PLC在电气自动控制中的应用与关键技术分析

山东省调水工程运行维护中心平度管理站 路则峰 青岛市兴平热电有限公司 钟 萍

随着信息化水平的飞速提升，人们的生产和生活模式也在不断地变化，大数据、互联网、自动化、信息化等逐渐融入各行各业当中，成为现代产业不可或缺的重要组成部分。在电气工程领域，随着电气控制技术逐渐向自动化、远程化乃至智能化方向的演变，以计算机为管理平台、以数字化运算为工具、以可编程逻辑模块为“关键节点”的PLC技术，可以组合出不同的功能与生产规模，受到业内专业人士的青睐。PCL在电气自动化控制领域的应用价值，主要体现在流水线作业方面，其中利用PLC控制技术构造的柔性自动化生产线稳定安全、构造简单、组装灵活，非常适合各类中小型企业，可以根据产品、工艺等改进需求增减设备，实现各类资源利用效应的最大化。

1 PLC控制系统概述

1.1 PLC控制系统的内涵

PLC（Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器，从电气自动化角度分析，其属于计算机技术的范畴[1]，因为工业级的PCL在功能及形态上都近似于电脑主机。PLC控制系统是自动化和智能化在传统控制系统上的发展和延伸，传统的继电器、计时器、计数器等控制装置，被计算机技术、通信技术以及自动控制技术所取代，从而实现更加精准、高效、广泛且能够远程化、自动化地应用控制。PLC控制系统主要包括四大组成部分，包括存储介质、输入输出设备、电源以及核心部位中央处理器。PLC控制系统的应用原理，是通过输入设备将末端的信息和信号进行收集与传递，最终汇总到中央处理器进行数据信息的分析与处理，进而向输出设备发出相应的指令并传导到末端，从而实现远程自动化操作的闭环。

1.2 PLC控制系统的优势

与传统的控制系统相比，PLC有着诸多的特点和优势。一是具有较高的可靠性，系统可以根据提前设定的程序，进行整个系统内各个环节和节点的自动监测与预警，并且能够对部分问题进行自行处理，从而将系统风险消灭在萌芽阶段；二是编程方便，技术人员可以通过计算机系统，借助专业的编程软件进行快速地编程，并且可以对已经完成的程序进行相互借鉴，减少重复编程的负担；三是环境要求低，在运行过程中不易被外界的因素所干扰，能够相对稳定地执行指令；四是兼容性好，与其他装置可以进行十分便利地配置和连接，从而可以更好地实现系统化管理与应用。

1.3 PLC控制系统的功能

1.3.1 闭环控制

PLC在电气自动控制系统的应用，其核心功能之一就是实现从中央处理器的终端到工业生产与管理一线的末端之间的闭环管理，通过对整个生产与管理流程地不间断控制，可以更好地进行信息获取、数据管理与分析应用，从而为自动化乃至智能化管理夯实基础[2]。在PLC闭环管理过程中，通过I/O模块的技术应用，还可以进一步实现数据与信息、数字与信号之间的实时转换，从而真正实现传统控制技术向现代信息化的转变。

1.3.2 自动处理

PLC控制系统以中央处理器为“大脑”、输入输出设备为“四肢”、存储设备为“内脏”、电源为“心脏”，共同组建成控制系统的拟人化体系，可以实现对数据和信息的自动处理，能够在无人状态下进行相关信息的管理和分析，并按照既定程序做出相应的处理，从而降低了工业生产与管理对于人工的依赖。此外，PLC控制技术对于海量数据和复杂信息的处理，大幅提升信息数据处理的效率，比人工计算更加快速且精准，可以有效解决大量的、简单的、常见的问题，使有限的人力资源投入更加重要的工序当中。

1.3.3 顺序执行

与传统继电器的顺序执行相比，PLC控制系统主要采取软件控制的技术，不仅系统内的结构更加紧凑，而且系统硬件占用的空间非常小，对于设备的影响更低。由于PLC控制系统内的顺序执行主要通过软接点进行处理，信号传递速度快、效率高，设计、施工和调试的周期更短，可以快速地投入生产使用，并且在运行过程中的程序修正与调整也非常便捷高效。此外，PLC控制系统的自检与监控功能非常强，顺序控制更加自动化，可以更好地保证系统运行的稳定性，同时还具有良好的节能降耗的功能，具有较强的经济实用性。

