曹喜

（北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064400）

可編程控制器是一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置，它是在微處理器的基礎(chǔ)上，結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)以及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的，因此，可以用其表示當(dāng)下工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中程序控制部分的先進(jìn)程度。它面向的主要對(duì)象包括兩類：過程控制和用戶，具有操作方便、可靠性高、適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

1 PLC技術(shù)概述

輸入/輸出模塊(I/O模塊)是系統(tǒng)感知外部條件、傳遞信息的“五感”。它是外場(chǎng)設(shè)備與CPU模塊之間的連接。輸入模塊用于接收和收集輸入信號(hào)，輸出模塊用于控制輸出設(shè)備。輸入輸出模塊除了具有信號(hào)傳輸功能外，還可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和隔離。PLC控制器的實(shí)現(xiàn)需要軟硬件的高度協(xié)調(diào)。它是一個(gè)可編程邏輯電路。PLC廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、民用、家庭自動(dòng)化等各種控制系統(tǒng)。PLC的應(yīng)用面廣，普及率高，很多其他設(shè)備也在模仿自己的路走得越來越遠(yuǎn)，但在功能方面只能望洋興嘆。

1.1 PLC的基本框架

PLC的硬件結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)基本上是一樣的，它實(shí)質(zhì)上可以看作是一臺(tái)專用于工業(yè)過程控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

（1）中央處理單元。CPU作為PLC的控制中樞，主要起到了接收、存儲(chǔ)用戶程序以及數(shù)據(jù)的作用。

（2）存儲(chǔ)器。按照其功能的不同可以將存儲(chǔ)器分為兩種：一種叫系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，是用來存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件的；另一種叫用戶程序存儲(chǔ)器，是用來存儲(chǔ)應(yīng)用軟件的。

（3）電源。電源是整個(gè)PLC系統(tǒng)中動(dòng)力中樞。通電時(shí)，PLC啟動(dòng)；斷電時(shí)，PLC關(guān)閉。

1.2 PLC的工作原理

PLC通常以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作。將PLC接通電源后，就可以對(duì)用戶程序進(jìn)行掃描了，完成一次掃描后將用戶程序存儲(chǔ)起來，之后再讓系統(tǒng)執(zhí)行程序完成規(guī)定的任務(wù)，周而復(fù)始，直至PLC停止運(yùn)行。掃描周期是指完成一次掃描所用的時(shí)間，一次完整的循環(huán)過程可以歸納為五個(gè)階段，分別為公共處理階段、執(zhí)行用戶程序階段、掃描周期計(jì)算階段、I/O口刷新階段以及外設(shè)口服務(wù)階段。

（1）公共處理階段。在此階段，PLC會(huì)進(jìn)行如下操作：對(duì)監(jiān)視定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位、對(duì)所接外部設(shè)備進(jìn)行檢查以及對(duì)用戶的內(nèi)存狀態(tài)進(jìn)行檢查等。如果在處理時(shí)有異常情況發(fā)生，故障顯示電路就會(huì)被接通，顯示燈打開的同時(shí)會(huì)對(duì)異常原因進(jìn)行判斷和顯示。

（2）執(zhí)行用戶程序階段。在此階段主要是進(jìn)行對(duì)映像寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、解釋以及執(zhí)行的工作。

（3）掃描周期的計(jì)算。在此階段，如果隨掃描周期提前進(jìn)行了設(shè)置，則不會(huì)立即進(jìn)行下面的掃描工作，直至達(dá)到設(shè)定值才能繼續(xù)向下掃描。若沒有提前設(shè)置，則要完成整個(gè)周期的掃描計(jì)算。

（4）I/O刷新階段。I/O刷新階段，主要分為讀各輸入點(diǎn)的狀態(tài)和讀輸出映像寄存器中的狀態(tài)。

1.3 PLC的基本特點(diǎn)

PLC控制技術(shù)的誕生讓工業(yè)控制技術(shù)在整體上有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，它相比傳統(tǒng)繼電器的控制技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高可靠性以及強(qiáng)抗干擾能力。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，元器件的性能也在被不斷地進(jìn)行完善，因此，在一定程度上提高了PLC的可靠運(yùn)行性。通常情況下，PLC可正常工作的時(shí)間是非常長(zhǎng)的，甚至可以達(dá)到幾萬小時(shí)以上，使得該項(xiàng)指標(biāo)已變得毫無意義，因此，大部分廠家在之后的生產(chǎn)過程中都不會(huì)再對(duì)該性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注。大量的實(shí)踐表明，PLC運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生故障的原因基本不是由其本身問題產(chǎn)生的，大多數(shù)還是其外部開關(guān)、傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障導(dǎo)致的。

