姚靜

摘 要：快速發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)處理能力的要求不斷提高。以電氣控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹了電氣原理及工作流程，對(duì)控制系統(tǒng)裝置進(jìn)行了研究。在優(yōu)化設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案的基礎(chǔ)上，以PLC模塊作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)象，完成了基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電氣設(shè)備通過(guò)對(duì)電氣部件的參數(shù)進(jìn)行確定和計(jì)算實(shí)現(xiàn)了信號(hào)選擇，最終完成了基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。可有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，從而為電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行及綜合管理及控制能力的提升提供支撐。

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備;PLC技術(shù);過(guò)程控制系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)路徑

Abstract：The rapid development of modern industrial enterprises has continuously improved the processing capacity of control systems. This paper takes electrical control system as the research object， introduces the electrical principle and work flow in detail. It mainly studies the control system device， and clarifies the optimization. On the basis of the overall design of the control system， the PLC module is taken as the key design object， and the design of the PLC-based process control system is completed. The electrical equipment realizes the signal selection by determining and calculating the parameters of the electrical components， and finally the PLC-based process control system is completed. It can improve the production efficiency of the enterprise， and thus provides a support for the stable operation of electrical equipment and the improvement of comprehensive management and control capabilities.

Key words：electrical equipment;PLC technology;process control system;implementation path

0 引言

不斷發(fā)展和完善的科學(xué)技術(shù)為各類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐，多樣化的市場(chǎng)需求加速了產(chǎn)品更新?lián)Q代及創(chuàng)新速度，同時(shí)也豐富了品種及批量的比重，作為可編程控制器的一種，性價(jià)比較高的PLC具備較高的可靠性及簡(jiǎn)易的代碼編寫(xiě)過(guò)程等優(yōu)勢(shì)，有效滿足了程序在線編寫(xiě)的需求，從而能夠做到編寫(xiě)過(guò)程中問(wèn)題和錯(cuò)誤的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，因此PLC已經(jīng)在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用，在電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)，通過(guò)結(jié)合運(yùn)用通信網(wǎng)絡(luò)有效實(shí)現(xiàn)了電氣開(kāi)關(guān)量的優(yōu)化和改進(jìn)，并提高了系統(tǒng)的柔性和可靠性，為電氣控制系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供支撐，對(duì)發(fā)展工業(yè)企業(yè)具有重要意義。

1 基于PLC過(guò)程控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

目前在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)控制方面，可編程控制器PLC因具備較高的可靠性、簡(jiǎn)易的編程及修改方法等優(yōu)勢(shì)已得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的微機(jī)和繼電器控制系統(tǒng)，基于PLC的控制系統(tǒng)具備顯著的優(yōu)勢(shì)，有效減少了調(diào)試的工作量，其工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)提升了抗干擾能力和系統(tǒng)的可靠性，降低了故障率確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，已成為目前國(guó)內(nèi)完善制造業(yè)自動(dòng)化控制的首選方案（包括機(jī)床加工控制等）。本文主要對(duì)基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，完成了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的構(gòu)建，結(jié)合使用信息通信網(wǎng)絡(luò)及PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化過(guò)程的有效控制，使勞動(dòng)生產(chǎn)率得以顯著提升。

本文以構(gòu)建基于PLC的分布式控制系統(tǒng)為主要研究?jī)?nèi)容，以完成下位機(jī)（由特殊模塊構(gòu)成）同上位機(jī)（負(fù)責(zé)完成SCADA功能）的有效連接，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控功能，具體采用分布式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)，具體如圖1所示。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。下位機(jī)和上位機(jī)分別通過(guò)PLC技術(shù)和計(jì)算機(jī)完成設(shè)計(jì)過(guò)程，二者間的通信則通過(guò)PLC及RS-232C串口完成，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的功能，有效的滿足了集中管理和分散控制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求[1]。

（1） 采用EtherNet網(wǎng)絡(luò)完成網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建，生產(chǎn)過(guò)程和監(jiān)控過(guò)程通過(guò)使用同軸電纜實(shí)現(xiàn)相互連接，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理的集中化。

（2） 為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的有效監(jiān)控，由以計(jì)算機(jī)為主要構(gòu)成的上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，其SCADA功能具體采用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)，PLC和上位機(jī)間通過(guò)使用RS串口完成通信過(guò)程。

（3） 為實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制，下位機(jī)的PLC選用了C2541 HD型號(hào)，開(kāi)關(guān)量及模擬量的輸出/輸入模塊、電源模塊、RS串行接口根據(jù)實(shí)際需要均在PLC中完成設(shè)置過(guò)程，傳感器發(fā)送的電流信號(hào)主要由模擬量輸入模塊負(fù)責(zé)接收，并由其完成電流信號(hào)到BCD碼數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，IR111代表模擬量輸入的通道地址，具體設(shè)置如表1所示。

