謝小四 劉軍

[摘? ? 要]隨著技術(shù)的進步，目前功能已經(jīng)十分強大，除了能完成傳統(tǒng)的邏輯控制外，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、運動控制、過程控制、閉環(huán)控制，PID控制、插補功能和通信網(wǎng)絡(luò)控制等。PLC已發(fā)展成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)組建中不可缺少的部件，以PLC為核心集成人機界面（HMI）、分布式I/O、視覺分析篩選、變頻驅(qū)動、伺服驅(qū)動、步進驅(qū)動、繼電接觸控制等部件。以PLC為核心，集成上述多個控制部件，組建控制系統(tǒng)，方法多種多樣，方式也是靈活多變，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實際需求來組建控制系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]控制系統(tǒng);PLC;HMI;系統(tǒng)集成;信號傳輸;伺服;步進;變頻

[中圖分類號]TP393.09 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Application of PLC System Integration

Xie Xiao-si， Liu Jun

[Abstract]With the progress of technology， the function has been very powerful at present. In addition to completing the traditional logic control， it can also realize data processing， motion control， process control， closed-loop control， PID control， plug-in function and communication network control.PLC has developed into an indispensable component in the establishment of a modern control system， with PLC as the core of integrated human-computer interface （HMI）， distributed I/O， visual analysis and screening， frequency conversion drive， servo drive， step drive， relay contact control and other components.With PLC as the core， the above multiple control components are integrated and the control system is established. Various methods are also flexible. The control system should be established according to the actual needs of the equipment.

[Keywords]control system; PLC;HMI; system integration; signal transmission; servo; step forward; frequency conversion

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步和國家工業(yè)2025戰(zhàn)略規(guī)劃的實施，很多行業(yè)都面臨著產(chǎn)業(yè)升級與改造，把重復(fù)繁重的工作用機器來代替，以便高效、不間斷、更好地完成工作任務(wù)，提升企業(yè)競爭力，提高產(chǎn)品質(zhì)量。而這些都依賴先進精密的機器設(shè)備，先進精密的機器設(shè)備又離不開先進的控制系統(tǒng)，而先進的控制系統(tǒng)都與可編程控制器相關(guān)，下面就以目前主流的以PLC為核心的系統(tǒng)集成應(yīng)用展開探究。

1 PLC集成與應(yīng)用發(fā)展情況

可編程序控制器（programmable logic controllers，PLC），主要用來替代傳統(tǒng)的繼電器實現(xiàn)邏輯控制，由于它接線方便、編程容易掌握、體積小、重量輕、能耗低、方便查找故障等，現(xiàn)在已得到廣泛的推廣及應(yīng)用。隨著技術(shù)的進步，目前功能已經(jīng)十分強大，除了能完成傳統(tǒng)的邏輯控制外，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、運動控制、過程控制、閉環(huán)控制，PID控制、插補功能和通信網(wǎng)絡(luò)控制等。PLC已發(fā)展成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)組建中不可缺少的部件，以PLC為核心集成人機界面（HMI）、分布式I/O、視覺分析篩選、變頻驅(qū)動、伺服驅(qū)動、步進驅(qū)動、繼電接觸控制等部件完成現(xiàn)代控制系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建，再根據(jù)設(shè)備需求的功能編寫適合的程序、調(diào)試等步驟就能完成設(shè)備的控制。集成上述部件，實現(xiàn)信號和數(shù)據(jù)傳輸，采用方式很多可以使用串行通信，也可以采用并行通信，實現(xiàn)通信的協(xié)議也很多，如PPI、USS、MPI、PROFIBUS、MODBUS等很多，但目前廣泛使用是基于以太網(wǎng)接口的PROFINET的連接方式，采用以太網(wǎng)接口具有很強的兼容性和后期遠程控制功能的擴展。下面就以PLC為核心集成的主要部件進行分析研究，以便在設(shè)計和構(gòu)建控制系統(tǒng)時高效合理地選擇合適的方式。

