鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 陳 卓

可編程控制器PLC應(yīng)用探究

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 陳 卓

本文簡要概述了可編程控制器PLC的概念，歸納總結(jié)了PLC應(yīng)用的控制方式，分析了當(dāng)前國內(nèi)外PLC當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀，對(duì)PLC未來的應(yīng)用方向進(jìn)行了探究。

PLC；控制方式；現(xiàn)狀；應(yīng)用方向

可編程序控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的控制系統(tǒng)。早期的可編程序控制器主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能早已超出了邏輯控制的范疇。目前，PLC正在廣泛深入地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。

1 PLC應(yīng)用的控制方式

PLC實(shí)現(xiàn)了邏輯控制和順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流控制，大致可歸納為開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信及聯(lián)網(wǎng)。

1.1 開關(guān)量的邏輯控制

流水線：如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。

1.2 模擬量控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使PLC能夠處理模擬量信號(hào)，就需要在PLC中實(shí)現(xiàn)模擬量(Analog)和數(shù)字量(Digital)之間的A/D轉(zhuǎn)換或D/A轉(zhuǎn)換。此時(shí)需要使用A/D轉(zhuǎn)換模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊來使PLC用于模擬量的控制。

1.3 運(yùn)動(dòng)控制

眾所周知PLC是可以用于控制圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的，從控制機(jī)構(gòu)的配置角度來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，如可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。

1.4 過程控制

過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。

過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。

1.5 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到其他智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?/p>

數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng);也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。

1.6 通信及聯(lián)網(wǎng)

PLC通信所指的是含PLC與PLC之間的通信及PLC與其他智能設(shè)備之間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠家都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。另外，新近生產(chǎn)的PLC設(shè)備都集成了通用的通信接口，使得通信更加方便快捷。

2 PLC當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域

作為增長速度最快的工業(yè)控制設(shè)備，PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，它極大地改善了相應(yīng)行業(yè)的自動(dòng)化水平，已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化支柱技術(shù)之一。PLC各領(lǐng)域的應(yīng)用如下：

2.1 化學(xué)工業(yè)

傳統(tǒng)化工行業(yè)是粗放型的，產(chǎn)品附加值低，環(huán)境影響大，新建化工廠多是精細(xì)化工廠，設(shè)備及控制技術(shù)的要求更高。由于化工行業(yè)環(huán)保要求提高，化工廠需要對(duì)周邊的水處理和循環(huán)系統(tǒng)等進(jìn)行改造，因此，對(duì)自動(dòng)化程度提出更高要求，其應(yīng)用如下:化學(xué)反應(yīng)槽批量控制、化學(xué)水凈化處理控制、自動(dòng)配料、化工流程控制、煤氣燃燒控制等。

2.2 機(jī)械工業(yè)

PLC早期是在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用，目前，PLC控制技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的機(jī)械控制范圍。高精度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速編碼計(jì)數(shù)、速度與位置補(bǔ)償、電子齒輪傳動(dòng)、凸輪仿形、多軸插補(bǔ)、CNC技術(shù)、飛鋸等；智能溫度控制中，傳感器直接通過PLC溫度模塊，參數(shù)方便整定，可以完成自校正PID控制;其實(shí)時(shí)控制技術(shù)保障了機(jī)械性能的可重復(fù)性。機(jī)械工業(yè)應(yīng)用如起重機(jī)械控制、數(shù)控機(jī)床控制、紡織機(jī)械控制、自動(dòng)裝卸機(jī)控制、移送機(jī)械控制、立體智能倉庫控制、鑄造控制、熱處理控制、輸送帶程序控制等。

2.3 電力工業(yè)

PLC運(yùn)用在電力負(fù)荷控制，自動(dòng)抄表控制，輸煤系統(tǒng)控制，鍋爐燃燒控制，火電除灰渣控制等方面，水電廠的汽輪機(jī)和鍋爐程序控制，化學(xué)補(bǔ)給水，冷凝水和廢水的程序控制，水塔水位遠(yuǎn)程控制都有PLC的參與。

2.4 冶金行業(yè)

PLC作為主控制器在采選礦、燒結(jié)、高爐、轉(zhuǎn)爐、鑄造、軋鋼及相關(guān)的輔助設(shè)施控制中應(yīng)用廣泛。由于控制點(diǎn)數(shù)較多，控制要求較高，大型PLC居多，其應(yīng)用如下：跟坯連鑄機(jī)二冷配水控制、加熱爐溫度控制、高爐上料控制、軋材風(fēng)機(jī)生產(chǎn)線控制、粉末冶金主續(xù)燒結(jié)爐控制、電弧爐控制、出料自動(dòng)分配控制、包裝搬運(yùn)控制、翻砂造型控制等。