2 PLC在电气自动控制中的应用分析

结合应用现状分析，PLC在电气自动控制领域处在核心地位，其所涉及行业非常广泛，包括包装流水线、组装流水线等群控场所，以及注塑机、机器人、电梯等单体设备。以“打孔工件加工”结合柔性自动化生产线为例，该生产线加工的产品为红色、绿色两种塑料材质圆柱体，据此分析PLC的具体应用途径。

2.1 柔性自动化生产线分析

一个典型的柔性自动化生产线包括五个基本模块，分别为搬运单元、加工检测单元、分拣单元、传送单元及分类存储单元。此外，需要一个主控单元（联机状态），负责对各个功能模块展开协同，确保整条生产线有序运行；五个基本模块的功能包括：一是搬运单元，利用机械手夹取、转移物品，使其进入指定位置，接受下一步处理。二是加工检测单元，对进入工作区的物品进行特定处理，如打孔、安装等，同时利用光电传感装置进行质量检测，并将数据传输到分拣单元的PLC中。三是分拣单元，根据加工检测单元反馈的信息，自动识别合格品、次品等，分别分拣到不同的位置，其中合格品转入到传送带。四是传送单元，该单元主要用于区分颜色，如果发现传送带中出现了非红色、非黑色的物品，则利用传送带中间的挡板筛选出来，转移到废料槽。五是分类存储单元，传送带终端设置传感识别装置，对红色、黑色塑料圆柱体进行分类，按相同颜色进行存储（装箱）；整个柔性自动化生产线的流程如图1所示。

图1 柔性自动化生产线流程图

2.2 PCL控制系统及硬件配置

立足该柔性自动化生产线分析，PCL控制系统包括一个主站和五个从站，其中主站PCL通过Profinet现场总线通信方式，与1#～5#（对应五个基本模块）PCL实现数据传送，并满足各模块“反馈量”向主站PLC的传送。在硬件设备选择上，主站PCL选用亿维公司生产的CPU124XPE，从站选择亿维公司生产的IM153 PROFIBUS-DP，搭配该公司的IM267 profinet从站通信接口模块，基本配置见表1。

表1 PCL控制系统基本配置

考虑到柔性自动化生产线的灵活性，PLC控制系统中每一个单元，都应该具有独立的控制机制，这样才能满足设备拆分、组合的需要[3]。因此，1#～5#各个单元都要配置控制面板，每个面板上提供按钮开关、选择开关、急停开关，根据实际需求进行单机、联机、手动及自动控制；以PCL控制系统为中心，其余硬件设备主要包括传感器、电磁阀、机械臂、电机设备及监控设备等，系统框架图如图2所示。

图2 PLC控制系统框架图

2.3 PLC电气自动控制系统

结合“PLC控制系统的功能”与“图1柔性自动化生产线的流程”来看，主控单元基于现场总线的通讯路径，实现了各基本模块PLC的信息输出与信息反馈（基于I/O模块），完成了“闭环控制”的工作流程。而从“搬运单元”一路向“分类存储单元”的生产时序，表现出了“顺序执行”的特点，“自动处理”的功能主要表现在分拣单元、传送单元两个模块中，不再需要人工干预，就能够实现工件质量合格与否的判断与筛选。但是，以上所有功能的实现过程中，存在一个必要的“隐含条件”，即所有PCL必须提前做好电气自动控制系统设计。

2.3.1 搬运单元电气自动控制设计

PCL在连接搬运单元电气线路时，按照IM153 PROFIBUS-DP的规格参数连接电源（AC220V），而工作台面上的电磁阀、指示灯、磁性传感器、气动机械手、回转台等电源规格为24V/5A。在设计结构中，电磁阀、传感器两个装置位于气动控制回路中，这样可以实时向PLC反馈信号；搬运单元I/O接线方式如图3所示。

