PLC技術在機械電氣控制裝置中的應用

林燕霞

（長治職業(yè)技術學院，山西 長治 046000）

隨著科學技術的不斷進步，從事電氣自動化的工作人員逐漸將注意力轉移到智能化控制裝置上。傳統(tǒng)的控制技術使用繼電器接觸器控制機械設備，曾在機械化生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，但它的缺點也是顯而易見的，如不能實現(xiàn)高度的自動化、信息化綜合操作。與此同時，近年來隨著科學技術水平的不斷提高，PCL技術得到了極大地發(fā)展，PLC的功能不斷完善并被廣泛應用于機械電氣控制裝置中。毋庸置疑，若要充分發(fā)揮PLC的技術優(yōu)勢，針對機械電氣控制裝置對PLC技術的有效應用進行充分分析和探究就顯得尤其關鍵。

1 PLC的優(yōu)勢分析

PLC是可編程控制器的簡稱，是專門為工業(yè)控制應用而設計的一種通用控制器，微處理器是PLC的核心基礎，在微處理器中集成了多項技術，如現(xiàn)代化的計算機技術、自動控制技術、通信工程技術以及傳統(tǒng)的繼電器控制技術，是一種較為新型的先進控制設備。它由中央處理器（CPU）、存儲器、電源、輸入/輸出模塊、外部設備接口、I/O擴展接口等幾部分組成[1]，如圖1所示。其具有體積小、能耗低、程序編寫方便易學、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、總體的構造設計與安裝調試工作難度低等基本特點。隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術、通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理及圖像顯示技術的發(fā)展，PLC的網(wǎng)絡通信功能、智能模塊功能、外部自診斷功能在不斷增強，使PLC在工業(yè)中的應用更加廣泛。

圖1 PLC系統(tǒng)結構

首先，PLC能適用于各種類型的機械電氣控制系統(tǒng)。PLC不僅具有處理數(shù)字量和模擬量的能力，還具有處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預算以及網(wǎng)絡通信的能力，因此可以對不同電氣控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行分析，最終達到控制機械生產(chǎn)的效果，并且PLC能夠滿足各個先進的科學技術對電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化，從而滿足機械工程發(fā)展的需要。其次，PLC技術引進了許多大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術、通信技術、計算機技術，如此不僅可提高機械電氣控制裝置的抗干擾能力，還可實現(xiàn)機械電氣控制的聯(lián)網(wǎng)及組態(tài)，提高機械電氣控制裝置的安全性、易操作性，提高自動化水平[2]。最后，在PLC控制系統(tǒng)中，如果發(fā)生故障問題，可以自行及時分析診斷故障原因，并發(fā)出預示警告信息，有助于技術管理人員高效化處理系統(tǒng)問題，進而提高整體工作效率。

2 PLC技術在機械電氣控制裝置中的重要作用

2.1 簡化操作過程

PLC的軟件編程功能可以實現(xiàn)以往繼電器控制裝置中多個零部件的功能，將整體操作流程進一步簡化，當生產(chǎn)工藝及控制要求發(fā)生變化時，只需修改編程內容就可以迅速滿足工藝生產(chǎn)需求，有助于提高整體工作效率。相較于繼電器控制系統(tǒng)，省去了控制柜的設計、安裝、接線等工作。另外，在機械電氣控制裝置運行中，只需按照PLC上位機發(fā)出的指令進行操作即可，與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，簡化了人工操作的煩瑣性，降低了勞動強度，提高了機械電氣控制裝置的運行效率與企業(yè)的經(jīng)濟效益[3]。

2.2 功能多樣化

PLC與觸摸屏通信，可以將采集到的機械設備工作現(xiàn)場的各種信號，以圖形、動畫等直觀形象的方式呈現(xiàn)出來，從而對現(xiàn)場進行監(jiān)視和控制；也可以直接對控制系統(tǒng)發(fā)出指令，設置參數(shù)干預機械設備工作現(xiàn)場的控制流程；還可以將控制系統(tǒng)中的緊急工況（如報警等）通過軟件界面、電子郵件、手機短信、聲音和計算機自動語音等多種手段，及時通知給相關人員，使他們及時掌握機械設備工作現(xiàn)場的情況[4]，從而實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的信息控制和管理。

