探討PLC控制技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

王秀鋼

［摘 要］機(jī)械自動(dòng)化控制是工業(yè)高速發(fā)展的要求，機(jī)械自動(dòng)化控制不僅可以提高機(jī)械生產(chǎn)的效率，還能提高機(jī)械生產(chǎn)的安全性。在機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展過程中，控制單元過少、自動(dòng)化功能簡單是一直困擾機(jī)械自動(dòng)化控制行業(yè)的問題。PLC控制技術(shù)具備操作簡單、適用性強(qiáng)以及可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械自動(dòng)化控制中應(yīng)用，可以解決機(jī)械自動(dòng)化控制中存在的問題?，F(xiàn)階段，PLC控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化控制中，推動(dòng)了機(jī)械自動(dòng)化控制的發(fā)展。本文分析了PLC控制技術(shù)的內(nèi)容、工作原理和應(yīng)用優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上，剖析了PLC控制技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化控制中的具體應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］PLC控制技術(shù)；機(jī)械自動(dòng)化控制；應(yīng)用

［中圖分類號］TP2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化控制中，可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械整體運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)管理，PLC控制技術(shù)對機(jī)械運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、分析，然后輸出程序，控制機(jī)械的運(yùn)行方式。當(dāng)機(jī)械的輸入條件發(fā)生改變時(shí)，PLC技術(shù)可以自動(dòng)刷新輸出，從而達(dá)到自動(dòng)控制機(jī)械運(yùn)行的功能。隨著PLC自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和在機(jī)械自動(dòng)化控制中的進(jìn)一步加強(qiáng)，目前的機(jī)械自動(dòng)化控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高效率、低能耗、高精度的制造能力。

1 PLC控制技術(shù)概述及其原理

1.1 PLC控制技術(shù)概述

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算控制器，具有存儲(chǔ)和執(zhí)行控制指令的功能。PLC通常包含CPU、內(nèi)存、輸入接口、輸出接口、轉(zhuǎn)換器等模塊。最早的PLC只能實(shí)現(xiàn)邏輯控制的功能，隨著自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，如今的PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制、 模擬控制、多機(jī)協(xié)同控制等功能，在機(jī)械自動(dòng)化控制中得到了進(jìn)一步的運(yùn)用。

1.2 PLC控制技術(shù)的原理

PLC控制技術(shù)采用循環(huán)掃描的工作原理，用戶程序按順序存儲(chǔ)在PLC中，處理器從第一個(gè)命令開始執(zhí)行程序，與最終機(jī)制相遇后返回第一個(gè)程序，完成一次循環(huán)掃描。在PLC的掃描過程中，核心是程序的輸入、執(zhí)行及輸出這三個(gè)階段，內(nèi)部處理和通信則是程序運(yùn)行過程的助力，也是PLC掃描過程必不可少的兩個(gè)階段，PLC按照順序執(zhí)行這五個(gè)階段命令所花費(fèi)的時(shí)間，就是一個(gè)掃描周期。PLC有停止和工作兩種狀態(tài)，只有在工作狀態(tài)下，PLC才會(huì)執(zhí)行按順序循環(huán)掃描的指令；在停止?fàn)顟B(tài)下，PLC只執(zhí)行內(nèi)部處理和通信的指令。輸入抽樣是PLC工作的第一階段，在輸入抽樣中，PLC將序列讀取系統(tǒng)所有端口的一般狀態(tài)，并將讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到輸入顯示存儲(chǔ)器中［1］。第二階段是方案執(zhí)行階段，在程序運(yùn)行期間，輸入顯示寄存器不接收外部的信息，在這個(gè)階段，即使輸入信號發(fā)生了變化，映射寄存器的內(nèi)容也保持不變，只有在下一個(gè)掃描周期才能讀取信息。第三個(gè)階段是程序執(zhí)行，PLC根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)PLC圖掃描原理，按從左到右然后往下的順序掃描，當(dāng)用戶程序處于I/O狀態(tài)時(shí)，PLC將讀取上一階段顯示寄存器中輸入端口的狀態(tài)，然后讀取輸出寄存器中對應(yīng)的顯示寄存器，遵循一定的邏輯對用戶輸入的程序進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果放入相應(yīng)設(shè)備的寄存器中，在程序執(zhí)行過程中，設(shè)備顯示的內(nèi)容也會(huì)隨之更改。最后一個(gè)階段是輸出處理，程序執(zhí)行完成后，將程序執(zhí)行的結(jié)果轉(zhuǎn)化為信號傳輸?shù)叫枰刂频脑O(shè)備上，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。