2.5 印刷及包裝行業(yè)

印刷行業(yè)用戶多樣化，印刷向著小批量、多品種的方向發(fā)展，因比，印刷機(jī)械具備更高的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)柔性。由于PLC采用實(shí)時(shí)性較好的工業(yè)以太網(wǎng)技求，確保每個(gè)生產(chǎn)作業(yè)保持同步響應(yīng)，使得基于PLC的印刷控制系統(tǒng)能完成更高性能、更高情度的印刷作業(yè)。由于PLC具有開放式標(biāo)準(zhǔn)化的通信、編程、數(shù)據(jù)處理架構(gòu)等多樣化功能，民開發(fā)周期縮短、成本降低、高效安全地運(yùn)行。PLC在印刷及包裝行業(yè)的應(yīng)用有：膠印機(jī)輸我控制系統(tǒng)、彩色絲網(wǎng)印刷機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)模切壓痕機(jī)控制系統(tǒng)、高速雙面印刷控制、包裝；p刷自動(dòng)套色控制、印刷張力控制系統(tǒng)等。

以5D為代表的“普及型低價(jià)全畫幅”的推出，說明佳能當(dāng)時(shí)已經(jīng)突破CMOS傳感器制造上的技術(shù)瓶頸，全畫幅CMOS制造過程中的成品率得以保證，現(xiàn)在來看這也成為了全畫幅機(jī)型能夠在數(shù)碼單反相機(jī)領(lǐng)域保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的保證。

2.6 紡織工業(yè)

粗紗機(jī)控制、印花機(jī)控制、高精度張力控制、帶條形碼識(shí)別器的布料流惺監(jiān)控、手套機(jī)程序控制、落紗機(jī)控制、高溫高壓染缸控制等。

2.7 食品工業(yè)

發(fā)酵罐過程控制、物料配比控制、凈洗控制、包裝及灌裝控制、攪拌控制等。

2.8 造紙工業(yè)

紙漿攪拌控制、抄紙機(jī)控制以及卷取機(jī)控制等。

2.9 建材工業(yè)

水泥生產(chǎn)過程控制、水泥配料及水泥包裝過程控制、干燥機(jī)控制、人造技生產(chǎn)線控制、膠板熱壓機(jī)控制等。

城市熱網(wǎng)控制、水處理及城市供水控制、樓宇電梯控制、樓宇保安控制、樓宇防災(zāi)機(jī)械控制、劇場(chǎng)舞臺(tái)燈光控制、隧道排氣控制、新聞轉(zhuǎn)播控制等。

2.11 交通運(yùn)輸業(yè)

電動(dòng)輪胎起重機(jī)控制、交通燈控制、汽車發(fā)電機(jī)力矩和轉(zhuǎn)速校驗(yàn)、交匾指揮控制等。2.12 制藥行業(yè)

藥丸包衣制粒機(jī)控制、生物制藥生產(chǎn)過程控制、藥品包裝控制、高溫滅萄控制、真空履帶干燥控制等。

2.13 汽車工業(yè)

移送機(jī)械控制、自動(dòng)焊接控制、裝配生產(chǎn)線控制、鑄造控制、噴漆流水線控制等。

3 PLC未來的應(yīng)用方向

3.1 PLC在ClMS中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ClMS)中，生產(chǎn)過程的控制包括現(xiàn)場(chǎng)控制、設(shè)備控制、過程控制等村容，統(tǒng)稱為綜合控制系統(tǒng)。它是一種先進(jìn)的工業(yè)過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，總體包括如下三個(gè)方面：

(1)電氣控制，以電動(dòng)機(jī)控制為主，涵蓋工業(yè)過程設(shè)備及電器參數(shù)檢測(cè)和處理；

(2)儀表控制，實(shí)現(xiàn)以PlD軟儀表為代表的生產(chǎn)過程各種回路控制功能；

(3)計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)各種模型計(jì)算、參數(shù)設(shè)定、過程監(jiān)控運(yùn)行和管理。