隨著新智能I/O模塊的誕生，PLC的實時精度、分辨率、人機對話等方面得到了進一步的改善和提高，有助于實現(xiàn)基于PLC控制技術的機械電氣控制裝置的自動化和智能化發(fā)展。

3 PLC系統(tǒng)設計

PLC在機械電氣控制裝置中主要應用于FCS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)有不同的特點及適用范圍。應根據(jù)機械設備的運行特點及控制要求進行全面分析，選定系統(tǒng)，進而確定PLC的類型、型號，然后進行硬件設計及軟件設計，具體設計步驟如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)的設計步驟

3.1 確定控制對象及控制范圍

詳細了解被控對象的控制要求，然后對被控對象的工藝要求、控制規(guī)律、控制過程和運行特性進行詳細分析，明確需要準確完成的規(guī)定流程、動作、指令，全面細化出工作循環(huán)體系。

3.2 選定PLC型號、基本單元、功能模塊

通過被控對象的設計圖紙、工藝要求及現(xiàn)場考察情況，確定輸入信號、輸出信號的具體需求，如數(shù)字量、模擬量，合理調整內存容量設計，確?？梢粤粲谐浞钟嗔壳也粫a(chǎn)生資源浪費，并確定能夠與各儀表的接口、其他PLC、計算機或智能設備通信。根據(jù)以上內容確定PLC的硬件配置，例如輸入模塊的電壓和接線方式、輸出模塊的輸出形式、特殊功能模塊的種類及型號等[5]。

3.3 硬件設計

硬件設計是以PLC為核心來進行設計的，是系統(tǒng)設計的重要內容。根據(jù)所選用的PLC產(chǎn)品，結合實際需求，列出I/O口分配表，然后繪制PLC外部接線圖及電器控制系統(tǒng)總裝配圖。

設計控制線路時，為了保證PLC能夠安全可靠運行，還應注意在PLC輸出的負載回路中加裝熔斷器，防止負載短路時損壞PLC內部的輸出元件；為保證PLC的接地效果，在實際條件允許時最好進行獨立的接地處理，分別管理其他設備與PLC的接地裝置；同時，應盡可能地將PLC的接地線縮短，控制接地點與PLC的距離。

3.4 軟件設計

1）在設計PLC程序的過程中，需要結合具體的工藝需求和控制系統(tǒng)的整體要求，畫出程序流程圖，然后將程序流程圖轉換為梯形圖，這是PLC應用中最關鍵的問題。在編寫程序的過程中，可以借鑒現(xiàn)成的標準程序或參考繼電器的控制原理圖，選用經(jīng)驗設計法或順序功能圖設計。同時，需要及時對編寫的程序進行注釋，包括編寫程序具備的功能、程序控制之間的邏輯關系、總體設計規(guī)劃、信號的輸入輸出位置等，便于對PCL進行維護管理。

2）模擬調試。程序初調也稱為模擬調試，將設計好的程序寫入PLC中，在實驗室中試運行程序，結合試運行期間程序的具體表現(xiàn)，及時修改編程內容，確保最終設計完成的編程程序可以滿足工程流程的總體要求。在試運行時，結合控制要求，利用開關或是按鍵來模擬PLC信號的輸入輸出，通過PLC輸出模組上的繼電器發(fā)光二極管，準確觀察輸出信號的變化情況以及邏輯運行狀態(tài)是否與設計一致，及時針對相應問題進行修改調試，直至完全符合設計。

3.5 現(xiàn)場調試

在前期調試完全符合標準后，需要對調試好的程序進行現(xiàn)場調試。在現(xiàn)場使用的PLC控制裝置中輸入合格程序，這時可以先不帶負載，只接上接觸器線圈、信號燈進行調試。正式調試前全面檢查整個PLC控制系統(tǒng)，包括電源、接地線、設備連接線、I/O連線等，在保證整個硬件連接正確無誤的情況下即可送電調試，利用計算機監(jiān)視梯形圖，采用分段、分級調試的方法進行[6]。在各環(huán)節(jié)調試正常后，開始加載實際負載進行現(xiàn)場調試。如果現(xiàn)場調試存在問題，則需要對硬件設備和程序進行相應調整，一般僅需對部分程序進行修改就可以符合目標要求。多次調試可以消除大量的潛在問題，保證后期實際運行的安全有序。待全部調試完成后，將程序固定在PLC控制裝置中并進行備份。

