研讨PLC技术在工业自动化控制中的应用

摘要：PLC技术是工业控制领域为替代继电器控制而出现的产物，能够方便地控制开关操作和生产时序等。PLC技术在自动化控制领域的广泛应用，极大地提升了自动化控制技术，改善工厂的生产环境，提高生产质量。

关键词：PLC技术;工业控制;自动化控制

PLC是专为工业自动控制领域设计的可编程控制器。工业控制经历手动控制、继电器/接触器控制、数字控制三个阶段，其中继电器控制的发展极大的解放了生产，提高了工业生产的效率，但是在大型工业生产中，继电器控制系统体积大，耗电多，接线复杂，在控制实现上，继电器控制系统速度较低，调试困难，当生产流程或生产线变更时，系统难以改造，适应性较差。为解决以上难题，PLC技术应运而生，其功能从最初的逻辑控制发展出时序控制、模拟控制、联网通信等诸多功能。经过编程的PLC控制器可以完成过去需要上千的继电器和计时器才能完成的工作。

一、PLC技术的概述

PLC控制技术属于数字控制的范畴，PLC本身可视为一种微型工控机，包含：电源模块、中央处理单元、存储器、I/O接口、功能模块、通信模块。PLC工作过程分为三个阶段，即数据采集（输入）、逻辑运算（程序运行）和指令输出（输出）三个阶段，以上三个阶段视为一个扫描周期。PLC常用的编程语言是梯形图，CPU按一定的时钟速率循环扫描，系统运行的速率取决于CPU的时钟频率和用户程序的长度。

其主要特点有：1、使用简单，易于编程，可移植性强。2、可靠性高，使用故障率极低。3、抗干扰能力强，能适应不同的工作环境。4、功能丰富，应用领域广阔。5、体积小，安装简单，易于维护。

相比单片机控制，两者都能实现复杂的逻辑控制，替代复杂的继电器控制。但是，PLC的可靠性远胜于单板机，对于工业环境的粉尘、震动和电磁干扰的适应性很强。另外，单片机使用汇编语言编程，PLC使用梯形图编程语言，在汇编语言的基础上进行了优化，可学性更强，编程界面与直观的继电器电路相似，更适合开发维护人员使用。PLC具备系统自检功能，内部硬件问题可通过强大的显示界面进行显示，便于设备的维修养护。

二、PLC技术在电气自动化控制的应用

PLC的主要应用领域：

1开关量控制

取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，适用于单台设备控制、多机群控、自动化流水线等。

2模拟量控制

通过A/D模块和D/A模块，对生产过程中的连续变化量，如温度、压力、流量、液位和速度等进行控制。

3运动控制

通过专用的运动控制模块，驱动伺服电机、步进电机等实现对圆周运动或直线运动的控制。

4过程控制

通过编制控制程序或使用PID控制模块，实现对温度、压力、流量等生产的闭环控制，在冶金、化工、热处理等生产过程应用广泛。

5通信联网

PLC集成了各种通信接口，如485接口、232接口、RJ45接口，可实现PLC间通信、PLC与其它智能控制设备（如工控机、变频器、控制屏）间的通信。

三、PLC技术在自动化控制中的应用举例

现有一片区雨水提升泵站，主要承担片区雨季收集雨水的提升排放任务，对防止城市内涝具有重要意义。泵站内主要用电设备有6台雨水泵、4台闸门、2套格栅和照明监控设备等。工艺流程如下：进水闸井→格栅井→集水池→水泵间→压力出水池→出水闸井→河道。工艺设备运行采用自动控制系统，需监测和控制的工艺参数有格栅井水位、水泵开闭、格栅启停、闸门开闭、水泵电力参数、小动力设备电力参数、故障信号等。泵站运行会产生大量的离散输入输出数据，且控制可靠性要求很高，根据以上特点，泵站自动控制系统采用PLC控制系统。

PLC控制站为泵站的控制核心环节，负责泵站内的全部工艺设备的运行控制、联动控制、故障报警和控制信息显示，并提供监控人员与控制系统的接口及控制系统与上位计算机、控制中心的通信、管理接口。

PLC控制系统的控制命令通过设备控制柜对水泵、格栅、进水闸门进行控制，同时采集水泵、格栅机、进水闸门的故障、运行状态及手/自动状态信号。泵站上级管理中心可通过通信网络，远程控制泵站内PLC控制系统，实现汛期内远程控制和统一调度。

四、PLC技术的发展趋势

需要注意的是，虽然PLC的梯形图程序中使用了继电器、计时器等物理名称，但PLC内部并不存在实物的继电器，而是对应存储单元中寄存器的一个存储单元，即“软继电器”。存储单元位于高电位时，对应的软继电器处于接通状态，相当于继电器常开触点接通，常闭触点关断。存储单元位于低电位时，对应的软继电器处于断开状态，相当于继电器常开触点关断，常闭触点接通。PLC以軟继电器模拟实物继电器运转，通过程序执行逻辑运算，并通过输出单元连接外部电气元件，按程序运算结果驱动生产运转。

随着工业生产的变革，PLC的发展出现两个趋势，即智能化和小型化。智能化面向大型复杂流程的工业生产，体现为网络化、智能化、大型化。小型化面向低成本简单流程的工业生产，体现为小体积、高速度、高可靠性。近年来大型PLC为保证可靠性，采用双CPU或三CPU构成冗余系统，即使单个CPU发生故障，也不影响生产正常运行。随着应用的深入，针对PLC开发了一系列的专用模块，如矩阵运算、函数运算、数据转换、PID计算、伺服电机轴控制等，在大型控制系统中的应用越来越广泛。

五、结语

PLC控制技术应用在工业自动化控制上，具备高可靠性、良好的抗干扰性，有着很强的适用性。PLC从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步;其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

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（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心）

作者简介：楚丹丹（1988.4-），女，吉林龙井人，大连理工大学控制理论 与控制工程硕士，审查员。