孫里洪

淺談機(jī)械自動化控制中的PLC技術(shù)

孫里洪

（河北東源羊絨制品股份有限公司，河北 石家莊 050071）

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)技術(shù)也進(jìn)入到了發(fā)展的頂峰時期，并取得了較大的成績。但是相較于西方發(fā)達(dá)國家，中國傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)水平還比較落后，科學(xué)技術(shù)含量無法達(dá)到發(fā)達(dá)國家的水平。在此背景下，相關(guān)專業(yè)人員需要對PLC技術(shù)在機(jī)電自動化控制技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，尤其是要重視PLC在中國制造業(yè)的應(yīng)用，以PLC技術(shù)的有效利用，提升工業(yè)生產(chǎn)水平、生產(chǎn)質(zhì)量和效率，加快中國工業(yè)進(jìn)程發(fā)展。

機(jī)械自動化；控制技術(shù)；PLC；應(yīng)用

1 前言

近幾年來，隨著中國社會的快速發(fā)展，工業(yè)化水平的提升，諸多機(jī)電設(shè)備也被應(yīng)用在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中。同時，自動化技術(shù)的快速發(fā)展，也推動了相關(guān)技術(shù)在機(jī)電控制領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是PLC技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠提升機(jī)電自動化的整體水平，還能夠在很大程度上促進(jìn)中國工業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加快機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)。所以，對自動化技術(shù)在機(jī)電控制制造中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 PLC技術(shù)的相關(guān)概述

從本質(zhì)上來說，PLC技術(shù)就是可編程控制器，其自身的計(jì)算機(jī)技術(shù)就是最為基礎(chǔ)的表現(xiàn)。PLC技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上所發(fā)展出來的，并且該技術(shù)的逐步成熟，為電子自動化創(chuàng)造出了一個專業(yè)性較強(qiáng)的自動化控制器。目前，PLC技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用在機(jī)電自動化控制層面。要實(shí)現(xiàn)機(jī)電自動化控制，就必須要按照用戶的不同需求，根據(jù)規(guī)定的命令以及操作流程，以保障設(shè)備順利運(yùn)行為前提，進(jìn)行實(shí)際的處理，并通過軟件進(jìn)行有效的控制。

2.1 PLC技術(shù)特點(diǎn)

PLC技術(shù)是結(jié)合了多種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)而產(chǎn)生的，該技術(shù)不僅有極強(qiáng)的抗干擾的能力，其自身的可靠性，也為自動控制功能的實(shí)現(xiàn)提供了保障。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，以PLC技術(shù)為核心建立的控制系統(tǒng)，能夠以更加簡潔的方式完成各項(xiàng)操作，技術(shù)人員將擁有更多的精力去處理一些自動控制不易解決的難題。在實(shí)際應(yīng)用期間，PLC自動控制系統(tǒng)充分利用了梯形圖編程的方式，整個系統(tǒng)的安裝與調(diào)試相對便捷，操作人員在掌握必要的理論、方法后，只需要通過簡單的學(xué)習(xí)，即可完成各項(xiàng)基本操作。

2.2 PLC技術(shù)應(yīng)用的可行性分析

PLC技術(shù)是一種對數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算的電子系統(tǒng)，目前基于PLC技術(shù)構(gòu)建的控制系統(tǒng)，大多是針對中國工業(yè)領(lǐng)域所涉及的生產(chǎn)活動，所以需要考慮到的重點(diǎn)問題，就是利用可編程序儲存器來實(shí)現(xiàn)大量工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的保存和處理、運(yùn)算等多種操作指令。除數(shù)字運(yùn)算外，PLC技術(shù)還可以通過數(shù)字的傳輸，來實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)的全過程的控制，從而保障生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為工業(yè)生產(chǎn)過程控制提供技術(shù)支持。機(jī)電自動化控制通常包含了繼電器控制與PLC控制這兩種。在生產(chǎn)實(shí)踐中，繼電器控制的高故障率，讓技術(shù)人員看到了其在機(jī)電控制上的局限性，以繼電器控制系統(tǒng)完成機(jī)電的自動化控制已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要；與此同時，PLC技術(shù)展現(xiàn)出的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了繼電器控制系統(tǒng)的缺陷。

3 機(jī)械自動化技術(shù)

