入專用網(wǎng)絡(luò)。

1.3 PLC變頻控制器

PLC 變頻控制器采用現(xiàn)場總線技術(shù)模式代替常規(guī)模擬技術(shù)進行控制逆變器，將頻率連接到profibus-DP 總線。利用實時性和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸機制，數(shù)據(jù)傳輸格式選擇新的ppc-3數(shù)據(jù)段，波特率為387.5kb/s。系統(tǒng)進行新型優(yōu)化：①利用很簡單的布線方式，需要屏蔽中心的雙絞線，同時還需要其他方法為了減少維修作業(yè)；②所提供的穩(wěn)定性避免信號引起的抖動，由于是電磁和其他許多因素，所以與系統(tǒng)速度更可靠；③作為速度設(shè)定而使用開關(guān)值的系統(tǒng)相比，速度設(shè)定從離散值變更到連續(xù)值，容量選擇需要用到頻率轉(zhuǎn)換器而且極為重要。對于負載、間歇負載、極間負載，額定電流較大，選擇逆變器的容量也需要重視。頻率轉(zhuǎn)換器需要依靠最大工作電流來選擇。根據(jù)異步電動機的實際動作中的最大電流選擇頻率轉(zhuǎn)換器，綜合研究了同樣的頻率轉(zhuǎn)換器和售后服務(wù)的性能和價格比較后，選定了三菱企業(yè)的fr-e700和fr-a700系列頻率轉(zhuǎn)換器。另外，在頻率轉(zhuǎn)換器的選擇中，選擇3個頻率轉(zhuǎn)換器進行控制的理由是，當(dāng)單獨的頻率轉(zhuǎn)換器用于控制電機時，驅(qū)動可以同時在不同的方向上移動。如果使用一個頻率轉(zhuǎn)換器來控制3個電機，則驅(qū)動可以在不同的方向上移動。而且，減少了驅(qū)動的工作效率，在變頻器和馬達系列中，電容器常常關(guān)閉。

1.4 PLC在電氣自動化控制中的優(yōu)勢

加速機械和電子的傳輸，PLC 技術(shù)、計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的結(jié)合不僅功耗低，而且質(zhì)量好，工作正常，這可以通過電氣控制不斷改進。PLC 技術(shù)具有預(yù)算數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理功能，適用于各種電氣系統(tǒng)，適當(dāng)處理各種電氣控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，優(yōu)化機械生產(chǎn)工藝，有效地滿足機器進度的某些要求。

2 PLC在自動化設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 電氣自動化控制中的應(yīng)用

自動生產(chǎn)線的電氣自動控制策略基于產(chǎn)品裝配或加工過程、變速器控制要求、制造過程管理和控制要求流程。在自動生產(chǎn)線的計算過程中，根據(jù)相關(guān)的控制程序和控制順序，考慮到成本和運行效果之間的關(guān)系，根據(jù)設(shè)計圖紙，選擇PLC 技術(shù)作為順序控制系統(tǒng)，在正常情況下可以有效地解決這一問題。工業(yè)自動化過程模擬PLC 的PID 控制必須控制壓力、電流、電壓和溫度。用PLC 采用模擬控制單元進行處理，識別數(shù)據(jù)將被分離。從0～65535的字節(jié)數(shù)由端口O 采集，4.20 Ma 或0.5 V 的模擬量由電路單元a、D 和D 轉(zhuǎn)換，以計算數(shù)字大小和模擬大小之間的對應(yīng)關(guān)系，調(diào)整分辨率，將采集數(shù)和分辨率的乘積為輸入或輸出參數(shù)，再采用運算轉(zhuǎn)換為實際數(shù)值，并將其存儲至指定注冊表中的指定位置。當(dāng)形成預(yù)定偏差值后，再進行PID 過程，從而將PLC 的端口控制至輸出。因此通常，在自動控制器有模擬控制和切換功能的需要下，采用模擬控制器單元和PLC 的經(jīng)濟優(yōu)勢優(yōu)于采用特定的PID 控制器單元。同時，運用這種方法還能夠顯著的改善系統(tǒng)資源的綜合效率，以及控制系統(tǒng)組件的工作能力。當(dāng)應(yīng)用PLC 方法實現(xiàn)動態(tài)控制系統(tǒng)時，控制目標通常包括直流伺服電機、永磁鐵交流伺服電機，以及步進電機等。在控制系統(tǒng)原理的指引下，工業(yè)電氣自動控制系統(tǒng)的運動控制設(shè)備主要分為標準計算機總線、嵌入式運動控制器以及采用PLC 的工業(yè)運動控制器。目前，PLC 運動控制器主要廣泛應(yīng)用在制造業(yè)自動化領(lǐng)域。PLC 運動控制器通過運動控制參數(shù)規(guī)劃運動模式，并對運動模式進行數(shù)學(xué)計算。計算結(jié)果是PLC 脈沖控制程序的重要組成部分。最后，通過脈沖電路輸出方式驅(qū)動步進電機或伺服電機，使執(zhí)行機沿直線方向轉(zhuǎn)動，從而完成單軸運動，從而解決了多軸變速控制問題。