4 機械電氣控制裝置中PLC的具體應用分析

4.1 開關量邏輯控制

開關量邏輯控制取代了傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制，主要功能是完成開關邏輯運算和進行順序邏輯控制，其是PLC最基本、最廣泛的應用領域，可應用于單機控制、多機群控、自動化生產(chǎn)線的控制等。

4.2 生產(chǎn)過程中的模擬量控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，需對流量、壓力、溫度等模擬量進行控制，可以使PLC通過專用的模擬量輸入/輸出模塊及用戶程序來完成轉換，即通過輸入模塊A/D轉換將外電路的模擬量轉換為數(shù)字量并送入PLC中，然后執(zhí)行用戶程序，最后通過輸出模塊D/A轉換，把PLC運算處理后的數(shù)字量信號轉換成相應的模擬量信號輸出，滿足機械設備生產(chǎn)現(xiàn)場連續(xù)信號的控制要求[7]。另外，部分PLC還提供了典型控制策略模塊，如PID模塊，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的PID反饋或其他模擬量的控制運算。

4.3 數(shù)據(jù)處理

PLC不僅具有進行算術運算、函數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等功能，還可以進行數(shù)據(jù)排序、查表、轉換。經(jīng)PLC處理的數(shù)據(jù)可以與存儲內的設定值進行比較，從而完成程序設定的控制操作或打印制表；也可以利用網(wǎng)絡通信傳送到上位機或其他智能裝置。數(shù)據(jù)處理一般用于無人控制的柔性制造等大型控制系統(tǒng)或食品工業(yè)中的過程控制系統(tǒng)[8]。

4.4 通信聯(lián)網(wǎng)

PLC作為下位機，與同級PLC、上位計算機或其他智能設備進行通信，構成網(wǎng)絡，以實現(xiàn)信息的交換，并可構成“集中管理、分數(shù)控制”的分布式控制系統(tǒng)，以此實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的智能控制和管理，滿足自動化系統(tǒng)的需求，同時向智能化方向發(fā)展，創(chuàng)造更高的效益[9]。

5 實例應用分析

礦井提升機是煤礦運輸?shù)闹匾O備，是聯(lián)系井下和地面的紐帶，傳統(tǒng)的提升機控制系統(tǒng)存在線路復雜、調試性能差、故障率高、能耗高、自動化程度相對較低等問題。采用PLC控制系統(tǒng)，配置兩套PLC且熱備冗余（電源冗余、CPU冗余、控制網(wǎng)絡冗余、I/O冗余、上位機冗余），采用標準以太網(wǎng)通信，上位監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機與觸摸屏一體機，并配有數(shù)字監(jiān)控器、信號調節(jié)反饋等模塊。在這種控制方式下，調速系統(tǒng)以通信方式交換過程數(shù)據(jù)，調速更平穩(wěn)，實現(xiàn)了統(tǒng)一編程組態(tài)、集中控制、監(jiān)視和管理。現(xiàn)場技術人員評價認為整個系統(tǒng)控制精度高、運行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，并且有更友好的人機界面[10]。提升機采用PLC控制后，對提高系統(tǒng)自動化水平、系統(tǒng)運行效率非常有利，并且為礦井智能化發(fā)展奠定了一定基礎。

6 結束語

綜上所述，PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、操作方便、能夠處理數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)勢，在機械電氣控制裝置中得到了廣泛應用，不僅實現(xiàn)了企業(yè)統(tǒng)一編程組態(tài)、集中控制、監(jiān)視和管理，提高了系統(tǒng)自動化水平及系統(tǒng)運行效率，還為機械電氣控制裝置向智能化發(fā)展奠定了基礎。