3.1 機(jī)械自動化的網(wǎng)絡(luò)化

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，網(wǎng)絡(luò)得到了極大的發(fā)展和普及。這也促使企業(yè)的管理和企業(yè)機(jī)械自動化生產(chǎn)發(fā)生了很大的變化，機(jī)械設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，各種零部件的制造水平更高。同時，信息全球化可以使得各種機(jī)械自動化技術(shù)應(yīng)用互相分享，這為機(jī)械自動化這個行業(yè)的交流和機(jī)械自動化企業(yè)提供了很好的學(xué)習(xí)平臺，可以促使工業(yè)機(jī)械企業(yè)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

3.2 機(jī)械自動化的虛擬化

目前有一種被稱為虛擬化的技術(shù)被運(yùn)用與機(jī)械自動化技術(shù)中。它是通過電子計(jì)算機(jī)，模擬實(shí)際生產(chǎn)過程和檢驗(yàn)產(chǎn)品的過程仿真操作系統(tǒng)。有了這個仿真化的作業(yè)工程，就可以檢驗(yàn)產(chǎn)品的制作工藝是否最佳，優(yōu)化各種工藝而且可以實(shí)現(xiàn)不浪費(fèi)時間、不浪費(fèi)原材料、不浪費(fèi)人力，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4 機(jī)械自動化控制中的PLC技術(shù)應(yīng)用

在PLC技術(shù)的發(fā)展初期，其并沒有在機(jī)電自動化控制中得到大量的應(yīng)用，該技術(shù)能夠在機(jī)械自動化控制中得以應(yīng)用是經(jīng)過了長達(dá)十年的發(fā)展之后，因?yàn)樵摷夹g(shù)的自身性能和滿足機(jī)械自動化控制的相關(guān)要求后，才被逐漸應(yīng)用在機(jī)械自動化控制中。隨著中國PLC技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)在機(jī)電自動化控制中的實(shí)際應(yīng)用也越來越頻繁，其重要性也逐漸被凸顯，隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的融入，PLC技術(shù)在機(jī)械自動化控制中的效能被完全展現(xiàn)出來，所以其也保障了中國工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。在PLC技術(shù)得到大范圍推廣的同時，該項(xiàng)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的良好契合以及技術(shù)本身具有的發(fā)展前景逐漸得到業(yè)內(nèi)人士的重視。

4.1 PLC技術(shù)與空調(diào)變頻改造

中央空調(diào)系統(tǒng)一般由制冷機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。由于技術(shù)方面的限制，早期中央空調(diào)的水系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的控制方法。應(yīng)用階段，中央空調(diào)系統(tǒng)的高額用電量以及各類故障的出現(xiàn)，使得不少企業(yè)開始探索空調(diào)系統(tǒng)的改造技術(shù)。從實(shí)際情況來看，中央空調(diào)PLC的節(jié)能現(xiàn)象，在根本上是基于空調(diào)水系統(tǒng)熱交換循環(huán)而產(chǎn)生的，在中央空調(diào)的運(yùn)行過程中，冷卻水是一個較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通常而言，中央空調(diào)的水流調(diào)節(jié)方式是通過系統(tǒng)中相關(guān)閥門和擋板的開閉來進(jìn)行控制的，因此會造成大量的電能在這個過程中損失掉，而通過進(jìn)行PLC變頻改造之后，則能夠?qū)﹄娔軐?shí)現(xiàn)節(jié)約效果，降低空調(diào)能耗。據(jù)測算，以傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行水系統(tǒng)的控制，在絕大多數(shù)時間內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)真正需要的冷負(fù)荷要遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，而水塔風(fēng)機(jī)、冷卻水泵等處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，由此帶來了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)問題。結(jié)合運(yùn)行工況監(jiān)測結(jié)果與中央空調(diào)水系統(tǒng)工作原理，有技術(shù)人員提出了在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加控制單元，通過PLC控制器、變頻器、傳感器以及溫差控制器等元器件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)變頻控制，并最終達(dá)到合理控制水系統(tǒng)運(yùn)行狀況的目的。不僅如此，實(shí)踐表明，在原有繼電接觸器控制電路的基礎(chǔ)上增加變頻器控制電機(jī)，正常情況下，變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，整個系統(tǒng)處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，可改善能源浪費(fèi)問題。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)示意圖