（2）通用性強(qiáng)，使用方便。目前大部分的PLC產(chǎn)品中所帶有的I/O模塊和相關(guān)部件都是比較齊全的，且基本上實(shí)現(xiàn)了系列化生產(chǎn)和功能模塊化的目標(biāo)，在很大程度上滿足了用戶在進(jìn)行不同系統(tǒng)控制時(shí)將所需部分進(jìn)行組合的便利性，節(jié)省了用戶的設(shè)計(jì)時(shí)間。

（3）程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且易學(xué)易懂。通過對(duì)當(dāng)前用戶的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出電氣控制人員是PLC的主要使用對(duì)象。因此結(jié)合這個(gè)實(shí)際情況，PLC廠家在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通常情況下不會(huì)采用微機(jī)使用編程語(yǔ)言，而選用了一種梯形圖語(yǔ)言，這種語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)和繼電器的控制原理圖是類似的，所以對(duì)工程技術(shù)人員來說，無論是學(xué)習(xí)還是使用都是非常便利的。

（4）采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組合靈活方便。PLC整體上采用了模塊化的技術(shù)手段，將CPU、電源及I/O通道等各個(gè)部件分別進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，之后再用機(jī)架和電纜將各模塊組合到一起。可按照用戶需求將隨意組合，大大提高了用戶的工作效率。

（5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短。鑒于系統(tǒng)硬件僅是依據(jù)對(duì)象的要求對(duì)模塊進(jìn)行合理化分配，很大程度上減少了設(shè)計(jì)時(shí)間，加快了工程的進(jìn)度。

2 基于PLC技術(shù)的物料提升機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)研究的物料提升機(jī)控制系統(tǒng)，其硬件部分主要由PLC和轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成。

2.2 PLC的硬件設(shè)計(jì)

（1）PLC機(jī)型的選擇。本設(shè)計(jì)采用了日本三菱公司的FX3U系列的FX3U-16MTCPU系統(tǒng)，其中，16是指一共有16個(gè)輸入輸出點(diǎn)；M為基本單元；T為晶體管輸出形式。這類PLC在環(huán)境溫度、抗沖擊性、抗擾動(dòng)等方面都能滿足要求。PLC構(gòu)成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的成分包括1個(gè)基本單元（即FX3U-16MT）、一個(gè)模擬量輸入模塊FX3U-4AD（即4個(gè)12位模擬量輸入通道）和一個(gè)模擬量輸出模塊FX3U-2DA（即2個(gè)12位模擬量輸出通道）。

通過FROM（FNC78）/TO（FNC79）指令實(shí)現(xiàn)PLC基本單元與FX3U-4AD和FX3U-2DA之間的數(shù)據(jù)通訊功能。FROM（讀特殊功能模塊指令）是用于讀取數(shù)據(jù)的指令，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從FX3U-4AD/2DA中讀出的功能，TO（寫特殊功能指令）是用來寫入數(shù)據(jù)的指令。

PLC構(gòu)成的轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一共包括三個(gè)模塊：基本單元模塊FX3U-16M、模擬量輸入模塊FX3U-4AD以及模擬量輸出模塊FX3U-2DA。將I/O模塊連接在FX3U-16MT的右邊擴(kuò)展總線上，編號(hào)時(shí)，認(rèn)為靠近基本單元的模塊為起始模塊，依次標(biāo)為0號(hào)、1號(hào)，如圖1所示。

圖1 PLC模塊連接和編號(hào)

（2）PLC硬件部分設(shè)計(jì)。PLC硬件設(shè)計(jì)。如下圖2所示為本設(shè)計(jì)的PLC硬件連接方式。我們把其中的SB0～SJ設(shè)定為輸入通道，KM0～DJ設(shè)置為輸出信號(hào)通道。

圖2 PLC連線圖

3 結(jié)語(yǔ)

隨著PCL技術(shù)在電氣領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，它的兩大系統(tǒng)(FCS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng))會(huì)根據(jù)電氣設(shè)備的類型呈現(xiàn)出不同的運(yùn)行狀態(tài)，這樣不僅可以減少許多紛繁復(fù)雜的程序步驟，還能節(jié)省大量的財(cái)力物力，不斷地提高電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中的操作效率，保證設(shè)備的順利運(yùn)行。并且PLC的運(yùn)用比較方便快捷，同時(shí)，它的維修工作也比較簡(jiǎn)單，平常的一些維修師傅就能夠很好的完成。在當(dāng)前的時(shí)代背景下，PLC憑借獨(dú)特、多樣化的功能優(yōu)勢(shì)，在電氣設(shè)備自動(dòng)化領(lǐng)域中的發(fā)展會(huì)越來越廣。