2.2 在目標指向系統(tǒng)中的運用

企業(yè)常用的是N80系列國產(chǎn)PLC 的小型工業(yè)自動化PLC，整個PLC 系統(tǒng)分為標準啟動模塊、混合啟動模塊和擴展模塊。N80系列PLC 技術(shù)可以有效地控硬件結(jié)構(gòu)，高效地完成目標輸出、高速定位、系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計與管理等功能。目標控制系統(tǒng)的基本工作機理與構(gòu)造是，目標控制系統(tǒng)首先通過線性的軌道運動機構(gòu)給點源目標，產(chǎn)生自動變化的放射性強度，然后產(chǎn)生自動閉環(huán)控制系統(tǒng)。還有各種目標監(jiān)控裝置，包括電子工控機、PLC 控制系統(tǒng)、輻射源控制子系統(tǒng)、激光傳感投影控制系統(tǒng)、目標位置標志與指示子系統(tǒng)，以及直接控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？刂破鞯脑O(shè)計選擇了將上位機與下位機結(jié)合起來的控制方法，首先上位機為工業(yè)計算機。經(jīng)過線性運算的控制指令被發(fā)送至變送器。然后，下位機再通過向下位機器所接收到的工作狀態(tài)反饋信號解算控制指令，從而驅(qū)動執(zhí)行器實現(xiàn)內(nèi)插動作，并使用了國外公司的PLC N80反饋狀態(tài)信號。在運動單元的設(shè)計中，可以首先得到了顯示系統(tǒng)和被檢測部件之間的定位關(guān)系。預(yù)定控制系統(tǒng)主要處理了在目標光學(xué)系統(tǒng)與檢測元件之間，調(diào)整并對準光軸方向平行的問題。運動單元主要由n80-m48dt 型PLC 控制器、步進電機控制器、執(zhí)行電動機、空間位移測量、距離角檢測系統(tǒng)和控制軟件構(gòu)成。線性運動與目標檢測元件之間的空間位移都出現(xiàn)了改變。當(dāng)測量裝置與X 軸和Y 軸之間的距離設(shè)定且Z 軸之間的距離改變時，必須調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的光軸方位和高度。為此，有必要設(shè)置一個校正機構(gòu)，利用在顯示裝置的運動線上的位置標記的方位和高度，來調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的光軸。光學(xué)系統(tǒng)光軸的空間方向功能通常由PLC 控制單元完成。通過設(shè)置，控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標，速率：每秒0.1；位精度：±0.02°，位偏差占位符≤0.1°等。頻率控制器的設(shè)計，具有數(shù)字PID 控制器、內(nèi)部模塊可編程、外界影響較小、控制精度高等的優(yōu)點。根據(jù)程序配置，DC e5v 的脈沖電壓也可以通過變頻率控制器實現(xiàn)控制，固態(tài)繼電器（SSR）的觸發(fā)控制端可以實現(xiàn)控制。也能夠通過頻率連接。此時，散熱器啟動工作，可以利用高精度PT100溫度傳感器檢測散熱片溫度，反饋的溫度和電流等信息，并將其和PLC 的內(nèi)部溫度參數(shù)加以對比，可以判斷二者的溫度區(qū)別。另外，可以確定用于溫度控制固態(tài)繼電器（SSR）輸出電流的頻率范圍，并建立了閉合溫度控制。根據(jù)溫度控制范圍為25～50℃，采用基于PLC 的自調(diào)整PID 控制方式，實現(xiàn)5℃H的穩(wěn)定溫度控制。測試軟件有一個標準的Windows風(fēng)格的視覺界面。主要有：顯示區(qū)和控制區(qū)。菜單欄、工具欄和運動控制面板提供對象捕獲控制，以執(zhí)行一系列控制顯示，在測試期間捕獲圖像和調(diào)整相機位置。此外，面板向以下計算機發(fā)送控制命令，以接收來自以下計算機的狀態(tài)報告。測試軟件界面美觀，操作方便。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)束語

將PCL 控制應(yīng)用于電氣設(shè)備的自動控制后，F(xiàn)CS系統(tǒng)和DCS 適用于不同的條件和環(huán)境，節(jié)省了許多原始復(fù)雜的繼電器邏輯，改進了機構(gòu)，節(jié)省了成本和人力。這是為了提高電子控制的魯棒性，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的正常工作。另外，PLC 的應(yīng)用與維修也非常簡單。具有電氣專業(yè)基礎(chǔ)知識的技術(shù)人員能夠進行正常運用與維修，它提供了PLC 仿真控制系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢與特色。現(xiàn)階段，電力智能化設(shè)備雖然發(fā)展得很快，但同時也面臨著不少弊端。而PLC 控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用則極大改變了這一問題，不但保障了工業(yè)機械設(shè)備的安全平穩(wěn)工作，同時也極大地提高了控制系統(tǒng)效能。在未來，PLC 技術(shù)還將具有更大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。同時電力智能化技術(shù)也將日益多地運用到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中。因此對于提升制造業(yè)智能化程度，還必須開展更廣泛的應(yīng)用研究。