机电自动化控制中PLC技术的应用

刘 淼，张宏图，靳心雨，王 迪

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

PLC 技术是基于逻辑编程的自动控制技术[1]，不仅可以辅助生产线自动化效率的提升，还可以为生产单位节约大量的人力、物力，实现生产过程的自动化与智能化，有效提高加工企业在生产经营中的经济效益。相比常规的控制技术，PLC 技术的抗干扰能力较强，加之其操作十分便捷，技术人员只需要了解其操作原理便可直接上手控制操作，使得相关工作的作业效率与执行水平得到了很大的提升。

有研究学者提出基于ControlLogix 的控制方法，对设备运行进行控制，减少能源消耗，降低工人劳动强度，但是依旧存在控制效率低的问题[2]。

因此，文章为了提高机电自动化生产中的控制效率，引进PLC 技术，设计一种针对机电工程的自动化控制方法，通过此种方式优化机电作业模式，提高机电运行效率。

1 机电自动化生产上位通信设计

为实现基于PLC 技术的机电自动化控制，应在设计方法前，建立机电生产终端与PLC 之间的逻辑通信关系。在此过程中，明确PLC 的主要通信方式为上位通信，通信方式为使用PC 端总线与机电自动化生产数据缓冲端口进行连接，建立生产信息之间的通信连接关系[3]。此过程计算公式为：

式（1）中，n表示生产信息之间的通信连接关系建立过程；a表示数据缓冲端区域；b表示通信端节点逻辑关系；p表示串行程序；α表示数据总线数量。在此基础上，设通信串口驱动器作为连通装置，将其与机电自动化生产端的串行接口进行连接[4]。连接时，使用RS232C 总线，进行区段之间的1 ∶1连接（点对点互联）。连接方式如图1所示。

图1 机电自动化生产中点对点连接方式

为确保上机位通信的稳定性，实现在机电生产过程中对流通数据的可靠传输，应设计通信协议，进行数据交换与通信的标准化设计。此过程计算公式为：

式（2）中，μ表示数据交换与通信的标准化设计；c表示通信协议。按照上述方式，进行上机位通信的标准化设计，通信过程中，保证流通与传输的数据格式为一致格式[5]。同时，将上机位通信连接中的专用单元通信协议配置对应的通信协议，在协议的支撑下，用户可以在响应帧执行的条件下，进行终端的直接通信传输。以此完成机电自动化生产上位通信设计。

2 基于PLC技术的机电自动化终端逻辑规划

完成上述设计后，引进PLC 技术，对机电自动化生产过程中的终端逻辑进行规划设计。明确自动化生产终端的逻辑对象包括通信规划、生产数据传输感应规划、数据形式转换规划等，为确保机电自动化生产终端的良好通信，可进行PLC 指令信号的预处理[6]。预处理过程如下计算公式所示。

公式（3）中：M表示PLC 指令信号的预处理；表示生产数据传输感应；a表示数据形式转换；γ表示原始信号；N表示信号权重。为避免在控制过程中由于信号传输延时导致的非线性误差问题。可在上述内容的基础上，进行PLC 控制过程的模糊设计。在此过程中，设定一个机电自动化生产逻辑精度偏差值，将其表示为E，参照模糊推理表，将决策值转换为模糊处理值，通过此种方式，计算得到机电自动化终端逻辑规划或控制的有效区间[7]。计算公式为：

式（4）中，E表示机电自动化终端逻辑规划或控制的有效区间；m表示比例因子；e表示限值；H表示极小值；L 表示极大值。根据逻辑控制可调度区间，对机电自动化生产过程中的终端逻辑进行规划设计。设计过程计算公式为：

式（5）中，A表示机电自动化终端逻辑规划；k表示控制分量；F表示规划精度偏差（补偿值）；f（x）表示控制函数。通过上述计算公式，对机电自动化生产过程中的逻辑行为进行主动控制，以此种方式完成对终端的逻辑规划。

3 机电生产机械运动过程自适应控制

在上述设计内容的基础上，使用PLC 控制技术中的圆周控制方式与直线控制方式，进行机电生产机械运动过程中的自适应控制[8]。为满足控制需求，此次设计引进PID 自适应算法，进行机电生产终端控制行为的设计。此过程计算公式为：

