基于PLC技术的工业设备控制系统的设计及应用

基于PLC技术的工业设备控制系统的设计及应用

作者：肖剑

来源：《电子技术与软件工程》2015年第23期

摘要PLC又称可编程控制器，其抗干扰性、操作简单、结构模块化以及扩展能力强等特点让PLC广泛的应用到工业设备控制系统中，随着现阶段自动化工厂对控制系统的要求不断提高，PLC在控制功能、运行的可靠性以及智能化的操作界面都需要快速发展。本文结合了一些企业的工程实践，研究了基于PLC的顺序控制系统和运动定位控制系统，重点介绍了其系统的设计方法。

【关键词】PLC 顺序控制伺服系统

现阶段的控制系统主要有单片机嵌入式控制系统、PLC控制系统、计算机控制系统，但最适用工业现场环境的还是PLC控制系统，特别是适合开发小批量、多功能的工业设备。PLC 具有以下特点：第一是可靠性和抗干扰能力强，面对环境恶略的工业环境具有很好的适应性。第二是PLC具有模块化的特点，这让其更方便组合和扩展。第三点是操作和变成都较为简单，并且具有完善的监视和诊断功能，加之现阶段模糊控制、神经元网络等技术的不断发展，PLC在不断融合这些技术的过程中，已经越来越趋向多功能控制器，并在过程控制、运动控制以及工厂自动化网络控制系统等方面都得到了应用。

PLC之所以广泛的应用到工业设备的控制系统中，与其控制功能、人机界面和工作的可靠性等方面都有着很大的联系，据统计，可编程控制器是现阶段工业自动化应用最多的一种设备。笔者在本文首先介绍了PLC相关的概念和原理，接下来介绍了PLC顺序控制系统和运动定位控制技术中的PLC的基本结构，并对其控制系统的设计方法进行了论述。

1 可编程控制器概念和发展

1.1 可编程控制器的基本结构

可编程控制器实际上是一种可编程的存储器，现阶段大幅度的应用于工业控制系统中，其功用有执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算等指令，并且能通过数字或者模拟输出控制各种类型的工厂机械生产过程。可编程控制器的发展起步于1969年的美国，第一台可编程控制器为PDP-14，自此之后，日本、欧洲等国开始陆续的生产可编程控制器，直到现如今的世界各国的电气设备公司都开始大规模的生产可编程控制器，PLC也已经成为现阶段工厂自动化不可缺少的核心设备。

可编程控制器的结构与微型计算机相同，其硬件包括了中央处理单元（CPU）、存储器（系统程序存储器和用户程序存储器）、输入输出接口电路以及电源等，此外的一些模块例如功能模块和通信模块等，其中，中央处理单元是PLC的控制中枢，它按照用户指令相应的功能对整个控制器的功能进行指挥。现阶段为了提高PLC的可靠性，一般采取双CPU、三CPU 的集成系统，保证系统的正常运行。存储器起到存储程序和用户的数据器件，存储器的大小直接决定了PLC的性能。接口电路是PLC与外界现场的连接通道，并向现场执行部件输出控制信号。电源是维持PLC正常工作的关键所在，为PLC的各部件提供电源。

1.2 可编程控制器的工作原理

可编程控制器的工作方式与计算机的工作方式相似，执行用户需要的程序来实现，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程，由中央处理器从用户的第一条指令开始顺序执行到用户程序到结束，这样周而复始的循环扫描，其在扫描过程中需要采集各种现场信息，其采集输入信号的方式有集中采样输入方式和立即输入方式。PLC的运行可以分为三个部分：上电处理、扫描过程和出错处理，这三个部分是确定PLC在运行过程中是否出错，并对出错部分进行修正，其扫描的周期长短取决于CPU的运算速度。

在PLC正常运行后并投入运行后，其工作过程分为三个阶段，其一是输入采样阶段，在这个阶段可编程控制器按照扫描的方式读取用户得输入状态和数据，并存储到相应的单元内，在输入采样阶段结束后，开始用户程序执行阶段，第二个阶段是用户执行阶段，再次阶段可编程控制器按照一定的扫描顺序扫描用户程序。第三个阶段为输出刷新阶段，此阶段是在扫描用户程序结束后进入的，CPU会刷新影响区对应的所有状态和数据和暑促锁存电路，此后经过驱动电路实现真正的输出。

