可编程控制器在流程工业生产中的使用情况探索

马志新

（甘肃能源化工职业学院电气工程系，甘肃 兰州 730000）

0 引言

随着装备制造业的发展，流程工业的加工方式、制造方式、工艺流程、生产的自动控制方式等获得了长足的发展。尤其是自动控制装置，从使用0.02-0.1MPa气压信号的气动仪表到使用4-20mA DC电流信号的电动单元组合仪表，再到控制过程高度集中的DDC直接数字控制系统[1]，由于逐步采用计算机控制系统，仪表工的劳动强度在逐渐减低。伴随着网络技术和计算机技术的发展，分布式控制系统和现场总线控制系统在流程工业自动控制系统中获得很大的使用发展空间，PLC以其既能处理模拟量又能处理数字量还能进行过程控制等得天独厚的优势在流程工业自动化控制流域逐渐占有一席之地，并有发展壮大之趋势。

1 可编程控制器的定义及构成

可编程控制器是一种能进行各种科学运算的计算机系统，是专门为适应潮湿、振动、电磁干扰严重等恶劣工业环境而专门制造的控制器，它既是一个可编程序的设备，又是一个存储器，在它的内部可以执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数和算术运算等操作的命令，并通过具有数/模转换和模/数转换功能的专用模块连接输入设备和输出设备，用于控制各种类型的机械设备或实现不同功能的生产过程。可编程控制器的CPU及其外设，都按容易和被控制的设备集成、易于联网和便于系统扩展的原则设计[2]。PLC是一种适应工业环境的工控计算机，因此它的组成部分与一般的单片机类似。它主要由中央处理器CPU、存储器、输入/输出功能转换模块、专用模块、通讯模块等部分组成，其中CPU是PLC的核心，输入输出过程通道是连接工厂检测仪表、执行器等现场设备与PLC之间的接口电路，通讯模块和接口用于把PLC连接于工业以太网中，实现网络中各设备之间信息互通。

2 可编程控制器的工作过程

循环扫描机制是PLC采用的主要工作方式，它的工作步骤按时间先后主要分为3个部分:第一部分是输入采样，第二部分是程序执行，第三部分是输出刷新[3]。在第一时段，PLC首先识别所有输入传感器送入到输入端的所有模拟信号或数字信号，并且将输入部分转换而来的模拟信号或数字信号写入到输入映像寄存器中。在第二时段，PLC按照从上到下从左到右的顺序依次执行梯形图或功能块图等用户程序。在程序执行阶段，如果有跳转指令，则PLC首先判断条件是否满足跳转，否则就顺序执行。在第三时段，如果PLC把所有程序指令执行完毕，PLC将输出映像寄存器的内容通过输出锁存器输出，这些输出信号经过继电器、晶体管和双向可控硅等设备的转换，驱动PLC外围电器或负载工作。这就是PLC完整的工作过程。

3 对生产过程自动化的解释

PLC通过过程输入、输出通道，实现模拟量和数字量等比例的相互转换。并对模拟量实行有负反馈的闭环PID控制。一个生产过程自动化控制系统由被控制的设备、测量变送设备、控制仪表和能输出位移、角度变化的执行器四部分组成。为了自动控制系统设计方便和得到高质量的控制效果，根据工业生产要求及工艺流程要求，通过选用合适的仪表及控制装置组成自动控制系统，并通过对控制器的比例度、积分时间、微分时间等参数的整定[4]，使系统的过渡时间最短，提高系统灵敏度，实现对流程工业的自动最优控制。

4 PLC在流程工业自动化中的作用

4.1 对AI信号的处理

流程工业生产过程中反映设备状态的各种连续性的物理量，如温度、压力、压差、流量、液位等，只要通过连接于二线制回路的检测仪表将其转换为相应的电流信号或来自现场传感器的输出经过配电器等其他设备转换成电压的电压信号，均可送入PLC的模拟量处理模块AI进行处理[5]。模拟量输入通道用于将现场模拟量传感器输出的直流电压或电流信号转换为PLC能识别的数字信号。模拟量输入模块可以接受的输入信号类型有电压型、电流型、电阻型、毫伏型等。

4.2 对AQ信号的处理

在自动控制系统工作时，PLC经过PID运算，输出的是数字信号。但一些执行器比如气动薄膜控制阀、气动活塞式控制阀、三相异步交流电动机等设备，它需要模拟信号进行控制，这时会产生信号不匹配的问题，需要专门的设备做数模转换，这个数模转换的工作，可以通过PLC的AQ模块来实现。AQ模块一般输出4-20mA电流信号，但对于某些特殊的执行机构，需要输出0-10mA的电流信号或2-10V电压信号。

4.3 对DI/DQ信号的处理

在流程工业现场环境中，有些传感器输出的信号是0、1高电平或低电平信号，或是开关信号，这时，可以通过DI模块，可以把现场来的高电平低电平信号转换为PLC能直接接受和识别的数字信号。数字量输出模块DQ，一般用于控制电磁阀、LED指示灯等，这些设备一般只有工作或不工作2种状态。根据所驱动的负载的不同，DQ模块的过程输出通道的驱动电路也不同，一般有继电器驱动、晶体管驱动和晶闸管驱动等多种形式，一般驱动信号是0-24 V或0-5V直流电压信号，也可以根据需要转换为交流电压信号驱动方式。

