基于PLC与现场总线的机械电气控制系统分析

王凤蕴

（长春汽车工业高等专科学校，吉林 长春 130011）

1 PLC概述

1.1 PLC的含义

PLC（Programmable Logic Controller）即可编程控制器，是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术和通信技术结合起来的新型工业控制装置。自1969年美国数字设备公司研制成功世界上第一台PLC以来，经过40 余年的发展，PLC 的种类不断增多，应用领域不断扩大，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，是一种最重要、最普及的工业控制器。

1.2 PLC的特点

PLC具有6个特点：①可靠性高，环境适应性强；②编程简单，使用方便；③灵活通用，功能完善；④设计安装简单，维护方便；⑤体积小、重量轻、能耗低；⑥与其他装置配置连接方便。

1.3 PLC的工作原理

PLC是一种实时的工业控制计算机系统，PLC 的运行是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，在执行用户程序时，是按照存储顺序的先后逐条扫描，直到程序结束。同一台PLC可以配上不同的软件，完成不同的控制任务。而在完成任务的同时，PLC还具备内部诊断、处理与编程器、计算机的通信要求等。PLC的扫描过程如图1所示。

2 现场总线概述

2.1 现场总线的含义

现场总线是控制系统中底层的通信网络，是互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。它将互联网通信与管理的观念带入工业控制领域，把单个分散的控制设备变为网络节点，以现场总线为纽带，将它们连接成可以相互通信、共同完成程序任务的网络系统与控制系统。

图1 PLC的扫描过程

2.2 现场总线的特点

现场总线具有5个特点：①系统具有开放性；②系统结构具有可靠性；③互连设备间具有互操作性；④系统结构的智能化及自治性；⑤环境适应性强，具有较强的抗干扰能力。

2.3 现场总线的通信协议模型

在通信网络中，分层次的体系结构十分重要。国际标准化组织制定了开放式系统互连参考模型OSI／RM （Open System Interconnection／Reference Model），定义了7 层的体系结构：应用层、表达层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。现场总线参考OSI／RM，对应现场设备分散、节点信息量小、实时性和快速性的要求，只使用了物理层、数据链路层和应用层。

3 基于PLC与现场总线的机械电气控制系统

3.1 电气控制系统

电气控制系统是指电动机通过某种自动控制方式进行控制，以继电器为核心，根据操作指令及被控对象发出的信号，由控制部分按照规定的动作要求决定执行什么动作以及执行动作的顺序。分为输入、控制、输出3部分，输入部分由按钮、位置开关和传感器等输入设备组成；控制部分由继电器和触点构成；输出部分由接触器、电磁阀、指示灯等输出设备组成。

电气控制是将输入、控制、输出3部分用导线按照一定的次序和组合方式连接起来组成的线路。而控制部分是采用硬接线将各种继电器及触点按照一定的要求连接起来的电路，不仅接线复杂、体积大、故障点多、操作不灵活、工作效率低，还易受环境影响。因此，电气控制系统需要更为可靠、高效率、操作便捷的控制系统。

3.2 PLC与现场总线在机械电气控制系统中的运用

3.2.1 PLC控制系统

PLC控制系统是以PLC 为核心，也分为输入、控制、输出3 个部分。但是控制部分采用“可编程”的PLC，可以方便地改变用户程序，实现各种控制功能，同时，PLC控制系统可以实现逻辑运算、数值运算等。

电气控制系统采用硬件接线，利用继电器的机械触点来控制逻辑，接线多且复杂，继电器的触点数量有限；而PLC采用计算机技术，若改变控制逻辑只需计算机来改变程序，而且很容易增加系统的功能。电气控制系统采用继电器控制电路，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态；而PLC是按照一定顺序循环执行，各软继电器都处于周期性循环扫描工作中。电气控制系统使用大量的机械触点，存在机械磨损、寿命短等问题，其可靠性和维护性较差；而PLC 自带诊断功能，能检测出自身故障，方便技术人员的检查和整改。

3.2.2 基于现场总线的运动控制系统

基于现场总线的运动控制系统是以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，实现机械运动精确的位置控制、速度控制和转矩控制等。

现场总线运动控制系统具有通信特性，运动控制系统分为点到点定位控制和多轴同步运动控制，对于机械电气系统的控制分为时间触发和事件触发两种通信控制策略。在控制中，现场总线技术能提供准确的实时位置值、时间值、数据传输值；现场总线通信具有可靠性，在设计通信协议时，支持光纤电缆传输、差动信号传输等，防止数字信号在传输过程中受到电磁干扰、温度、灰尘、化学污染等因素的干扰；现场总线通信具有实时性，网络技术的引入会给控制系统带来时间延长的负面影响，现场总线使用屏蔽双绞线、光纤等先进的传输技术提高通信波特率，同时优化网络控制机制，减小网络负载，避免数据冲突，其层次清晰、灵活性好，提高了通信的实时性。

3.3 PLC与现场总线结合的优越性

PLC 与现场总线均将计算机技术和自动化技术相结合，代表了自动化工业的发展方向，是现场设备工作及通信的一场数字化革命；PLC 与现场总线均具有可靠性高、环境适应能力强、抗干扰能力强、操作简单、灵活方便等特点，在工业系统控制领域发挥了重要作用。

4 结束语

本文对基于PLC 与现场总线的机械电气控制系统进行了简单阐述，分析了PLC与现场总线对机械电气控制系统局限的扩展，提高了电气系统控制的生产效率，表明PLC与现场总线技术在机械电气控制系统中具有广阔的发展前景。

［1］ 邱学飞.基于PPC、PLC及现场总线的铁路大型养路机械电气控制系统［J］.铁道通信信号，2007（8）：67－68.

［2］ 谢学锋.机械电气控制装置中的PLC应用［J］.企业导报，2012（16）：272.