林燕霞

（長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，從事電氣自動(dòng)化的工作人員逐漸將注意力轉(zhuǎn)移到智能化控制裝置上。傳統(tǒng)的控制技術(shù)使用繼電器接觸器控制機(jī)械設(shè)備，曾在機(jī)械化生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，但它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，如不能實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化、信息化綜合操作。與此同時(shí)，近年來隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，PCL技術(shù)得到了極大地發(fā)展，PLC的功能不斷完善并被廣泛應(yīng)用于機(jī)械電氣控制裝置中。毋庸置疑，若要充分發(fā)揮PLC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)機(jī)械電氣控制裝置對(duì)PLC技術(shù)的有效應(yīng)用進(jìn)行充分分析和探究就顯得尤其關(guān)鍵。

1 PLC的優(yōu)勢(shì)分析

PLC是可編程控制器的簡(jiǎn)稱，是專門為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種通用控制器，微處理器是PLC的核心基礎(chǔ)，在微處理器中集成了多項(xiàng)技術(shù)，如現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信工程技術(shù)以及傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)，是一種較為新型的先進(jìn)控制設(shè)備。它由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、電源、輸入/輸出模塊、外部設(shè)備接口、I/O擴(kuò)展接口等幾部分組成[1]，如圖1所示。其具有體積小、能耗低、程序編寫方便易學(xué)、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、總體的構(gòu)造設(shè)計(jì)與安裝調(diào)試工作難度低等基本特點(diǎn)。隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理及圖像顯示技術(shù)的發(fā)展，PLC的網(wǎng)絡(luò)通信功能、智能模塊功能、外部自診斷功能在不斷增強(qiáng)，使PLC在工業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛。

圖1 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先，PLC能適用于各種類型的機(jī)械電氣控制系統(tǒng)。PLC不僅具有處理數(shù)字量和模擬量的能力，還具有處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)算以及網(wǎng)絡(luò)通信的能力，因此可以對(duì)不同電氣控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終達(dá)到控制機(jī)械生產(chǎn)的效果，并且PLC能夠滿足各個(gè)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化，從而滿足機(jī)械工程發(fā)展的需要。其次，PLC技術(shù)引進(jìn)了許多大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，如此不僅可提高機(jī)械電氣控制裝置的抗干擾能力，還可實(shí)現(xiàn)機(jī)械電氣控制的聯(lián)網(wǎng)及組態(tài)，提高機(jī)械電氣控制裝置的安全性、易操作性，提高自動(dòng)化水平[2]。最后，在PLC控制系統(tǒng)中，如果發(fā)生故障問題，可以自行及時(shí)分析診斷故障原因，并發(fā)出預(yù)示警告信息，有助于技術(shù)管理人員高效化處理系統(tǒng)問題，進(jìn)而提高整體工作效率。

2 PLC技術(shù)在機(jī)械電氣控制裝置中的重要作用

2.1 簡(jiǎn)化操作過程

PLC的軟件編程功能可以實(shí)現(xiàn)以往繼電器控制裝置中多個(gè)零部件的功能，將整體操作流程進(jìn)一步簡(jiǎn)化，當(dāng)生產(chǎn)工藝及控制要求發(fā)生變化時(shí)，只需修改編程內(nèi)容就可以迅速滿足工藝生產(chǎn)需求，有助于提高整體工作效率。相較于繼電器控制系統(tǒng)，省去了控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線等工作。另外，在機(jī)械電氣控制裝置運(yùn)行中，只需按照PLC上位機(jī)發(fā)出的指令進(jìn)行操作即可，與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，簡(jiǎn)化了人工操作的煩瑣性，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了機(jī)械電氣控制裝置的運(yùn)行效率與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

2.2 功能多樣化

PLC與觸摸屏通信，可以將采集到的機(jī)械設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，以圖形、動(dòng)畫等直觀形象的方式呈現(xiàn)出來，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視和控制；也可以直接對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，設(shè)置參數(shù)干預(yù)機(jī)械設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)的控制流程；還可以將控制系統(tǒng)中的緊急工況（如報(bào)警等）通過軟件界面、電子郵件、手機(jī)短信、聲音和計(jì)算機(jī)自動(dòng)語音等多種手段，及時(shí)通知給相關(guān)人員，使他們及時(shí)掌握機(jī)械設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)的情況[4]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的信息控制和管理。