2 PLC控制系统的应用

2.1 PLC顺序控制系统设计和应用

笔者借PLC在自动打钉机控制系统中的应用分析了PLC顺序控制系统的设计和应用：自动打钉机是大幅度应用于生产包装箱和一种设备，像在木托盘加工、彩电生产线末端封箱打钉等，笔者以彩电生产线末端的封箱打钉工作系统为例，对其控制系统做简要论述：在封箱打钉的过程中，其控制动作有拆后盖和外盖、规正、打钉等过程，其打钉方式又有上下打钉、品字形打钉等，因为工作是流水线的原因，其打钉动作到封箱结束的实践也有明确的规定。自动打钉机有输入输出设备、人机操作界面以及电源等部分组成，其控制单元为PLC顺序控制系统，总的硬件设计如下：

首先是电源抗干扰设计，由于该社备的电源需要提供电机传送、控制单元、人机界面以及信号检测单元等方面的用电，其设备的进线方式需要采用三相五线制。在电源设计中，为了减少电网自身的干扰，一般采用变压器来减少设备与地之间的干扰：在设计PLC电源时，为了防止过强的噪声以及电压波动对CPU的破坏，我们通过变压器将PLC电源、I/O设备以及电

动设备的电源线分开，并在电源线上接上电源滤波器来提供保护作用。第二是输入输出接线，主要用于其传送部分，通过三相电机实现。

其控制系统采用了顺序控制系统，因为其打钉模式有上下、下以及品字形三种，控制模式又有自动模式、手动模式以及自动通过模式，所以在主程序设计中要加入打钉模式选择、控制模式选择。

为了让PLC顺序控制系统的操作界面更加简单，我们在人机界面的设计上采用了工业触屏与PLC结合，在PLC中选择三个字的数据存储器作为通信区段，更好的应用于屏幕切换、设定等控制动作。

在人机界面的操作系统中，我们设计了系统的操作监视、设定和管理等功能，实现了数据显示、故障报警等功能，在此过程中，PLC顺序控制系统实现了控制功能。

2.2 PLC交流伺服控制系统的设计和应用

在运动控制中，让PLC结合交流伺服控制系统来实现可以很好的应对现阶段的工业生产环境。交流伺服控制系统包括了基于异步电动机和同步电动机的交流伺服系统，具有稳定性好、快速性好、精度高等一些列优点，其控制对象主要是像运动位置、速度、加速度等物理量，这让交流伺服控制系统在数控机床、贴片机等需要物理控制的工业领域得到了极其广泛的应用。笔者在本文以松下伺服交流驱动器与PLC结合的控制系统为例，具体论述一下基于可编程控制器的控制系统的设计方法。

首先是PLC与交流伺服驱动器的接线。如图1所示。

其系统的工作原理如下：交流伺服控制系统由交流伺服电动机、交流伺服驱动器、计数输入端、旋转译码器以及PLC等部分组成，其中选择具有运动控制功能的PLC来实现位置控制。笔者通过伺服运动位置控制教学演示让PLC和交流伺服电机组成控制系统，该系统的操作框图包括了交流伺服系统、操作界面、传动执行结构（包括了手抓机构和升降机构等）以及控制单元。

其运动控制程序的实现有以下几个步骤：定位控制、原点返回控制、手动JOG动作控制。在基于PLC伺服系统实现运动定位控制的关键技术有以下几点：首先是伺服电机和伺服驱动器的选择，影响伺服电机的性能的因素是负载和电机惯量是否匹配，根据电气控制的节奏，通过对电机动力矩的计算选择合适的伺服电动机和伺服驱动器。第二是原点返回的实现，在其系统的位置控制中有原点返回动作，其原点查找的方法需要确定出来。第三是机械和电气的同步，即机械动作和电气控制存在时序上的配合问题，在不同的系统中需要选择合适的时序配合让运动更可靠。

随着现代技术的不断发展，PLC的发展逐渐向着微型化、网络化、PC化以及开放性的方向发展，在工业设备控制系统中的应用也会更加多样化，但PLC的未来发展不仅取决于产品