4.4 对PI信号的处理

PI信号就是脉冲量信号，有些检测仪表，比如涡街流量计，这种设备工作时，在流体通过的路径中，设置一个漩涡发生体，流体通过漩涡发生体时，下游侧会出现2列频率和流量成正比的漩涡列，由检测元件检测出漩涡频率，再经转换器进行转换处理，就可以得到和流量成正比的输出频率信号。[6]脉冲量输入模块将此类频率信号进行处理，转换为CPU直接识别的数字信号，脉冲量输入模块就是为识别处理这一类测量信号应运而生的。

4.5 构成闭环自动控制系统

PLC有PID运算控制功能，此功能在PID运算背景数据块中。利用PID运算功能可以很方便地构成定值控制系统也就是模拟量闭环控制系统。在模拟量闭环控制系统中，需要控制的量(如温度、压力和流量、液位等)的实时值先经过传感器和变送器转换为标准信号,PLC的模拟量输入模块AI用A/D转换器将它们转换为数字量,叫反馈量，和被控制的量的设定值做减法运算，产生偏差，PLC对此差值进行比例积分或比例积分微分运算，PLC的数字量输出经D-A转换器转换为模拟量，再去控制执行器。如在液位闭环控制系统中，由于其他干扰因素，液位会经常偏离设定的数值，为保持液位恒定，用电容式液位变送器测量液位，并且液位变送器将液位转换为标准的电流或电压信号，然后送入模拟量输入AI模块，经AI模块转换后得到代表液位的01代码，PLC 将它与液位应该保持的值进行比较，做减法运算，得到偏差值，可编程控制器按某种运算规律对偏差进行运算，将运算后产生的数字量送入模拟量输出AQ模块进行D-A转换，变为模拟的电流信号或电压信号，用来控制执行器的动作幅度大小，影响被控制的量，使被控制的量回到设定值上，实现对液位的自动控制。

4.6 联网通信

在流程工业控制过程中，一个控制过程可能由许多设备组成，比如PLC、变频器、工控机、智能仪表、HMI、智能模块、伺服电机等，这些设备既有相对的独立性，又需与其他设备互相通信，构成一个工业以太网。在网络中，主要设备可以互相传递信息。这种控制过程若仅靠扩大机型来解决，效果不理想。因此，许多PLC的生产厂家开发了网络通信模块及通信功能接口，使PLC 融入网络系统更加方便快捷高效。PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与外设、PLC与上位计算机、PLC与其他工业控制设备以及PLC与其他工业网络设备间的通信[7]。随着PLC的不断发展，很多PLC产品都带有通信接口或有对应的通讯模块，组成PLC网络相当方便。从而可以实现PLC工业网络设备之间通信，实现远程的I/O控制。

4.7 数据处理

PLC的数据处理功能包括数据传送、数据转换、字节交换、编码与译码等。PLC的数据运算包括数学运算和逻辑运算。数学运算包括四则运算及些常用的数学函数，数据类型通常为整型(INT）、双整型(DINT)和实数型(REAL);逻辑运算包括字节、字和双字的逻辑与、逻辑或、逻辑非及逻辑异或等运算。配合相应的指令PLC可以完成数据的采集、分析与处理。

4.8 链接于或直接构成DCS、FCS自动化控制系统

分布式控制系统的英语名称为Distributed Control System(简称DCS)，其含义是利用工业以太网借助于过程控制站和工程师站、操作员站、上位计算机对生产过程进行集中管理和分散控制的工业控制系统。[8]从定义可以看出，DCS的技术基础是微型计算机，应用对象是生产过程，技术特点是集中操作、管理；控制分散。DCS按控制功能将计算机进行分布放置，每个计算机控制装置的一部分，使控制功能得以分散，从而实现了危险分散，较好地解决了直接数字控制系统中危险集中的问题。同时，DCS有和WINDOUS操作系统兼容的操作界面，实现多种控制功能，将操作员站的集中管理与控制站分散控制密切地结合了起来。现场总线控制系统是将控制系统中的检测仪表、控制设备、管理计算机、通信设备等挂接在现场总线上互通信息，这些设备更具有开放性和互联性。PLC通过通信处理单元、通信转接器连接于DCS或FCS网络中，实现过程控制自动化。[8]某些PLC利用其配套软硬件资源也可以直接构成DCS或FCS控制系统，实现生产过程自动化控制。

5 结束语

随着智能制造技术产业的发展，PLC应用范围日渐扩大，PLC技术在不断升级换代，大力发展运算速度更快、抗干扰能力更强、更能适应恶劣工业环境的PLC势在必行[6]。单机版及小型自动化控制的需要是PLC发展的一个方面。实现网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的方向，随着通信技术的发展，更加开放及兼容性更好的PLC将无缝集成于集散控制系统和现场总线控制系统中。