4.2 PLC與數(shù)控加工

數(shù)控加工在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域扮演者重要角色，技術(shù)本身具備的強(qiáng)大加工能力以及良好的適應(yīng)性，給其大范圍應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。PLC技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的運(yùn)用原理和流程與常用的PLC差別不大，首先需要通過PLC順序掃描的方式，對輸入端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入和存儲；其次，則是在執(zhí)行階段以特定的順序進(jìn)行掃描，從而讀入已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)，在完成計(jì)算之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出和存儲；最后，PLC系統(tǒng)執(zhí)行完相關(guān)命令之后，輸出映像寄存區(qū)的所有輸出繼電器的狀態(tài)，在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出存儲其中，并以相應(yīng)的方式進(jìn)行輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對外部負(fù)載的有效驅(qū)動。從實(shí)際效果來看，PLC技術(shù)的應(yīng)用，可簡化強(qiáng)電控制線路，提高產(chǎn)品加工精度，增加設(shè)備的柔性，保障數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定運(yùn)行。

但與此同時，PLC技術(shù)在數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用仍然需要解決兩項(xiàng)關(guān)鍵問題：①提升定位速度與保證定位精度之間的矛盾；②可變參數(shù)的在線修改。首先，對于步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率呈正相關(guān)，一旦電機(jī)以低脈沖頻率運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速也將處于較低數(shù)值，此時數(shù)控機(jī)床的定位將受到影響。而根據(jù)數(shù)控機(jī)床的性能需求，機(jī)床必須兼顧加工的精度與效率，定位速度過慢勢必會影響到加工的效率。

4.3 PLC與電梯系統(tǒng)

電梯是一種常見特種設(shè)備，其主要任務(wù)是完成人或物的垂直運(yùn)輸，起停相對頻繁。一般電梯系統(tǒng)可分為升降機(jī)裝置系統(tǒng)、集選控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、故障檢測系統(tǒng)等部分。在上行、下行過程中，控制系統(tǒng)需要對多個指令進(jìn)行處理，確保其按照預(yù)設(shè)程序運(yùn)行。以電梯的選層為例，其功能實(shí)現(xiàn)主要依賴于信號的傳遞、脈沖信號的正確處理，此外，還需引進(jìn)防亂層技術(shù)，自動校正錯誤參數(shù)，對計(jì)數(shù)混亂問題進(jìn)行妥善處理。本質(zhì)上，PLC控制電梯是以CPU微處理器進(jìn)行運(yùn)行過程中所需要進(jìn)行的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，并利用PLC輸出單元進(jìn)行控制信號的發(fā)出，從而實(shí)現(xiàn)對電梯的控制。在具體的應(yīng)用過程中，主要是通過進(jìn)行與之相應(yīng)的PLC控制—能見電路的方式，來實(shí)現(xiàn)其余外部電路以數(shù)據(jù)的輸入和輸出端口進(jìn)行通信，并通過PLC系統(tǒng)的控制器CPU來進(jìn)行ROM中機(jī)器碼的執(zhí)行，從而有效地進(jìn)行輸入輸出數(shù)據(jù)的處理，最后將已經(jīng)完成處理的數(shù)據(jù)利用端口傳輸?shù)酵鈬娐罚_(dá)到對電梯自動化控制的目的。PLC控制電梯系統(tǒng)原理示意如圖2所示。

圖2 PLC控制電梯系統(tǒng)原理示意圖

5 結(jié)語

在工業(yè)化進(jìn)程下，自動控制裝置的研發(fā)與應(yīng)用備受關(guān)注，PLC技術(shù)于機(jī)械自動化控制領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅提升了工業(yè)制造的效率與品質(zhì)，也保障了控制系統(tǒng)的可靠性。與傳統(tǒng)控制方式相比，以PLC技術(shù)為核心搭建的控制平臺具有更加快速的響應(yīng)速度，能夠在滿足正常控制需要的前提下，減少整個系統(tǒng)運(yùn)行的能耗，且操作更加方便，穩(wěn)定性強(qiáng)。從發(fā)展趨勢看，PLC技術(shù)在機(jī)械自動化控制裝置中的應(yīng)用，可建立更加穩(wěn)定、更具效率的控制系統(tǒng)，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。同時，PLC技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，將為工業(yè)生產(chǎn)、制造領(lǐng)域的智能化發(fā)展創(chuàng)設(shè)條件，助力產(chǎn)業(yè)革新。

［1］郭福桂.淺析PLC技術(shù)在機(jī)械工程自動化中的應(yīng)用［J］.工程技術(shù)（全文版），2016（6）：221.

［2］劉杰，賈宜民，李鋒，等.機(jī)械自動化控制中PLC技術(shù)的應(yīng)用分析［J］.科技風(fēng)，2019（12）：140-141.

2095－6835（2021）06－0116－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.045

孫里洪（1969—），男，河北張家口人，本科，工程師，研究方向?yàn)檫^程自動化。

〔編輯：丁琳〕