目前，PLC突破了原有的可編程序控制器的概念，已經(jīng)成為綜合控制系統(tǒng)的整機(jī)設(shè)備。

將工廠生產(chǎn)過程控制與信息管理系統(tǒng)密切結(jié)合，形成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ClMS)，實(shí)現(xiàn)般據(jù)共享、信息集成、分布數(shù)據(jù)管理和實(shí)時(shí)控制。在制造自動(dòng)化或柔性制造方面，提高產(chǎn)品制造的質(zhì)量和設(shè)備利用率，縮短產(chǎn)品制造周期，使企業(yè)的經(jīng)營決策和生產(chǎn)管理趨于科學(xué)化，提高企業(yè)整體效率，實(shí)現(xiàn)真正意義上的工廠電子信息化。

3.2 PLC與DCS的逐步集成

隨著自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛躍發(fā)展，PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)呈現(xiàn)出了融合與集成的趨勢(shì)，PLC已開始逐步占領(lǐng)中小型DCS市場(chǎng)，諸如煉油廠、化工廠、發(fā)電廠、造紙廠和金屬冶煉廠等過程控制行業(yè)。由于DCS系統(tǒng)的性能好和可靠性高，以往此類控制系統(tǒng)多采用DCS技術(shù)，因此，DCS確立了在過程控制行業(yè)中的應(yīng)用地位。

3.3 PLC過程控制功能增強(qiáng)

傳統(tǒng)PLC多應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域，如今PLC已廣泛應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，而且這種發(fā)展趨勢(shì)正在進(jìn)一步得到增強(qiáng)。PLC廠商開發(fā)了一些過程控制專用模塊，可方便地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；PLC的CPU執(zhí)行速度大幅度提高，增強(qiáng)了對(duì)模擬量的處理能力，可方便地實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量、回路控制和過程診斷；編程語言趨于標(biāo)準(zhǔn)化，軟件工具的開放性更加適宜于控制系統(tǒng)的需求；容錯(cuò)及安全技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性；PLC不僅提供了硬件模塊，還為用戶提供了組態(tài)工具、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通信等軟件包，豐富的智能模塊簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編程;現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的采用使得控制網(wǎng)絡(luò)的配置更靈活，擴(kuò)容更方便，更具開放性。

3.4 PLC與柔性制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)是自動(dòng)化程度高、由多種先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備復(fù)合而成的復(fù)雜系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)、可編程序控制器、數(shù)控裝置是實(shí)現(xiàn)柔性制造的三種基本控制設(shè)備，它們之間技術(shù)相互滲透、融合，常采用直接數(shù)控結(jié)構(gòu)或多級(jí)分布式結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，控制整個(gè)制造系統(tǒng)協(xié)調(diào)地運(yùn)行，形成了具有復(fù)合功能的控制系統(tǒng)。

作為柔性制造自動(dòng)化系統(tǒng)的基本控制設(shè)備，PLC的網(wǎng)絡(luò)通信功能尤為突出，不僅PLC之間能夠交換數(shù)據(jù)，還要求PLC能夠高速實(shí)時(shí)地與上位計(jì)算機(jī)和控制器通信，傳送制造命令、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、故障分析等信息。為了能與不同設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信，PLC基于開放式的通信協(xié)議，能夠方便地與外圍設(shè)備進(jìn)行通信，如條碼閱讀機(jī)、位置檢測(cè)控制設(shè)備、伺服控制裝置等。

3.5 PLC與工業(yè)以太網(wǎng)

隨著以太網(wǎng)通信速率的提高、交換技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)與其他現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)相比，具有應(yīng)用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、易于與Internet連接、持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點(diǎn)，因此，以太網(wǎng)不僅壟斷了工廠綜合自動(dòng)化的信息管理層網(wǎng)絡(luò)，而且在過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)也得到了廣泛應(yīng)用，并有直接向下延伸，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)。開放式PLC將以太網(wǎng)和串口內(nèi)置于PLC的內(nèi)部單元，可以低成本地具備相關(guān)通信功能。只要將各類通信協(xié)議輸入PLC通信模塊，就可以將模塊作為一種專用協(xié)議模塊來使用。最新的開放式PLC內(nèi)部具有Java功能和WebServer功能，即使不用上位機(jī)也可以將PLC的故障報(bào)警和事件處理等信息，通過通信模塊自動(dòng)傳送到互聯(lián)網(wǎng)上，用戶可以通過電子郵件以及手機(jī)短信的方式來接收這些信息，甚至可以通過GPRS，CDMA等先進(jìn)技術(shù)來進(jìn)行控制信息的通信，使用戶隨時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀況，進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)控,有利于及時(shí)控制及管理設(shè)備運(yùn)行過程。

[1]肖軍．可編程控制器原理及應(yīng)用[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2014,12．

[2]戴一平等．PLC控制技術(shù)[M]．北京:清華大學(xué)出版社, 2013,11．