PLC技术在电气设备自动化控制中的应用研究

曹喜

（北京首钢股份有限公司，河北 迁安 064400）

可编程控制器是一种通用工业自动控制装置，它是在微处理器的基础上，结合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术以及通信网络技术发展起来的，因此，可以用其表示当下工业生产技术中程序控制部分的先进程度。它面向的主要对象包括两类：过程控制和用户，具有操作方便、可靠性高、适应工业生产环境等优点。

1 PLC技术概述

输入/输出模块(I/O模块)是系统感知外部条件、传递信息的“五感”。它是外场设备与CPU模块之间的连接。输入模块用于接收和收集输入信号，输出模块用于控制输出设备。输入输出模块除了具有信号传输功能外，还可以实现电平转换和隔离。PLC控制器的实现需要软硬件的高度协调。它是一个可编程逻辑电路。PLC广泛应用于半导体、民用、家庭自动化等各种控制系统。PLC的应用面广，普及率高，很多其他设备也在模仿自己的路走得越来越远，但在功能方面只能望洋兴叹。

1.1 PLC的基本框架

PLC的硬件结构与微型计算机基本上是一样的，它实质上可以看作是一台专用于工业过程控制的计算机系统。

（1）中央处理单元。CPU作为PLC的控制中枢，主要起到了接收、存储用户程序以及数据的作用。

（2）存储器。按照其功能的不同可以将存储器分为两种：一种叫系统程序存储器，是用来存储系统软件的；另一种叫用户程序存储器，是用来存储应用软件的。

（3）电源。电源是整个PLC系统中动力中枢。通电时，PLC启动；断电时，PLC关闭。

1.2 PLC的工作原理

PLC通常以循环扫描的方式进行工作。将PLC接通电源后，就可以对用户程序进行扫描了，完成一次扫描后将用户程序存储起来，之后再让系统执行程序完成规定的任务，周而复始，直至PLC停止运行。扫描周期是指完成一次扫描所用的时间，一次完整的循环过程可以归纳为五个阶段，分别为公共处理阶段、执行用户程序阶段、扫描周期计算阶段、I/O口刷新阶段以及外设口服务阶段。

（1）公共处理阶段。在此阶段，PLC会进行如下操作：对监视定时器进行复位、对所接外部设备进行检查以及对用户的内存状态进行检查等。如果在处理时有异常情况发生，故障显示电路就会被接通，显示灯打开的同时会对异常原因进行判断和显示。

（2）执行用户程序阶段。在此阶段主要是进行对映像寄存器中存储的数据进行读取、解释以及执行的工作。

（3）扫描周期的计算。在此阶段，如果随扫描周期提前进行了设置，则不会立即进行下面的扫描工作，直至达到设定值才能继续向下扫描。若没有提前设置，则要完成整个周期的扫描计算。

（4）I/O刷新阶段。I/O刷新阶段，主要分为读各输入点的状态和读输出映像寄存器中的状态。

1.3 PLC的基本特点

PLC控制技术的诞生让工业控制技术在整体上有了一个质的飞跃，它相比传统继电器的控制技术主要有以下优点：

（1）高可靠性以及强抗干扰能力。随着科学技术的不断发展，元器件的性能也在被不断地进行完善，因此，在一定程度上提高了PLC的可靠运行性。通常情况下，PLC可正常工作的时间是非常长的，甚至可以达到几万小时以上，使得该项指标已变得毫无意义，因此，大部分厂家在之后的生产过程中都不会再对该性能指标进行标注。大量的实践表明，PLC运行系统发生故障的原因基本不是由其本身问题产生的，大多数还是其外部开关、传感器或执行机构发生故障导致的。

（2）通用性强，使用方便。目前大部分的PLC产品中所带有的I/O模块和相关部件都是比较齐全的，且基本上实现了系列化生产和功能模块化的目标，在很大程度上满足了用户在进行不同系统控制时将所需部分进行组合的便利性，节省了用户的设计时间。

（3）程序设计简单且易学易懂。通过对当前用户的使用数据进行分析，可以看出电气控制人员是PLC的主要使用对象。因此结合这个实际情况，PLC厂家在对其进行设计时通常情况下不会采用微机使用编程语言，而选用了一种梯形图语言，这种语言的结构和继电器的控制原理图是类似的，所以对工程技术人员来说，无论是学习还是使用都是非常便利的。

（4）采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便。PLC整体上采用了模块化的技术手段，将CPU、电源及I/O通道等各个部件分别进行模块化设计，之后再用机架和电缆将各模块组合到一起。可按照用户需求将随意组合，大大提高了用户的工作效率。

（5）系统设计周期短。鉴于系统硬件仅是依据对象的要求对模块进行合理化分配，很大程度上减少了设计时间，加快了工程的进度。

2 基于PLC技术的物料提升机控制系统的硬件设计

2.1 PLC控制系统的基本结构

本设计研究的物料提升机控制系统，其硬件部分主要由PLC和转速-电流双闭环直流调速系统组成。

2.2 PLC的硬件设计

（1）PLC机型的选择。本设计采用了日本三菱公司的FX3U系列的FX3U-16MTCPU系统，其中，16是指一共有16个输入输出点；M为基本单元；T为晶体管输出形式。这类PLC在环境温度、抗冲击性、抗扰动等方面都能满足要求。PLC构成双闭环直流调速系统的成分包括1个基本单元（即FX3U-16MT）、一个模拟量输入模块FX3U-4AD（即4个12位模拟量输入通道）和一个模拟量输出模块FX3U-2DA（即2个12位模拟量输出通道）。

通过FROM（FNC78）/TO（FNC79）指令实现PLC基本单元与FX3U-4AD和FX3U-2DA之间的数据通讯功能。FROM（读特殊功能模块指令）是用于读取数据的指令，实现将数据从FX3U-4AD/2DA中读出的功能，TO（写特殊功能指令）是用来写入数据的指令。

PLC构成的转速-电流双闭环直流调速系统一共包括三个模块：基本单元模块FX3U-16M、模拟量输入模块FX3U-4AD以及模拟量输出模块FX3U-2DA。将I/O模块连接在FX3U-16MT的右边扩展总线上，编号时，认为靠近基本单元的模块为起始模块，依次标为0号、1号，如图1所示。

图1 PLC模块连接和编号

（2）PLC硬件部分设计。PLC硬件设计。如下图2所示为本设计的PLC硬件连接方式。我们把其中的SB0～SJ设定为输入通道，KM0～DJ设置为输出信号通道。

图2 PLC连线图

3 结语

随着PCL技术在电气领域的广泛应用，它的两大系统(FCS系统与DCS系统)会根据电气设备的类型呈现出不同的运行状态，这样不仅可以减少许多纷繁复杂的程序步骤，还能节省大量的财力物力，不断地提高电气设备在运行过程中的操作效率，保证设备的顺利运行。并且PLC的运用比较方便快捷，同时，它的维修工作也比较简单，平常的一些维修师傅就能够很好的完成。在当前的时代背景下，PLC凭借独特、多样化的功能优势，在电气设备自动化领域中的发展会越来越广。