式（6）中，K表示机电生产终端控制行为；C表示直线控制函数;表示控制信号；δ1表示传输单元；δ2表示接收单元。在此基础上，考虑到机械运动控制要想达到预期的效果，还应在控制过程中，对机械运动行为进行自适应匹配[9]。此过程计算公式为：

式（7）中，P表示自适应匹配；t表示匹配行为发生时刻；z表示自适应算法；u0表示机械位移量；ω表示控制信号增益值。确保控制指令与机电生产机械运动行为轨迹的匹配后，将模拟量作为参照，将控制指令中的执行参数录入工作区，此时终端计算机设备中的CPU 将主动执行行为运动量的计算[10]。根据计算得到的运动量，进行PLC 控制量的输出，按照预设的控制量，将机械行为控制到指定位置，以此实现基于PLC 技术的机电自动化生产控制。

4 对比实验

在上述论述基础上，从理论方面完成对PLC 技术在控制方法中的应用研究，为进一步验证提出的基于PLC 技术的机电工程自动化控制方法的实际应用效果，选择将该控制方法作为实验组，将文献[2]中的基于ControlLogix 的控制方法作为对照组，开展下述对比实验。

以某生产企业常用的机电设备作为实验研究对象。在该设备不加负载、PLC 和PC 串口断开、PLC无程序输入的情况下，采用220 V 交流输入电源为CPU 和扩展I/O 单元进行单独供电。在实验过程中，针对该机电设备，共设置8组控制指令。其具体内容如表1所示。

表1 机电设备控制指令表

在两种控制方法下，分别遵照上述控制指令对机电设备实际运行情况进行观察和记录。为实现对机电设备运行情况的准确捕捉，设置如图2所示设备连接方式。

图2 机电设备连接示意图

利用图2中的图像采集方式，可对机电设备在运行过程中的各个动作完成情况进行拍照记录，通过观察照片，可直观地进行机电设备运行情况判断。

将图2中的设备连接方式构建的环境作为实验环境。在这一环境中，针对机电设备运行情况进行记录，将设备遵照控制指令完成正确动作记为T，将设备未遵照控制指令完成动作记为F。通过对图像采集卡采集到的画面观察，并将机电设备在两种控制方法下的运行结果记录，得到如表2所示效果对比。

表2 实验组与对照组两种控制方法控制效果对比

从表2中得到的数据可以看出，在8种不同控制指令下，按照实验组控制方法，机电设备能够正确运行次数与总控制次数相比，基本相差在0～1次范围内，而对照组正确运行次数与总控制次数相比相差较大，均超过10次。由此可以看出，实验组控制方法正确率更高，效果更理想。

在上述实验基础上，再针对两种控制方法的控制效率进行对比。控制效率可通过正确控制次数与这一过程中总耗时的比值计算得出，控制效率越高，说明机电设备在实现正确操作的过程中，消耗的时间更短，进而促进机电设备自身运行效率提升；反之，控制效率越低，则说明机电设备在实现正确操作的过程中，消耗的时间更长，进而会影响到机电设备本身的运行效率。根据上述论述，将两种控制方法下的控制效率进行记录，并将结果以曲线图的形式绘制成图3所示。

图3 实验组与对照组两种控制方法控制效率对比

通过图3 可知，机电设备在执行8 种不同控制指令时，实验组控制方法的控制效率均在10次/30 min 以上，而对照组控制方法的控制效率均小于5次/30 min。实验组的控制效率高于对照组，说明文中控制方法可有效促进机电设备在运行过程中效率的提升，具备极高的应用价值，实现对机电设备的理想控制。

5 结束语

文章从机电自动化生产上位通信设计、机电自动化终端逻辑规划、机电生产机械运动过程自适应控制三个方面，实现了基于PLC 技术的控制方法设计，并验证了该方法可有效促进机电设备在运行过程中的效率提升。在后续的研究中，还应加强实际应用的测试，进一步优化与完善该方法，为我国机电等工业领域的建设、生产与发展创造更高的收益与价值。