2 在機(jī)械自動(dòng)化控制中運(yùn)用PLC控制技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 操作方便靈活

PLC具有良好的靈活性，特別是模塊式的PLC。模塊式PLC主要由CPU模塊、輸入/輸出模塊、能源模塊和具體的功能模塊組成。在機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中運(yùn)用模塊式PLC，可以根據(jù)系統(tǒng)不同的需求選用不同功能的PLC，對機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能擴(kuò)展有著重要的作用。不僅如此，模塊式的PLC還具備裝配方便、操作靈活的特點(diǎn)。

2.2 可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能

在機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中運(yùn)用PLC控制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)采集機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，提前識別機(jī)械運(yùn)行異常，保證機(jī)械能夠持續(xù)有序地運(yùn)行。此外，PLC還可以采集機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行期間的圖片或是視頻，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵鲲@示器中，技術(shù)人員根據(jù)圖片或是視頻，可以直觀地了解和分析機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行情況，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，技術(shù)人員可以調(diào)整機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)，確保系統(tǒng)能夠運(yùn)行順暢。此外，PLC具備良好的抗干擾性能，將這一性能運(yùn)用到機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可以降低外部因素對機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的影響，提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性［2］。

2.3 具有良好的適用性

PLC控制技術(shù)的適用性特點(diǎn)包括以下四個(gè)方面。第一，單機(jī)控制，常被用于一些功能簡單的機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，單機(jī)控制系統(tǒng)不需要與其它設(shè)備協(xié)同控制。第二，集中控制，適用于需要協(xié)同控制多個(gè)對象的機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)，由同一臺PLC完成對多個(gè)對象的控制。第三，遠(yuǎn)程I/O控制，該系統(tǒng)主要用于龐大的機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，龐大的機(jī)械設(shè)備需要控制的對象多且分散。第四，分布式PLC控制系統(tǒng)主要用于多對象控制系統(tǒng)中，分布式PLC控制系統(tǒng)由多個(gè)PLC組成，PLC之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，每臺PLC控制一個(gè)或相對集中的幾個(gè)對象，PLC和控制對象之間組成一個(gè)相對獨(dú)立的單元，網(wǎng)絡(luò)將這些單元連接在一起，構(gòu)成機(jī)械自動(dòng)化控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些單元可以由統(tǒng)一的控制中心管理或是調(diào)度。在機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中，一些大型的自動(dòng)化生產(chǎn)線或是柔性加工系統(tǒng)常會(huì)用到這種控制技術(shù)。

3 機(jī)械自動(dòng)化控制的其他系統(tǒng)

在機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，除了PLC系統(tǒng)，常用的還有DCS控制系統(tǒng)和FCS控制系統(tǒng)。

3.1 DCS控制系統(tǒng)

DCS是一種集散型的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以分散控制自動(dòng)化系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)元素，達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)、提高系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。DCS控制系統(tǒng)主要運(yùn)用了PLC混合技術(shù)，將PLC控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，收集設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與分析，通過數(shù)據(jù)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，然后對設(shè)備發(fā)布指令，調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使設(shè)備始終處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)中，降低故障發(fā)生的概率。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，DCS系統(tǒng)的分散控制技術(shù)可以對設(shè)備故障的發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行快速定位，并對故障的原因進(jìn)行初步的分析，方便技術(shù)人員技術(shù)處理故障，降低對設(shè)備運(yùn)行的影響。

3.2 FCS控制系統(tǒng)

FCS控制系統(tǒng)是一種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有雙向性的特點(diǎn)，控制現(xiàn)場的設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通信。數(shù)字智能裝置是FSC控制系統(tǒng)的主要硬件支持。FSC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信息處理現(xiàn)場化，減少了信息傳輸?shù)臅r(shí)間，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。將該系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，技術(shù)人員可以及時(shí)獲取有效的數(shù)據(jù)，更好地開展對機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化管理工作［3］。

