PLC系统集成应用探究

谢小四 刘军

[摘    要]随着技术的进步，目前功能已经十分强大，除了能完成传统的逻辑控制外，还能实现数据处理、运动控制、过程控制、闭环控制，PID控制、插补功能和通信网络控制等。PLC已发展成为现代控制系统组建中不可缺少的部件，以PLC为核心集成人机界面（HMI）、分布式I/O、视觉分析筛选、变频驱动、伺服驱动、步进驱动、继电接触控制等部件。以PLC为核心，集成上述多个控制部件，组建控制系统，方法多种多样，方式也是灵活多变，应根据设备的实际需求来组建控制系统。

[关键词]控制系统;PLC;HMI;系统集成;信号传输;伺服;步进;变频

[中图分类号]TP393.09 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–02

Application of PLC System Integration

Xie Xiao-si， Liu Jun

[Abstract]With the progress of technology， the function has been very powerful at present. In addition to completing the traditional logic control， it can also realize data processing， motion control， process control， closed-loop control， PID control， plug-in function and communication network control.PLC has developed into an indispensable component in the establishment of a modern control system， with PLC as the core of integrated human-computer interface （HMI）， distributed I/O， visual analysis and screening， frequency conversion drive， servo drive， step drive， relay contact control and other components.With PLC as the core， the above multiple control components are integrated and the control system is established. Various methods are also flexible. The control system should be established according to the actual needs of the equipment.

[Keywords]control system; PLC;HMI; system integration; signal transmission; servo; step forward; frequency conversion

随着社会的发展和技术的进步和国家工业2025战略规划的实施，很多行業都面临着产业升级与改造，把重复繁重的工作用机器来代替，以便高效、不间断、更好地完成工作任务，提升企业竞争力，提高产品质量。而这些都依赖先进精密的机器设备，先进精密的机器设备又离不开先进的控制系统，而先进的控制系统都与可编程控制器相关，下面就以目前主流的以PLC为核心的系统集成应用展开探究。

1 PLC集成与应用发展情况

可编程序控制器（programmable logic controllers，PLC），主要用来替代传统的继电器实现逻辑控制，由于它接线方便、编程容易掌握、体积小、重量轻、能耗低、方便查找故障等，现在已得到广泛的推广及应用。随着技术的进步，目前功能已经十分强大，除了能完成传统的逻辑控制外，还能实现数据处理、运动控制、过程控制、闭环控制，PID控制、插补功能和通信网络控制等。PLC已发展成为现代控制系统组建中不可缺少的部件，以PLC为核心集成人机界面（HMI）、分布式I/O、视觉分析筛选、变频驱动、伺服驱动、步进驱动、继电接触控制等部件完成现代控制系统的设计和构建，再根据设备需求的功能编写适合的程序、调试等步骤就能完成设备的控制。集成上述部件，实现信号和数据传输，采用方式很多可以使用串行通信，也可以采用并行通信，实现通信的协议也很多，如PPI、USS、MPI、PROFIBUS、MODBUS等很多，但目前广泛使用是基于以太网接口的PROFINET的连接方式，采用以太网接口具有很强的兼容性和后期远程控制功能的扩展。下面就以PLC为核心集成的主要部件进行分析研究，以便在设计和构建控制系统时高效合理地选择合适的方式。

2 PLC与人机界面的通信及信号传输

人机界面（human-machine interface，HMI），主要是完成人机功能接触和信息交换，将信息通过通信媒介远距离地传递与控制下一层设备。即人机界面类似于传统的操作控制台，主要用于发布控制指令，传统操作控制台都比较大，而人机界面采用翻页或目录翻页式结构，将操作控制台压缩的很小，它将控制按钮、指示灯、过程趋势、报警信号、配方等控制都集成在软件中，工程师需要对其进行组态和设置，将功能控件信号通过通信媒介连接到PLC输入端口，组态过程中涉及的信号地址与PLC型号相一致，是整个系统规划时应确定，以保障在操作或数据传输时能准确地工作。除了发布控制指令外，还能提取工作过程中各种数据和状态显示在界面上，方便人和设备之间进行对话，总控室也可以使用计算机软件完成此项功能，但为了使用过程中方便，多数设备都使用HMI。HMI各种控件通过完指定的地址，配合通信媒介完成与PLC或其它设备的信息交换。HMI也支持多种通信接口和多种通信协议，采用何种接口和何种协议主要取决于整个控制系统的设计和PLC的通信接口，目前多数采用以太网通信。

3 PLC与变频器通信及控制信号

变频驱动是目前广泛使用的三相交流调速技术，通过调节供给电机电源频率和电压的方式实现无级变速，同时也能实现电机旋转方向的改变，变频驱动技术只对速度环和转矩环调节，因此主要用在有速度调节需求，精度要求不高的控制环节。实现设备运行速度快慢的调节，变频驱动器也支持多种通信接口和协议，现在大多数变频驱动器都支持以太网通信功能，速度信号和方向信号由PLC功能程序通过通信媒介传给变频驱动器指定功能字和状态字地址完成相应的功能。也可能通过PLC数字量或模拟量输出接口编写功能程序与变频驱动器多功能输入端子配合完成方向和速度调节，PLC可编程数字量输出信号作为方向信号连接变频器多功能端子控制旋转方向，PLC模拟量模块发出0～10 V（或0～20 mA电流）电压模拟量连到多功能输入端口控制速度，采取这种方式变频驱动器需调节对应的参数。图1为PLC1200与变频器MM420信号连接示意图，PLC输出信号作变频器的多功能端子的输入信号控制电机速度和方向。