隨著新智能I/O模塊的誕生，PLC的實(shí)時(shí)精度、分辨率、人機(jī)對(duì)話等方面得到了進(jìn)一步的改善和提高，有助于實(shí)現(xiàn)基于PLC控制技術(shù)的機(jī)械電氣控制裝置的自動(dòng)化和智能化發(fā)展。

3 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC在機(jī)械電氣控制裝置中主要應(yīng)用于FCS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)有不同的特點(diǎn)及適用范圍。應(yīng)根據(jù)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)及控制要求進(jìn)行全面分析，選定系統(tǒng)，進(jìn)而確定PLC的類型、型號(hào)，然后進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)步驟如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

3.1 確定控制對(duì)象及控制范圍

詳細(xì)了解被控對(duì)象的控制要求，然后對(duì)被控對(duì)象的工藝要求、控制規(guī)律、控制過程和運(yùn)行特性進(jìn)行詳細(xì)分析，明確需要準(zhǔn)確完成的規(guī)定流程、動(dòng)作、指令，全面細(xì)化出工作循環(huán)體系。

3.2 選定PLC型號(hào)、基本單元、功能模塊

通過被控對(duì)象的設(shè)計(jì)圖紙、工藝要求及現(xiàn)場(chǎng)考察情況，確定輸入信號(hào)、輸出信號(hào)的具體需求，如數(shù)字量、模擬量，合理調(diào)整內(nèi)存容量設(shè)計(jì)，確?？梢粤粲谐浞钟嗔壳也粫?huì)產(chǎn)生資源浪費(fèi)，并確定能夠與各儀表的接口、其他PLC、計(jì)算機(jī)或智能設(shè)備通信。根據(jù)以上內(nèi)容確定PLC的硬件配置，例如輸入模塊的電壓和接線方式、輸出模塊的輸出形式、特殊功能模塊的種類及型號(hào)等[5]。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是以PLC為核心來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。根據(jù)所選用的PLC產(chǎn)品，結(jié)合實(shí)際需求，列出I/O口分配表，然后繪制PLC外部接線圖及電器控制系統(tǒng)總裝配圖。

設(shè)計(jì)控制線路時(shí)，為了保證PLC能夠安全可靠運(yùn)行，還應(yīng)注意在PLC輸出的負(fù)載回路中加裝熔斷器，防止負(fù)載短路時(shí)損壞PLC內(nèi)部的輸出元件；為保證PLC的接地效果，在實(shí)際條件允許時(shí)最好進(jìn)行獨(dú)立的接地處理，分別管理其他設(shè)備與PLC的接地裝置；同時(shí)，應(yīng)盡可能地將PLC的接地線縮短，控制接地點(diǎn)與PLC的距離。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

1）在設(shè)計(jì)PLC程序的過程中，需要結(jié)合具體的工藝需求和控制系統(tǒng)的整體要求，畫出程序流程圖，然后將程序流程圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，這是PLC應(yīng)用中最關(guān)鍵的問題。在編寫程序的過程中，可以借鑒現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)程序或參考繼電器的控制原理圖，選用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法或順序功能圖設(shè)計(jì)。同時(shí)，需要及時(shí)對(duì)編寫的程序進(jìn)行注釋，包括編寫程序具備的功能、程序控制之間的邏輯關(guān)系、總體設(shè)計(jì)規(guī)劃、信號(hào)的輸入輸出位置等，便于對(duì)PCL進(jìn)行維護(hù)管理。

2）模擬調(diào)試。程序初調(diào)也稱為模擬調(diào)試，將設(shè)計(jì)好的程序?qū)懭隤LC中，在實(shí)驗(yàn)室中試運(yùn)行程序，結(jié)合試運(yùn)行期間程序的具體表現(xiàn)，及時(shí)修改編程內(nèi)容，確保最終設(shè)計(jì)完成的編程程序可以滿足工程流程的總體要求。在試運(yùn)行時(shí)，結(jié)合控制要求，利用開關(guān)或是按鍵來模擬PLC信號(hào)的輸入輸出，通過PLC輸出模組上的繼電器發(fā)光二極管，準(zhǔn)確觀察輸出信號(hào)的變化情況以及邏輯運(yùn)行狀態(tài)是否與設(shè)計(jì)一致，及時(shí)針對(duì)相應(yīng)問題進(jìn)行修改調(diào)試，直至完全符合設(shè)計(jì)。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