2.3.2 加工检测单元电气自动控制设计

加工检测单元电气自动控制设计较为复杂，其中包括用于钻孔的“刀具电机”设备，需要用到直流减速电机（ZGA25RP37.9i/DC24V/rpm：120），该单元中一共需要提供四台直流减速电机，其中三台用于刀具，一台用作加工转台；工作台面上其余设备包括平面推力轴承、传感器（电感+光感+磁性）、电磁阀、辅助加工装置等。其中，电磁阀与传感器同样安装在控制气动回路中，将信号反馈给PLC；该单元I/O接线图如图4所示。

图3 搬运单元I/O接线图

图4 加工检测单元I/O接线图

2.3.3 分拣单元电气自动控制设计

分拣单元获取加工检测单元反馈的信号，利用气动手指、薄型气缸、磁性传感器、塑料存储器及电磁阀等，完成废料分拣与产品筛选的工作，I/O接线图如图5所示。

图5 分拣单元I/O接线图

2.3.4 传送单元电气自动控制设计

传送单元的主要功能是合格品、不合格品（废料）的分别，其中关键环节是颜色识别，核心设备元件是色标传感器、光电传感器及光线传感器，分拣料槽用于存放红色、绿色之外的其他工件，当有物料放入之后，光电传感器就给PLC一个输入信号，I/O接线图如图6所示。

图6 传送单元I/O接线图

2.3.5 分类存储单元电气自动控制设计

分类存储单元的组成包括步进电机、滚珠丝杠、限位开关、磁性传感器、电感传感器等，其中电感传感器检测到滚珠丝杠运动到位后，就给PLC一个输入信号，I/O接线图如图7所示。

图7 分类存储单元I/O接线图

3 PLC在电气自动控制中的关键技术分析

结合以上实例分析，以计算机系统为核心、远程控制技术和通信技术为手段的自动化控制与管理，业已成为各行各业生产系统（特别是电气自动化系统）的主流模式，而PLC技术可以为自动化系统带来更新的技术，助力电力自动控制的进一步深化，其关键技术分析如下。

一是PLC通过对系统数据信号进行收集和传递，可以对复数以上的配电柜进行统一管理和集中控制，并且能够在中央处理器中对汇总的数据信号进行智能化分析与处理，从而为系统的优化控制夯实基础。

二是PLC可以结合远程控制技术和移动通信技术，为配电系统提供一双更加精准的“千里眼”，实现配电系统的远程监控与风险预警，从而有效降低人工监控的现实性风险。实践中，电气控制特别是电力系统的核心区域，往往存在着大量的电压、电流以及诸多昂贵且精密的仪器，对于外界的电源或信号敏感，人工监测不仅有着极高的管理要求和规范限制，而且也容易对人员的身体健康带来负面的影响。PLC技术的应用，可以借助末端的数据信息监测器，实时地将数据信息传递到终端进行处理，并且对于PLC预先编程设置的常见风险点和故障问题进行重点监测、预警和临时处置，从而有效减少故障对于企业生产所带来的不利影响[4]。

三是PLC技术既能够对系统进行控制，同时也可以运用相应的控制语言，对电气自动控制系统内的各种仪器和设备进行精准地监视与控制，从而实现控制技术的精准化。在具体的技术应用过程中，PLC技术可以通过编程的方式，预先对仪器或设备需要监控的重要环节和操作流程进行集中控制，使系统末端的设备运行更加精细化和科学化。

4 结语

综上所述，作为现代信息化、智能化技术中的一种，PLC技术对于电气自动控制体系的构建与完善有着积极的作用和价值，不仅可以有效降低企业的投入与运营成本，而且能够在解放人力的同时大幅提升控制质量和效率，还不容易受到外界环境的干扰，因而在实际生产领域得到了较为广泛地应用。然而，PLC技术与电气自动控制系统之间还需要进一步磨合，从而更好地发挥现代科技对于传统工业生产的推动作用，实现技术与功能的不断优化与升级，从而为我国电气控制领域的创新发展提供更多的技术支持。