通道地址的確定通過(guò)使用撥號(hào)開(kāi)關(guān)完成，系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)為1的AD模塊地址，并對(duì)應(yīng)IR110-119的IR區(qū)域和DM110-119的DM區(qū)域，將轉(zhuǎn)換器（第一路）的工作設(shè)置為不保持峰值側(cè)[1]。

（4） 控制通道

系統(tǒng)主要由輸入及主要由水泵及變頻器組成的輸出兩個(gè)控制通道構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)液位信號(hào)通過(guò)使用液位傳感器（投入式）的輸入通道即可實(shí)現(xiàn)到電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再向PLC模塊傳送電流信號(hào);傳感部分的功能通過(guò)傳感器（具備高精度壓力）完成，實(shí)現(xiàn)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以確保同液面高度呈正比，從而使系統(tǒng)對(duì)相關(guān)性能的需求（包括控制精度、穩(wěn)定性及可靠性等）得以有效滿足;PLC的輸出控制量通過(guò)輸出通道能夠被有效接收，并實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的功能，水泵轉(zhuǎn)速的改變通過(guò)使用變頻器（將電流轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)）完成，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制過(guò)程則通過(guò)交流變頻器完成[2]。

2 軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)

目前計(jì)算機(jī)控制在現(xiàn)代工業(yè)控制過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，創(chuàng)建系統(tǒng)需基于同PLC完成以太網(wǎng)創(chuàng)建的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)顯示和監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)的功能，通過(guò)在各車(chē)間放置一臺(tái)計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件，然后由操作入員負(fù)責(zé)操作和管理完成對(duì)自身車(chē)間設(shè)備的控制，同時(shí)在管理者辦公室安裝一臺(tái)以便監(jiān)控生產(chǎn)車(chē)間的生產(chǎn)情況，通過(guò)安裝SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、組態(tài)及通訊軟件（MOXA卡）確保了監(jiān)控軟件功能的實(shí)現(xiàn)，收集數(shù)據(jù)的功能通過(guò)PLC和計(jì)算機(jī)同PID儀表相連（通過(guò)安裝的組態(tài)軟件）后即可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)界面可全面展現(xiàn)工藝流程。電機(jī)和閥門(mén)（可自動(dòng)或手動(dòng)控制關(guān)閉狀態(tài)）具備報(bào)警功能，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)故障的某一部位會(huì)立刻報(bào)警。組態(tài)軟件在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及報(bào)表，可快速查詢現(xiàn)場(chǎng)工況、故障記錄、相關(guān)報(bào)表等。此外，系統(tǒng)通過(guò)采用開(kāi)放OPC端口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到管理辦公室的遠(yuǎn)程傳送和接收，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)車(chē)間生產(chǎn)情況的實(shí)時(shí)掌控[3]。

2.2 控制層的實(shí)現(xiàn)

生產(chǎn)加工企業(yè)的有效控制過(guò)程通常由多個(gè)公用設(shè)備車(chē)間及生產(chǎn)車(chē)間共同實(shí)現(xiàn)，在各生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)配置PLC裝置，再將遠(yuǎn)程I/0配置于公用設(shè)備車(chē)間內(nèi)，控制層以PLC及OID調(diào)節(jié)儀作為主要構(gòu)成部分，CPU通過(guò)PLC完成控制網(wǎng)的創(chuàng)建進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能，在此基礎(chǔ)上完成對(duì)生產(chǎn)車(chē)間設(shè)備情況的全面控制，完成對(duì)溫度、流量、壓力及重量等的檢測(cè)，對(duì)多個(gè)設(shè)備（包括閥門(mén)電機(jī)等）通過(guò)開(kāi)關(guān)量及模擬量的輸出/輸入等模塊（位于PLC中）實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制過(guò)程（包括控制及檢測(cè)調(diào)節(jié)閥）[4]?？刂瞥绦虻目蓴U(kuò)展性通過(guò)模塊化編程方法的使用得以有效提升。通過(guò)脈沖計(jì)量?jī)x表的使用完成了脈沖采集模塊的創(chuàng)建，具體的高速脈沖信號(hào)的過(guò)程（主要負(fù)責(zé)將脈沖數(shù)量輸送到緩存區(qū)），如圖3所示。

該模塊主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)脈沖儀表數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的控制[5]。

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的流程只需通過(guò)制定啟動(dòng)指令即可實(shí)現(xiàn)，設(shè)備的自動(dòng)生產(chǎn)通過(guò)系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)工藝參數(shù)（以工藝需求及生產(chǎn)順序?yàn)橐罁?jù)）進(jìn)行設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制各電機(jī)設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)在生產(chǎn)難以正常進(jìn)行的情況下（如由意外情況導(dǎo)致）會(huì)變?yōu)槭謩?dòng)控制。本文系統(tǒng)的通信過(guò)程采用以太網(wǎng)方式，通過(guò)將以太網(wǎng)模塊安裝于PLC中實(shí)現(xiàn)同計(jì)算機(jī)間的有效通信過(guò)程（以TCP/IP協(xié)議為依據(jù)），使計(jì)算機(jī)同PLC間的通信流量、速度及安全性得以顯著提升，控制層軟件的核心代碼設(shè)計(jì)如下（以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為主）[6]。

