房 浩

（1.河北科技大學，河北 石家莊 050018；2.中鐵十九局集團電務工程有限公司，北京102600）

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)運行的效率相對較低，達不到日益提升的生產(chǎn)需求，制造業(yè)對生產(chǎn)線自動化程度的要求也越來越高[1]。機電自動化控制技術(shù)主要包括可編程邏輯控制器（PLC）控制與繼電器控制兩種形式，其應用不僅可以節(jié)約資金和人力資源，還能夠提高制造效率與控制精度[2?3]?，F(xiàn)階段繼電器控制已逐漸暴露出了較多的缺點，如硬結(jié)點接線復雜、成本高、改動復雜、易受外界影響等[4]。

相對而言，PLC 技術(shù)具有更為優(yōu)質(zhì)的邏輯性、穩(wěn)定性、靈敏性，需要的人力參與度較少，主要的人為工作是編寫程序，由于修改程序方便、運算能力較強，因此其應用日益廣泛[5?6]。自動控制技術(shù)采用可編程邏輯控制器，固態(tài)電子器件與光學傳感器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線機電控制電路，常被應用于生產(chǎn)中[7]。目前，其在機電工程自動化控制、汽車制造控制、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制、電氣自動化控制領域等方面均有著廣泛的應用，甚至在軍事國防領域中也有所應用[8?10]?；诖?，本文設計研究一種基于PLC 技術(shù)的自動化機電控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)線的先進運動和過程控制。

1 PLC 技術(shù)

PLC 技術(shù)指在實踐中利用數(shù)字化編程、智能控制各類系統(tǒng)的技術(shù)。PLC 系統(tǒng)擁有儲存功能，從而實現(xiàn)計時、排序等指令?？刂七^程為：在收到指令后經(jīng)軟件編程的邏輯進入各種對應步驟，再通過傳感器等方式完成信息數(shù)據(jù)輸入/輸出操作，實現(xiàn)多方管理控制[11]。按照規(guī)模與結(jié)構(gòu)的不同，PLC 技術(shù)可以分為以下幾種類型，如表1 所示。

表1 PLC 技術(shù)的分類

1.1 自動控制技術(shù)

自動化在機電控制領域中主要有兩個應用方面：第一個是自動控制裝置，通過修改控制程序并將其植入控制終端，由此實現(xiàn)機電設備運行狀態(tài)的控制。例如典型的傳感器檢測流程，如圖1 所示[12]。

圖1 傳感器檢測流程

第二個應用方面是機電自動控制器，智能的檢測裝置可以收集檢測目標的數(shù)據(jù)信息，然后利用計算機自動分析保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率。其優(yōu)勢在于不易受到外界干擾，能夠準確分析出工作系統(tǒng)的精確度，一旦出現(xiàn)故障可以及時告警，減少生產(chǎn)企業(yè)在設備維修方面的損失。

1.2 PLC 在機電控制領域的應用

PLC 在自動化控制技術(shù)的應用領域應用廣泛，可以兼顧定時、計算數(shù)據(jù)、程序控制等多種功能，且使用方便、安裝簡單，是促進機電企業(yè)迅速發(fā)展的重要方式。PLC 使用流程如圖2 所示。

2 PLC 機電控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計流程

為了提高機電系統(tǒng)的綜合設計質(zhì)量，需要有科學的設計規(guī)劃，如圖3 所示為機電產(chǎn)品設計的典型流程[13]。

2.2 硬件設計

設計前首先應該對系統(tǒng)控制對象的工作過程全面了解，針對機電系統(tǒng)應用的特殊要求，熟悉工藝過程并確定任務目標。

圖2 PLC 使用流程

圖3 典型機電產(chǎn)品設計流程

2.2.1 控制器設計

PLC 機電控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上應由PLC、輸入輸出模塊、編程器、獨立電源模塊、CPLI、PC/PCL 聯(lián)接、編程軟件等幾部分組成，本系統(tǒng)選擇西門子300 系列PCL 作為控制器。控制系統(tǒng)設計的研究重點在于伺服連接電路的設計，主要包括伺服通信電路、驅(qū)動器和控制器的接線圖及電源電路。主電路通過驅(qū)動器的5個端口接觸并連接到電抗器，運動控制器主要通過6 個端口連接到驅(qū)動器。控制器設計圖要包括各模塊的電路，主要有：