4 PLC控制技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

4.1 在機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)與通信

數(shù)據(jù)是機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行的重要依據(jù)，系統(tǒng)良好的數(shù)據(jù)處理功能，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行精準(zhǔn)度的保證。PLC控制技術(shù)具備良好的數(shù)據(jù)監(jiān)測、運(yùn)算和處理功能，不僅可以采集機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，還能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的運(yùn)算，既可以采取矩陣類型運(yùn)算，也可以采取函數(shù)類型或是邏輯類型的運(yùn)算。PLC將運(yùn)算的結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，轉(zhuǎn)換后與系統(tǒng)存儲(chǔ)器內(nèi)預(yù)先設(shè)定的參考數(shù)據(jù)對比，進(jìn)而對系統(tǒng)發(fā)出控制的指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的功能。PLC的通信功能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速精準(zhǔn)傳輸，該功能與現(xiàn)代有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)相結(jié)合，則可以完善機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的通信功能，確保系統(tǒng)的通信功能既能滿足機(jī)械自動(dòng)化控制的需要，又能滿足管理人員對設(shè)備進(jìn)行管理所需的通信要求。運(yùn)用PLC技術(shù)的數(shù)據(jù)處理功能，系統(tǒng)可以及時(shí)識別機(jī)械設(shè)備的故障并對故障進(jìn)行分析，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，通知系統(tǒng)管理人員。管理人員根據(jù)PLC的數(shù)據(jù)，及時(shí)處理故障。

4.2 對系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)動(dòng)和生產(chǎn)過程的控制

PLC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件的運(yùn)動(dòng)控制，這是機(jī)械自動(dòng)化的基礎(chǔ)。PLC控制技術(shù)掌握機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中各類型運(yùn)動(dòng)零部件的狀態(tài)，在實(shí)際的控制過程中，根據(jù)程序的輸出命令，控制零部件的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能。例如，在數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)中，利用PLC技術(shù)和位置傳感器，就可以控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行方向和機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡。又如，在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，利用PLC技術(shù)的位置檢測功能，就可以控制零部件在傳送帶上的運(yùn)行軌跡。在生產(chǎn)過程控制方面，利用PLC技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)的全過程。PLC還可以監(jiān)測生產(chǎn)過程的可變參數(shù)，根據(jù)參數(shù)變化對設(shè)備發(fā)出調(diào)整的指令，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性［4］。石油化工行業(yè)經(jīng)常需要面對一些易燃易爆的氣體或是液體，在生產(chǎn)過程中，可以采用PLC控制技術(shù)監(jiān)測氣體或是液體的相關(guān)參數(shù)，如壓力參數(shù)等，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和控制設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)作，確保生產(chǎn)能夠安全運(yùn)行。

4.3 在機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中進(jìn)行開關(guān)的編輯和控制

在機(jī)械自動(dòng)化控制中，需要利用繼電器的功能完成開關(guān)狀態(tài)的設(shè)置。與傳統(tǒng)的需要人為控制繼電器的開關(guān)相比，PLC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)繼電器開關(guān)的自動(dòng)化操作。利用PLC技術(shù)監(jiān)測生產(chǎn)線或是設(shè)備的運(yùn)行狀況，根據(jù)設(shè)定的程序，當(dāng)檢測到生產(chǎn)線或是設(shè)備需要開時(shí)，PLC輸出“1”的信號，驅(qū)動(dòng)控制模塊，繼電器接通；當(dāng)檢測到生產(chǎn)線或是設(shè)備需要停止時(shí)，PLC輸出“0”的信號，繼電器斷開。對一些特殊的設(shè)備，“0”和“1”的設(shè)定可以保護(hù)設(shè)備和設(shè)備操作人員的安全，當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到設(shè)備有異常狀況時(shí)，及時(shí)輸出“0”的控制信號，切斷設(shè)備的電源，暫停設(shè)備的運(yùn)行，直到異常情況解決后，才輸出“1”的控制信號，接通設(shè)備的電源。

