PLC技术在机械电气控制装置中的应用

2023-01-22林燕霞

南方农机 2023年1期

林燕霞

（长治职业技术学院，山西长治 046000）

随着科学技术的不断进步，从事电气自动化的工作人员逐渐将注意力转移到智能化控制装置上。传统的控制技术使用继电器接触器控制机械设备，曾在机械化生产中发挥了重要的作用，但它的缺点也是显而易见的，如不能实现高度的自动化、信息化综合操作。与此同时，近年来随着科学技术水平的不断提高，PCL技术得到了极大地发展，PLC的功能不断完善并被广泛应用于机械电气控制装置中。毋庸置疑，若要充分发挥PLC的技术优势，针对机械电气控制装置对PLC技术的有效应用进行充分分析和探究就显得尤其关键。

1 PLC的优势分析

PLC是可编程控制器的简称，是专门为工业控制应用而设计的一种通用控制器，微处理器是PLC的核心基础，在微处理器中集成了多项技术，如现代化的计算机技术、自动控制技术、通信工程技术以及传统的继电器控制技术，是一种较为新型的先进控制设备。它由中央处理器（CPU）、存储器、电源、输入/输出模块、外部设备接口、I/O扩展接口等几部分组成[1]，如图1所示。其具有体积小、能耗低、程序编写方便易学、稳定性高、抗干扰能力强、总体的构造设计与安装调试工作难度低等基本特点。随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术、通信网络、数据处理及图像显示技术的发展，PLC的网络通信功能、智能模块功能、外部自诊断功能在不断增强，使PLC在工业中的应用更加广泛。

图1 PLC系统结构

首先，PLC能适用于各种类型的机械电气控制系统。PLC不仅具有处理数字量和模拟量的能力，还具有处理数据、数据预算以及网络通信的能力，因此可以对不同电气控制系统中的数据进行分析，最终达到控制机械生产的效果，并且PLC能够满足各个先进的科学技术对电气控制系统的优化，从而满足机械工程发展的需要。其次，PLC技术引进了许多大规模、超大规模集成电路等微电子技术、通信技术、计算机技术，如此不仅可提高机械电气控制装置的抗干扰能力，还可实现机械电气控制的联网及组态，提高机械电气控制装置的安全性、易操作性，提高自动化水平[2]。最后，在PLC控制系统中，如果发生故障问题，可以自行及时分析诊断故障原因，并发出预示警告信息，有助于技术管理人员高效化处理系统问题，进而提高整体工作效率。

2 PLC技术在机械电气控制装置中的重要作用

2.1 简化操作过程

PLC的软件编程功能可以实现以往继电器控制装置中多个零部件的功能，将整体操作流程进一步简化，当生产工艺及控制要求发生变化时，只需修改编程内容就可以迅速满足工艺生产需求，有助于提高整体工作效率。相较于继电器控制系统，省去了控制柜的设计、安装、接线等工作。另外，在机械电气控制装置运行中，只需按照PLC上位机发出的指令进行操作即可，与传统继电器控制系统相比，简化了人工操作的烦琐性，降低了劳动强度，提高了机械电气控制装置的运行效率与企业的经济效益[3]。

2.2 功能多样化

PLC与触摸屏通信，可以将采集到的机械设备工作现场的各种信号，以图形、动画等直观形象的方式呈现出来，从而对现场进行监视和控制；也可以直接对控制系统发出指令，设置参数干预机械设备工作现场的控制流程；还可以将控制系统中的紧急工况（如报警等）通过软件界面、电子邮件、手机短信、声音和计算机自动语音等多种手段，及时通知给相关人员，使他们及时掌握机械设备工作现场的情况[4]，从而实现对整个生产过程的信息控制和管理。

随着新智能I/O模块的诞生，PLC的实时精度、分辨率、人机对话等方面得到了进一步的改善和提高，有助于实现基于PLC控制技术的机械电气控制装置的自动化和智能化发展。

3 PLC系统设计

PLC在机械电气控制装置中主要应用于FCS系统和DCS系统，两种系统有不同的特点及适用范围。应根据机械设备的运行特点及控制要求进行全面分析，选定系统，进而确定PLC的类型、型号，然后进行硬件设计及软件设计，具体设计步骤如图2所示。

图2 PLC控制系统的设计步骤

3.1 确定控制对象及控制范围

详细了解被控对象的控制要求，然后对被控对象的工艺要求、控制规律、控制过程和运行特性进行详细分析，明确需要准确完成的规定流程、动作、指令，全面细化出工作循环体系。

3.2 选定PLC型号、基本单元、功能模块

通过被控对象的设计图纸、工艺要求及现场考察情况，确定输入信号、输出信号的具体需求，如数字量、模拟量，合理调整内存容量设计，确保可以留有充分余量且不会产生资源浪费，并确定能够与各仪表的接口、其他PLC、计算机或智能设备通信。根据以上内容确定PLC的硬件配置，例如输入模块的电压和接线方式、输出模块的输出形式、特殊功能模块的种类及型号等[5]。