1）以CPU 為核心的電路，用于對2 個電磁閥通斷及電動泵調(diào)速進行管理與控制，包括CPU、譯碼、三總線及總線驅(qū)動、存儲器擴展、WDT 等電路；

2）輸入/輸出電路；

3）通信接口電路；

4）打印機接口電路；

5）顯示電路；

6）電源電路。

2.2.2 電源設計

PLC 控制器通常在電壓相對較低的狀態(tài)下運行，但外部控制部件主要在強電情況下工作，易對控制器造成不同程度的影響。因此，電源需要提供穩(wěn)定的強弱電力供控制器運行。此外，設計時要把外部控制部件及控制器所涉及的電源與供電電源有效隔離，伺服驅(qū)動器的電源電壓選擇范圍是12～24 V。

2.2.3 其他硬件

傳感器可以將模擬量轉(zhuǎn)變成電信號，再通過變送器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號進行采集。因此，物理量如環(huán)境溫度、機械壓力、液體流量、氣體成分等被測信號均可被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。執(zhí)行器可以分為氣動、電動、液壓三種類型，作用在于接收計算機發(fā)出的控制信號并轉(zhuǎn)換成機械動作。

2.3 軟件設計

系統(tǒng)軟件包括通信系統(tǒng)、傳感器軟件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件、計算軟件及控制管理軟件等。為了高效連接各硬件部分，可以增加相應的通信設置。傳感器處理系統(tǒng)基于式（1）對傳輸信號進行處理：

式中：M是處理后的信號；a是信號初始值；γ是標準值；κ是信號權(quán)重。

為了改善自動化控制中的非線性誤差與延遲，采用模糊控制PID 算法設計系統(tǒng)控制軟件。PID 算法對各種控制系統(tǒng)的適應性均較強、魯棒性較優(yōu)、調(diào)整精度較高，可以提高自動化機電控制的有效性。

模糊控制分為3 個步驟：

1）將精度偏差e與偏差變化ec模糊為E和EC；

2）由模糊控制表推理得出推理結(jié)果U；

3）將U模糊判決轉(zhuǎn)化為精確值，用于實際參數(shù)設定。轉(zhuǎn)化時引入量化因子ke，kec和比例因子ku，從連續(xù)域轉(zhuǎn)變到有限域，具體計算如下：

式中：eH是偏差的高極限值；eL是偏差的低極限值。

式中：ecH是偏差變化的高極限值；ecL是偏差變化的低極限值；uH，uL分別是控制量的高、低極限值。

基于上述原理，取各項參數(shù)，利用式（5）和式（6）建立模糊控制器。

機電系統(tǒng)的控制軟件包括上位機與下位機，上下位機之間經(jīng)由PN 網(wǎng)絡傳遞數(shù)據(jù)。下位機的程序有：主程序塊、數(shù)據(jù)塊、功能塊等結(jié)構(gòu)。功能塊由主程序調(diào)用，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、越限報警、控制輸出、實時時鐘（包括絕對時鐘和相對時鐘）、人機交互等功能。PLC 編寫程序結(jié)合語句表與梯形圖，以下為主程序塊的部分語句：

上位機的程序包括：主畫面、參數(shù)設定、操作模式切換、生產(chǎn)信息、報警查詢、賬戶管理等功能。控制器可以在常見的操作系統(tǒng)上運行，且下位機的人機交互界面可以在多種環(huán)境中開發(fā)。但該方案的插值算法是實時執(zhí)行的，工作量較大，整個系統(tǒng)的復雜度較高。本文設計的控制系統(tǒng)在下位機完成人機交互，采用插值算法計算運動控制核心，大幅降低控制器的實時性能要求。