4 PLC与伺服和步进之间的通信

伺服驱动和步进驱动是现代工业生产设备重要驱动技术之一，两种驱动技术除了对速度环、转矩环调节控制外，还加入了位置环，因此可能获得较高的响应速度和高精度。伺服驱动可以采用半闭环控制，也可以采用全闭环控制，全闭环控制的精度更高，用在对速度和位置要求较高的控制环节。伺服驱动有直流驱动技术和交流驱动技术，随着交流伺服驱动技术越来越成熟，目前多数控制系统均采用交流伺服驱动技术。步进驱动是将脉冲信号变换为相应的角位移和直线位移，且其输出转角，转速和输入脉冲个数，频率有着严格的同步关系，步进驱动一般采用开环控制，控制的精度稍差一些，用在对精度要求不高的场合。伺服和步进驱动都支持多种通信接口和协议，现在大多数都采用以太网通信方式进行信号传输。两种驱动的方向和速度调节都是由PLC高速脉冲端口通过程序发出脉冲系列通过通读媒介传给伺服和步进驱动器指定的控制字和状态字进行控制，也可以使用PLC高速脉冲输出端口输出高速脉冲作为伺服和步进的多功能输入端口的输入信号对速度和方向进行控制，不论采用哪种方法，都需要对伺服和步进驱动器需进行参数设定。步进驱动的控制精度仅次于伺服驱动技术，对于精度要求较高的场合应采用伺服驱动和全闭环进行控制。

5 PLC整体集成组建控制系统

以PLC为核心集成其他功能部件构建控制系统，应根据设备控制要求及控制方案来选择，下面以工业以太网的通信方式为例进行说明。为了方便信号的传送，一个系统可能会用到多个PLC，下面控制系统采用1台S7-1500和2台S7-1200可编程控制器来完成功能控制任务。S7-1500作为服务器，负责完成各控制部件之间信号的传送和获取，它采用通信的方式接收HMI发来的控制信号，有些信号直接S7-1500中编写程序实现控制功能，有些需要传送的控制信号通过通信的方式传送到2台S7-1200中编写程序实现对应的控制功能，传输信号时除了硬件连接外，还必须使用相应的通信指令、数据存储区的划分、进行参数设置等。另外S7-1500还可以从另外2台S7-1200中抓取执行程序后的运行结果和输入端口的信号，S7-1500把抓取到的数据传给HMI显示和继续参与控制。另外2台S7-1200PLC作为客户端，在接收到S7-1500发来的指令后，编写程序实现变频驱动、伺服驱动、步进驱动、继电接触等功能控制，在控制步进和伺服驱动器时1200PLC应选择晶体管输出接口电路形式，才能保证高速脉冲的输出，实现对步进电机和伺服电机速度与方向的调节。负载电流小于2 A时选择PLC可以选择使用继电器输出的接口电路形式，此种情况负载可以直接接在PLC输出接口上;如果负载电流大于2 A应选择使用小型继电器线圈先接到PLC接口电路中，再把负载串接在该小型继电器的常开触点电路中，实现同样的控制逻辑。因连接的控制部件较多，而且在部件之间和计算机之间需进行通信传输信号和数据，所以在控制系统增加一个10路的网络交换机，再用网线连接起来，方便进行程序、数据等传输、功能调试、信号在线监控、维修等。PLC集成其他部件组建控制系统框图具体连接如图2所示。

以PLC为核心，集成上述多个控制部件组建控制系统，其方法多种多样，方式也是灵活多变，应根据设备的实际需求来组建控制系统。通过试验，在控制系统框图的基础上进行变换，控制的要点都差不多，但需重新配置硬件，但功能都可以实现。比如，全部控制元器件采用以太网通信的方式，也可能采用其他的通信方式，也可能几种通信方式混用等，但目前最佳的方案就是使用以太网通信方式，这种方式最贴近生活、容易理解、通信介质方便、易于扩展等。另外，PLC数量可以增加，也可能减少，实现的方法一样。另外也可以同时控制多个伺服驱动单元或步进单元或变频单元工作，这时可能使用以太网、MPI或USS通信方式将动器串接起来，对应的功能参数调成不同的地址，再使用轮询的方式进行访问，通过多种形式变换与配合，可能实现更强大更复杂的控制功能。

6 结束语

通过对PLC集成控制部件组建控制系统的应用探究，找到PLC与其他部件通信的方式和方法、數据传输、信号兼容、匹配和抗干扰的有效途径，找出相对简单、方便、适用和稳定的最佳方案，在实际生产项目中推广及应用，以满足生产设备高效和稳定地运转，生产更多高品质产品。

参考文献

[1] 廖常初.S7-1200 PLC编程及应用主编[M].北京：机械工业出版社，2018.

[2] 廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断[M].北京：机械工业出版社，2009.