3.3 硬件设计

硬件设计是以PLC为核心来进行设计的，是系统设计的重要内容。根据所选用的PLC产品，结合实际需求，列出I/O口分配表，然后绘制PLC外部接线图及电器控制系统总装配图。

设计控制线路时，为了保证PLC能够安全可靠运行，还应注意在PLC输出的负载回路中加装熔断器，防止负载短路时损坏PLC内部的输出元件；为保证PLC的接地效果，在实际条件允许时最好进行独立的接地处理，分别管理其他设备与PLC的接地装置；同时，应尽可能地将PLC的接地线缩短，控制接地点与PLC的距离。

3.4 软件设计

1）在设计PLC程序的过程中，需要结合具体的工艺需求和控制系统的整体要求，画出程序流程图，然后将程序流程图转换为梯形图，这是PLC应用中最关键的问题。在编写程序的过程中，可以借鉴现成的标准程序或参考继电器的控制原理图，选用经验设计法或顺序功能图设计。同时，需要及时对编写的程序进行注释，包括编写程序具备的功能、程序控制之间的逻辑关系、总体设计规划、信号的输入输出位置等，便于对PCL进行维护管理。

2）模拟调试。程序初调也称为模拟调试，将设计好的程序写入PLC中，在实验室中试运行程序，结合试运行期间程序的具体表现，及时修改编程内容，确保最终设计完成的编程程序可以满足工程流程的总体要求。在试运行时，结合控制要求，利用开关或是按键来模拟PLC信号的输入输出，通过PLC输出模组上的继电器发光二极管，准确观察输出信号的变化情况以及逻辑运行状态是否与设计一致，及时针对相应问题进行修改调试，直至完全符合设计。

3.5 现场调试

在前期调试完全符合标准后，需要对调试好的程序进行现场调试。在现场使用的PLC控制装置中输入合格程序，这时可以先不带负载，只接上接触器线圈、信号灯进行调试。正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等，在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电调试，利用计算机监视梯形图，采用分段、分级调试的方法进行[6]。在各环节调试正常后，开始加载实际负载进行现场调试。如果现场调试存在问题，则需要对硬件设备和程序进行相应调整，一般仅需对部分程序进行修改就可以符合目标要求。多次调试可以消除大量的潜在问题，保证后期实际运行的安全有序。待全部调试完成后，将程序固定在PLC控制装置中并进行备份。

4 机械电气控制装置中PLC的具体应用分析

4.1 开关量逻辑控制

开关量逻辑控制取代了传统的继电器接触器控制，主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，其是PLC最基本、最广泛的应用领域，可应用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制等。

4.2 生产过程中的模拟量控制

在工业生产过程中，需对流量、压力、温度等模拟量进行控制，可以使PLC通过专用的模拟量输入/输出模块及用户程序来完成转换，即通过输入模块A/D转换将外电路的模拟量转换为数字量并送入PLC中，然后执行用户程序，最后通过输出模块D/A转换，把PLC运算处理后的数字量信号转换成相应的模拟量信号输出，满足机械设备生产现场连续信号的控制要求[7]。另外，部分PLC还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而实现对系统的PID反馈或其他模拟量的控制运算。

4.3 数据处理

PLC不仅具有进行算术运算、函数运算、数据传送等功能，还可以进行数据排序、查表、转换。经PLC处理的数据可以与存储内的设定值进行比较，从而完成程序设定的控制操作或打印制表；也可以利用网络通信传送到上位机或其他智能装置。数据处理一般用于无人控制的柔性制造等大型控制系统或食品工业中的过程控制系统[8]。

4.4 通信联网

PLC作为下位机，与同级PLC、上位计算机或其他智能设备进行通信，构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分数控制”的分布式控制系统，以此实现对整个生产过程的智能控制和管理，满足自动化系统的需求，同时向智能化方向发展，创造更高的效益[9]。

5 实例应用分析

矿井提升机是煤矿运输的重要设备，是联系井下和地面的纽带，传统的提升机控制系统存在线路复杂、调试性能差、故障率高、能耗高、自动化程度相对较低等问题。采用PLC控制系统，配置两套PLC且热备冗余（电源冗余、CPU冗余、控制网络冗余、I/O冗余、上位机冗余），采用标准以太网通信，上位监控系统采用工控机与触摸屏一体机，并配有数字监控器、信号调节反馈等模块。在这种控制方式下，调速系统以通信方式交换过程数据，调速更平稳，实现了统一编程组态、集中控制、监视和管理。现场技术人员评价认为整个系统控制精度高、运行状态稳定可靠，并且有更友好的人机界面[10]。提升机采用PLC控制后，对提高系统自动化水平、系统运行效率非常有利，并且为矿井智能化发展奠定了一定基础。