4.4 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的閉環(huán)控制

PLC的閉環(huán)控制技術(shù)，在泵類設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，特別對多個(gè)泵組成的泵組系統(tǒng)，PLC控制技術(shù)更具備優(yōu)勢。泵類設(shè)備在運(yùn)行過程中對密封有較高的要求，傳統(tǒng)的泵組系統(tǒng)多采用分布式閉環(huán)控制系統(tǒng)，在對每一個(gè)設(shè)備都設(shè)置了獨(dú)立的密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，控制泵類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。復(fù)雜的泵組系統(tǒng)給管理、維護(hù)和維修帶來了很大的困難。利用PLC技術(shù)對泵組系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以在不用給每個(gè)設(shè)備都設(shè)置獨(dú)立密封結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC控制系統(tǒng)將泵組設(shè)備連接在一起，統(tǒng)一密封，同時(shí)對泵組的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和管理。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，如果系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備出現(xiàn)了故障或是閉環(huán)控制失去了作用，控制系統(tǒng)可立刻檢測到相應(yīng)的情況并識別故障設(shè)備，切斷故障設(shè)備的電源。PLC控制技術(shù)還可以監(jiān)測閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，包括壓力、流量等，根據(jù)參數(shù)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，如果設(shè)備的運(yùn)行狀況出現(xiàn)了問題，可及時(shí)做出調(diào)整，必要時(shí)可以切斷設(shè)備的電源［5］。

4.5 在機(jī)械自動(dòng)化控制中用作順序控制

機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)過程必須按照程序設(shè)定的步驟進(jìn)行，順序一旦出錯(cuò)則無法完成生產(chǎn)。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，一旦自動(dòng)化生產(chǎn)流程的某個(gè)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)了問題，生產(chǎn)只能停止，待設(shè)備維修完成再重新運(yùn)行，對生產(chǎn)效率影響較大。有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)了故障，但是技術(shù)人員沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題的現(xiàn)象。PLC控制技術(shù)可以對生產(chǎn)流程進(jìn)行順序控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況，發(fā)生設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，PLC計(jì)算后會(huì)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，在不叫停生產(chǎn)線的情況下修復(fù)問題。PLC還可以對生產(chǎn)系統(tǒng)整體設(shè)備進(jìn)行控制和分析，當(dāng)某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，PLC從整體出發(fā)，通過調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行順序、變更設(shè)備的參數(shù)或是采取替換操作等功能，盡量保障生產(chǎn)線能夠持續(xù)運(yùn)行。

4.6 PLC技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化控制中的應(yīng)用發(fā)展方向

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用理論的完善，PLC控制技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化控制中的應(yīng)用優(yōu)勢也越發(fā)明顯，隨著PLC技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，未來在機(jī)械自動(dòng)機(jī)控制中應(yīng)用PLC技術(shù)，需要關(guān)注以下幾點(diǎn)。第一，基于機(jī)械自動(dòng)化控制的需求，對PLC技術(shù)進(jìn)行深度的開發(fā)，形成一套為機(jī)械自動(dòng)化控制所用的PLC控制技術(shù)體系。第二，制定PLC技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用規(guī)范，建立相關(guān)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，使機(jī)械自動(dòng)化行業(yè)能夠規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)地應(yīng)用PLC技術(shù)。第三，開發(fā)更多的PLC自動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)模塊，提高標(biāo)準(zhǔn)模塊在機(jī)械自動(dòng)化控制中的適應(yīng)性，使機(jī)械自動(dòng)化控制可以實(shí)現(xiàn)更多模塊化的控制模式。第四，提高PLC模塊的抗干擾性能，使PLC模塊能夠適應(yīng)更惡劣的環(huán)境，并保持運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

機(jī)械自動(dòng)化控制是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和方向。PLC控制技術(shù)通過其強(qiáng)大的運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)處理功能，對機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行整體或局部的監(jiān)測、控制，可以提高機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)的效率、提升產(chǎn)品的精密度、延長設(shè)備的使用壽命、降低生產(chǎn)過程中的能耗。目前PLC控制技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離的控制功能。隨著PLC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信在不久的將來，PLC控制技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化控制中，將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)我國機(jī)械自動(dòng)化控制技術(shù)的飛躍。

參考文獻(xiàn)

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