2.3 控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)

PLC和監(jiān)控軟件需通過(guò)下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)相互通信，在監(jiān)控及控制軟件的基礎(chǔ)上完成下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，下位機(jī)軟件程序則通過(guò)使用編程軟件OMRON完成具體的編制和調(diào)試過(guò)程，接下來(lái)在PLC中下載調(diào)制的程序，控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于：（1） 上電初始化，主要完成系統(tǒng)初始化清零和設(shè)置控制參數(shù)初始值（包括RAM、ROM）[7]。（2） 基于實(shí)際監(jiān)控參數(shù)和控制器容量對(duì)樣本進(jìn)行采集，再將輸入的模擬量通過(guò)PC機(jī)完成轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)對(duì)平均值的濾波，根據(jù)脈沖信號(hào)確定采樣周期。（3） 信號(hào)處理以采集到的原始數(shù)據(jù)為主，主要由濾波、零點(diǎn)遷移、變換量程及標(biāo)度構(gòu)成，信號(hào)處理根據(jù)實(shí)際情況使用相應(yīng)的控制器。（4） 作為下位機(jī)軟件的核心算法設(shè)計(jì)通常使用PID控制、模糊控制算法，根據(jù)包括流量和液體的壓力特征等在內(nèi)的實(shí)際情況確定控制周期[8]。（5） 控制系統(tǒng)故障診斷，使用PLC（型號(hào)為G2254，具有涉及范圍較廣的自動(dòng)診斷功能）完成系統(tǒng)的故障診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)異常情況（包括指令執(zhí)行有誤、端口通信錯(cuò)誤、電池電壓過(guò)低等）的自動(dòng)檢測(cè)，再通過(guò)連接相應(yīng)線路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障信息的獲取。以通過(guò)IR區(qū)的模擬量輸入模塊（AD003）地址進(jìn)行反饋完成傳感器的故障診斷，以斷線檢測(cè)標(biāo)志的判斷為例，主要以2位16進(jìn)制的錯(cuò)誤代碼反應(yīng)為依據(jù)判斷故障，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，在電壓信號(hào)低于0.3 V（或電流信號(hào)低于1.2 mA）的情況下數(shù)據(jù)顯示為“1”表示傳感器出現(xiàn)了斷線故障，信號(hào)恢復(fù)正常時(shí)顯示為“0”[9]。

以現(xiàn)場(chǎng)水位的控制及故障的診斷為例，主控制程序過(guò)程具體如圖4所示。

針對(duì)ROM、RAM區(qū)域完成初始化和參數(shù)設(shè)置?？紤]到采樣周期對(duì)控制器、檢測(cè)參數(shù)和被控對(duì)象的影響，以實(shí)際情況為依據(jù)對(duì)模擬量輸入通道及系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（包括零點(diǎn)、標(biāo)度及量程等的變換），才能確?？刂破黜樌褂眠@些數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^(guò)在編程中引入模糊控制實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)性能的提高，控制規(guī)則查詢表的創(chuàng)建通過(guò)變量附表和模糊控制原則的輸入完成，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在線查詢功能。

3 總結(jié)

本文主要研究了基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)，通過(guò)將PLC與SCADA集于一體，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控過(guò)程的靈活高效，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠全面的分析和統(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工作過(guò)程的全面監(jiān)控，在確保機(jī)床安全生產(chǎn)的同時(shí)顯著提升了生產(chǎn)精度及效率，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及生產(chǎn)自動(dòng)化程度的全面提高，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的有效控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 閆秀芳，王志國(guó)，高曉輝.PLC基于Modbus通訊的控制系統(tǒng)研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化， 2018（2）：127-130.

[2] 趙文昊.探究PLC工作原理及其在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用[J]. 電子制作， 2018（18）：55-56.

[3] 楊瑞龍，郭振華.基于PLC自動(dòng)化電氣控制應(yīng)用的探討[J]. 中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)， 2017（24）：139-140.

[4] 張蕾.基于PLC與MCGS的自動(dòng)門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2017（2）：37-40.

[5] 高武.PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用分析[J]. 電子測(cè)試， 2018（16）：93-94.

[6] 于奔淼.基于現(xiàn)場(chǎng)總線下分布式電氣控制系統(tǒng)改造的分析[J]. 電子世界， 2018（15）：44-45.

[7] 王成剛，李建海，楊帆.基于組態(tài)技術(shù)的PLC虛擬控制系統(tǒng)研究[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2018（7）：82-84.

[8] 寇騰.PLC技術(shù)模式下的自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測(cè)試， 2018（14）：82-84.

[9] 王輝，吳曉雪.基于PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的配置及組態(tài)分析[J]. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化， 2018（2）：51-54.

（收稿日期：2019.08.26）