在前期調(diào)試完全符合標(biāo)準(zhǔn)后，需要對(duì)調(diào)試好的程序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。在現(xiàn)場(chǎng)使用的PLC控制裝置中輸入合格程序，這時(shí)可以先不帶負(fù)載，只接上接觸器線圈、信號(hào)燈進(jìn)行調(diào)試。正式調(diào)試前全面檢查整個(gè)PLC控制系統(tǒng)，包括電源、接地線、設(shè)備連接線、I/O連線等，在保證整個(gè)硬件連接正確無誤的情況下即可送電調(diào)試，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)視梯形圖，采用分段、分級(jí)調(diào)試的方法進(jìn)行[6]。在各環(huán)節(jié)調(diào)試正常后，開始加載實(shí)際負(fù)載進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。如果現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試存在問題，則需要對(duì)硬件設(shè)備和程序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，一般僅需對(duì)部分程序進(jìn)行修改就可以符合目標(biāo)要求。多次調(diào)試可以消除大量的潛在問題，保證后期實(shí)際運(yùn)行的安全有序。待全部調(diào)試完成后，將程序固定在PLC控制裝置中并進(jìn)行備份。

4 機(jī)械電氣控制裝置中PLC的具體應(yīng)用分析

4.1 開關(guān)量邏輯控制

開關(guān)量邏輯控制取代了傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制，主要功能是完成開關(guān)邏輯運(yùn)算和進(jìn)行順序邏輯控制，其是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)群控、自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制等。

4.2 生產(chǎn)過程中的模擬量控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，需對(duì)流量、壓力、溫度等模擬量進(jìn)行控制，可以使PLC通過專用的模擬量輸入/輸出模塊及用戶程序來完成轉(zhuǎn)換，即通過輸入模塊A/D轉(zhuǎn)換將外電路的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并送入PLC中，然后執(zhí)行用戶程序，最后通過輸出模塊D/A轉(zhuǎn)換，把PLC運(yùn)算處理后的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量信號(hào)輸出，滿足機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)信號(hào)的控制要求[7]。另外，部分PLC還提供了典型控制策略模塊，如PID模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的PID反饋或其他模擬量的控制運(yùn)算。

4.3 數(shù)據(jù)處理

PLC不僅具有進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等功能，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)排序、查表、轉(zhuǎn)換。經(jīng)PLC處理的數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)內(nèi)的設(shè)定值進(jìn)行比較，從而完成程序設(shè)定的控制操作或打印制表；也可以利用網(wǎng)絡(luò)通信傳送到上位機(jī)或其他智能裝置。數(shù)據(jù)處理一般用于無人控制的柔性制造等大型控制系統(tǒng)或食品工業(yè)中的過程控制系統(tǒng)[8]。

4.4 通信聯(lián)網(wǎng)

PLC作為下位機(jī)，與同級(jí)PLC、上位計(jì)算機(jī)或其他智能設(shè)備進(jìn)行通信，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理、分?jǐn)?shù)控制”的分布式控制系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的智能控制和管理，滿足自動(dòng)化系統(tǒng)的需求，同時(shí)向智能化方向發(fā)展，創(chuàng)造更高的效益[9]。

5 實(shí)例應(yīng)用分析

礦井提升機(jī)是煤礦運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，是聯(lián)系井下和地面的紐帶，傳統(tǒng)的提升機(jī)控制系統(tǒng)存在線路復(fù)雜、調(diào)試性能差、故障率高、能耗高、自動(dòng)化程度相對(duì)較低等問題。采用PLC控制系統(tǒng)，配置兩套PLC且熱備冗余（電源冗余、CPU冗余、控制網(wǎng)絡(luò)冗余、I/O冗余、上位機(jī)冗余），采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信，上位監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機(jī)與觸摸屏一體機(jī)，并配有數(shù)字監(jiān)控器、信號(hào)調(diào)節(jié)反饋等模塊。在這種控制方式下，調(diào)速系統(tǒng)以通信方式交換過程數(shù)據(jù)，調(diào)速更平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一編程組態(tài)、集中控制、監(jiān)視和管理?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員評(píng)價(jià)認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)控制精度高、運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，并且有更友好的人機(jī)界面[10]。提升機(jī)采用PLC控制后，對(duì)提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平、系統(tǒng)運(yùn)行效率非常有利，并且為礦井智能化發(fā)展奠定了一定基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

綜上所述，PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、能夠處理數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械電氣控制裝置中得到了廣泛應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了企業(yè)統(tǒng)一編程組態(tài)、集中控制、監(jiān)視和管理，提高了系統(tǒng)自動(dòng)化水平及系統(tǒng)運(yùn)行效率，還為機(jī)械電氣控制裝置向智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。