2 PLC與人機界面的通信及信號傳輸

人機界面（human-machine interface，HMI），主要是完成人機功能接觸和信息交換，將信息通過通信媒介遠距離地傳遞與控制下一層設(shè)備。即人機界面類似于傳統(tǒng)的操作控制臺，主要用于發(fā)布控制指令，傳統(tǒng)操作控制臺都比較大，而人機界面采用翻頁或目錄翻頁式結(jié)構(gòu)，將操作控制臺壓縮的很小，它將控制按鈕、指示燈、過程趨勢、報警信號、配方等控制都集成在軟件中，工程師需要對其進行組態(tài)和設(shè)置，將功能控件信號通過通信媒介連接到PLC輸入端口，組態(tài)過程中涉及的信號地址與PLC型號相一致，是整個系統(tǒng)規(guī)劃時應(yīng)確定，以保障在操作或數(shù)據(jù)傳輸時能準確地工作。除了發(fā)布控制指令外，還能提取工作過程中各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示在界面上，方便人和設(shè)備之間進行對話，總控室也可以使用計算機軟件完成此項功能，但為了使用過程中方便，多數(shù)設(shè)備都使用HMI。HMI各種控件通過完指定的地址，配合通信媒介完成與PLC或其它設(shè)備的信息交換。HMI也支持多種通信接口和多種通信協(xié)議，采用何種接口和何種協(xié)議主要取決于整個控制系統(tǒng)的設(shè)計和PLC的通信接口，目前多數(shù)采用以太網(wǎng)通信。

3 PLC與變頻器通信及控制信號

變頻驅(qū)動是目前廣泛使用的三相交流調(diào)速技術(shù)，通過調(diào)節(jié)供給電機電源頻率和電壓的方式實現(xiàn)無級變速，同時也能實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)方向的改變，變頻驅(qū)動技術(shù)只對速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)調(diào)節(jié)，因此主要用在有速度調(diào)節(jié)需求，精度要求不高的控制環(huán)節(jié)。實現(xiàn)設(shè)備運行速度快慢的調(diào)節(jié)，變頻驅(qū)動器也支持多種通信接口和協(xié)議，現(xiàn)在大多數(shù)變頻驅(qū)動器都支持以太網(wǎng)通信功能，速度信號和方向信號由PLC功能程序通過通信媒介傳給變頻驅(qū)動器指定功能字和狀態(tài)字地址完成相應(yīng)的功能。也可能通過PLC數(shù)字量或模擬量輸出接口編寫功能程序與變頻驅(qū)動器多功能輸入端子配合完成方向和速度調(diào)節(jié)，PLC可編程數(shù)字量輸出信號作為方向信號連接變頻器多功能端子控制旋轉(zhuǎn)方向，PLC模擬量模塊發(fā)出0～10 V（或0～20 mA電流）電壓模擬量連到多功能輸入端口控制速度，采取這種方式變頻驅(qū)動器需調(diào)節(jié)對應(yīng)的參數(shù)。圖1為PLC1200與變頻器MM420信號連接示意圖，PLC輸出信號作變頻器的多功能端子的輸入信號控制電機速度和方向。

4 PLC與伺服和步進之間的通信

伺服驅(qū)動和步進驅(qū)動是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備重要驅(qū)動技術(shù)之一，兩種驅(qū)動技術(shù)除了對速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)調(diào)節(jié)控制外，還加入了位置環(huán)，因此可能獲得較高的響應(yīng)速度和高精度。伺服驅(qū)動可以采用半閉環(huán)控制，也可以采用全閉環(huán)控制，全閉環(huán)控制的精度更高，用在對速度和位置要求較高的控制環(huán)節(jié)。伺服驅(qū)動有直流驅(qū)動技術(shù)和交流驅(qū)動技術(shù)，隨著交流伺服驅(qū)動技術(shù)越來越成熟，目前多數(shù)控制系統(tǒng)均采用交流伺服驅(qū)動技術(shù)。步進驅(qū)動是將脈沖信號變換為相應(yīng)的角位移和直線位移，且其輸出轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速和輸入脈沖個數(shù)，頻率有著嚴格的同步關(guān)系，步進驅(qū)動一般采用開環(huán)控制，控制的精度稍差一些，用在對精度要求不高的場合。伺服和步進驅(qū)動都支持多種通信接口和協(xié)議，現(xiàn)在大多數(shù)都采用以太網(wǎng)通信方式進行信號傳輸。兩種驅(qū)動的方向和速度調(diào)節(jié)都是由PLC高速脈沖端口通過程序發(fā)出脈沖系列通過通讀媒介傳給伺服和步進驅(qū)動器指定的控制字和狀態(tài)字進行控制，也可以使用PLC高速脈沖輸出端口輸出高速脈沖作為伺服和步進的多功能輸入端口的輸入信號對速度和方向進行控制，不論采用哪種方法，都需要對伺服和步進驅(qū)動器需進行參數(shù)設(shè)定。步進驅(qū)動的控制精度僅次于伺服驅(qū)動技術(shù)，對于精度要求較高的場合應(yīng)采用伺服驅(qū)動和全閉環(huán)進行控制。