2.4 機電控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

完成設計后，逐步調(diào)試系統(tǒng)，調(diào)試共分為兩個環(huán)節(jié)：

1）系統(tǒng)調(diào)試。依照控制器設計電路，連接各硬件部分，調(diào)試實現(xiàn)目標功能。硬件調(diào)試完成后，進行程序軟件的匹配調(diào)試。

2）現(xiàn)場調(diào)試。實驗室調(diào)試后，現(xiàn)場需要選擇合理的調(diào)節(jié)參數(shù)，注意接地、環(huán)境干擾等問題，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，達到性能指標，完善設計方案。

結(jié)合PLC 控制器類型進行各電路的硬件設計與軟件設計，軟件設計使用西門子PLC 可編程控制軟件STEP7 的特殊運算指令完成系統(tǒng)的程序編譯，并同硬件進行連線調(diào)試，通過調(diào)試即完成了機電系統(tǒng)的自動化控制。其中，軟件設計將軟件模塊化，分別歸類為各子程序，由主機集成管理控制過程。最終在模塊上模擬完成控制系統(tǒng)中各子程序的運行，驗證所設計系統(tǒng)的可實現(xiàn)性。

3 有效性實驗驗證

對本文基于PLC 技術(shù)與模糊控制PID 算法的自動化機電控制系統(tǒng)進行工作效率分析，完成有效性對比實驗驗證。由于需要對照的兩種系統(tǒng)控制方式不同，所以無法直接比較，因此引入第三方軟件負責系統(tǒng)管控效率的記錄。

1）條件參數(shù)設置。實驗的過程中，由于對照采用的兩種機電控制系統(tǒng)不同，所以其控制方法也有區(qū)別。為了得出較為精確、可信的過程與結(jié)果，需要設定統(tǒng)一的外部環(huán)境實驗條件參數(shù)。文中的條件參數(shù)數(shù)據(jù)設置結(jié)果，如表2 所示。

表2 實驗條件設置

2）對比實驗結(jié)果。通過多次實驗獲取常規(guī)非自動化機電控制系統(tǒng)與本文基于PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)的管控效率，主要從控制管理效率的對比進行系統(tǒng)有效性的驗證。從20～220 次實驗中，獲得傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)的控制管理效率，取每隔20 次實驗的記錄進行計算，得到的結(jié)果如圖4 所示。

圖4 實驗對比結(jié)果

由圖4 中可得，傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制管理效率能夠達到30%左右，而本文設計的基于PLC 技術(shù)的自動化機電控制系統(tǒng)的控制管理效率能夠達到60%～70%。對比分析可知，文中所設計系統(tǒng)的控制管理效率較常規(guī)系統(tǒng)提高了約30%。

4 結(jié) 論

本文設計基于PLC 技術(shù)的自動化機電控制系統(tǒng)，采用模糊控制PID 算法優(yōu)化控制軟件計算程序，最終實現(xiàn)高效率的自動控制。最后設計實驗對比了常規(guī)非自動化控制系統(tǒng)與文中系統(tǒng)的管控效率，證明設計系統(tǒng)的有效性。本文系統(tǒng)實現(xiàn)了機電設備的管控功能，對比常規(guī)系統(tǒng)性能更優(yōu)越，比如，管控效率高出30%左右、抗干擾性強、應用靈活、實踐便捷等。同時，PLC 技術(shù)的合理應用可以顯著提高機電系統(tǒng)的控制管理整體效率與質(zhì)量。值得注意的是，在相關(guān)的應用領域中必須要明確其具體的環(huán)境與原理，強化自動控制和機電系統(tǒng)的融合程度，進而提升應用效果。