5 PLC整體集成組建控制系統(tǒng)

以PLC為核心集成其他功能部件構(gòu)建控制系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備控制要求及控制方案來選擇，下面以工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式為例進行說明。為了方便信號的傳送，一個系統(tǒng)可能會用到多個PLC，下面控制系統(tǒng)采用1臺S7-1500和2臺S7-1200可編程控制器來完成功能控制任務(wù)。S7-1500作為服務(wù)器，負責(zé)完成各控制部件之間信號的傳送和獲取，它采用通信的方式接收HMI發(fā)來的控制信號，有些信號直接S7-1500中編寫程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，有些需要傳送的控制信號通過通信的方式傳送到2臺S7-1200中編寫程序?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的控制功能，傳輸信號時除了硬件連接外，還必須使用相應(yīng)的通信指令、數(shù)據(jù)存儲區(qū)的劃分、進行參數(shù)設(shè)置等。另外S7-1500還可以從另外2臺S7-1200中抓取執(zhí)行程序后的運行結(jié)果和輸入端口的信號，S7-1500把抓取到的數(shù)據(jù)傳給HMI顯示和繼續(xù)參與控制。另外2臺S7-1200PLC作為客戶端，在接收到S7-1500發(fā)來的指令后，編寫程序?qū)崿F(xiàn)變頻驅(qū)動、伺服驅(qū)動、步進驅(qū)動、繼電接觸等功能控制，在控制步進和伺服驅(qū)動器時1200PLC應(yīng)選擇晶體管輸出接口電路形式，才能保證高速脈沖的輸出，實現(xiàn)對步進電機和伺服電機速度與方向的調(diào)節(jié)。負載電流小于2 A時選擇PLC可以選擇使用繼電器輸出的接口電路形式，此種情況負載可以直接接在PLC輸出接口上;如果負載電流大于2 A應(yīng)選擇使用小型繼電器線圈先接到PLC接口電路中，再把負載串接在該小型繼電器的常開觸點電路中，實現(xiàn)同樣的控制邏輯。因連接的控制部件較多，而且在部件之間和計算機之間需進行通信傳輸信號和數(shù)據(jù)，所以在控制系統(tǒng)增加一個10路的網(wǎng)絡(luò)交換機，再用網(wǎng)線連接起來，方便進行程序、數(shù)據(jù)等傳輸、功能調(diào)試、信號在線監(jiān)控、維修等。PLC集成其他部件組建控制系統(tǒng)框圖具體連接如圖2所示。

以PLC為核心，集成上述多個控制部件組建控制系統(tǒng)，其方法多種多樣，方式也是靈活多變，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實際需求來組建控制系統(tǒng)。通過試驗，在控制系統(tǒng)框圖的基礎(chǔ)上進行變換，控制的要點都差不多，但需重新配置硬件，但功能都可以實現(xiàn)。比如，全部控制元器件采用以太網(wǎng)通信的方式，也可能采用其他的通信方式，也可能幾種通信方式混用等，但目前最佳的方案就是使用以太網(wǎng)通信方式，這種方式最貼近生活、容易理解、通信介質(zhì)方便、易于擴展等。另外，PLC數(shù)量可以增加，也可能減少，實現(xiàn)的方法一樣。另外也可以同時控制多個伺服驅(qū)動單元或步進單元或變頻單元工作，這時可能使用以太網(wǎng)、MPI或USS通信方式將動器串接起來，對應(yīng)的功能參數(shù)調(diào)成不同的地址，再使用輪詢的方式進行訪問，通過多種形式變換與配合，可能實現(xiàn)更強大更復(fù)雜的控制功能。

6 結(jié)束語

通過對PLC集成控制部件組建控制系統(tǒng)的應(yīng)用探究，找到PLC與其他部件通信的方式和方法、數(shù)據(jù)傳輸、信號兼容、匹配和抗干擾的有效途徑，找出相對簡單、方便、適用和穩(wěn)定的最佳方案，在實際生產(chǎn)項目中推廣及應(yīng)用，以滿足生產(chǎn)設(shè)備高效和穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)更多高品質(zhì)產(chǎn)品。

參考文獻

[1] 廖常初.S7-1200 PLC編程及應(yīng)用主編[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[2] 廖常初.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.