可编程逻辑控制器在自动化控制领域的应用研究与发展趋势展望

2024-01-16梁洛铭唐增亮

中国设备工程 2024年1期

梁洛铭，唐增亮

（广西玉林农业学校，广西玉林 537000）

PLC（Programmable Logic Controller）是一种广泛应用于工业控制系统中的可编程逻辑控制器。通过编程控制输入输出信号，实现对工业过程的自动化控制和监测，如生产线、机器人、自动化机械、流程控制系统等。PLC 的出现极大地促进了工业自动化的发展，它在工业领域中发挥着关键的作用，提高生产效率、优化生产过程，并为工业自动化提供了可靠的解决方案。

1 PLC 技术的基本结构和功能原理

1.1 PLC 的结构

PLC 作为专门设计用于工业自动化控制的计算机控制系统，主要由以下基本部分组成。中央处理器（CPU）：负责执行PLC 程序，进行逻辑运算和决策，并控制输入输出模块的数据交换。输入接口：用于采集外部信号，如开关状态、传感器测量值等，并将其转换为数字信号，供CPU 处理。输出接口：用于控制外部设备或执行器，将CPU 处理的数字信号转换为相应的电流、电压或信号输出。存储器：用于存储PLC 程序、数据和临时变量，包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。编程设备：用于编写、修改和下载PLC 程序，通常采用专用的编程软件或编程器进行操作。它基于电子元件和编程逻辑，可以实现对机器设备、生产线或工厂运行的监测和控制。

图1 PLC 基本结构图

1.2 PLC 工作原理

PLC 的工作过程主要涵盖下列步骤：一是输入信号采集，PLC 通过输入模块连接传感器、开关和其他输入设备，实时采集各种信号，例如，温度、压力、位置等；二是逻辑处理，PLC 的中央处理器根据预设的编程逻辑和条件，对输入信号进行逻辑处理和判断，生成相应的输出信号；三是输出控制，PLC 通过输出模块连接执行器、电磁阀和其他输出设备，控制电流、电压或信号的输出，实现对机器设备或生产过程的控制；四是循环扫描，PLC 以固定的时间间隔进行循环扫描，不断更新输入信号、执行逻辑处理和输出控制，以保证实时性和稳定性。

1.3 PLC 的主要功能

PLC 的控制功能十分强大，主要的控制有：逻辑控制，PLC 可以根据预设的逻辑条件和程序进行逻辑运算和决策，实现对设备或系统的自动控制；定时和计数，PLC可以根据设定的时间参数进行定时控制，或根据输入信号的计数进行计数控制，数据处理和算术运算：PLC 具备数据处理和算术运算的能力，可以对输入数据进行处理、比较和计算，生成相应的输出；过程监控和反馈控制：PLC 可以实时监测和记录生产过程中的数据，如温度、压力等，通过反馈控制实现对生产过程的精确控制；通信和接口，PLC 支持与其他设备、系统的通信和数据交换，例如，与上位机、人机界面（HMI）或其他PLC 的通信。

1.4 PLC 的编程方式

PLC 的编程语言主要包括以下几种常见类型：逻辑图，使用逻辑图形符号表示程序逻辑，如梯形图（Ladder Diagram）；功能块图，将程序分解为多个功能块，每个功能块实现特定的功能，通过连接这些功能块形成完整的程序；文本型编程语言，使用结构化的文本语言编写程序，如结构化文本（Structured Text）或高级指令集（Instruction List）；状态图，使用状态和状态转移来描述程序的行为和控制逻辑，特别适用于复杂的控制场景。

2 PLC 的功能及控制领域

PLC 在自动化控制领域中广泛应用，为生产过程的控制和监控提供了可靠的解决方案。

2.1 自动化生产线的控制

PLC 可以用于控制和管理生产线上的各个工作站和设备。通过编程逻辑控制，PLC 可以实现自动化的工作流程，包括启动和停止设备、调整速度和位置、控制物料流动等。这种自动化控制可以提高生产效率、减少人为错误，并实现快速的生产切换和调整。在一些智能生产线中，利用PLC 的智能控制，生产线可以实现高度自动化和智能化，提高生产效率、质量和灵活性，满足市场需求的个性化和定制化。

2.2 生产过程的监控

在生产过程中，PLC 广泛应用于各种工业过程的控制，如化工、石油、电力等领域。PLC 可以监控和控制温度、压力、流量、液位等参数，根据设定的控制算法调整控制阀、开关设备等，以确保工业过程的稳定运行和符合规定的生产要求。

2.3 设备运行的控制

在设备控制方面，PLC 可用于控制各种工业机械设备，如机床、注塑机、包装机等。通过编程控制，PLC 可以实现精确的位置控制、速度控制、力控制等功能，提高机械设备的运行精度和生产效率。此外，PLC 还可以监测设备的状态，实施故障检测和诊断，及时采取措施防止设备故障和停机。

2.4 能耗的管控

PLC 在工业制造中起到节能和能源管理的重要作用。通过监测和控制设备的能源消耗，PLC 可以实施能源优化措施，如设备的启停调度、运行参数的优化等，以降低能源消耗和成本，并促进可持续发展。

2.5 数据采集和监测

PLC 可以与传感器、仪表等设备进行联网，实时采集和监测生产过程中的各种数据。这些数据可以用于生产状态的实时监控、生产报表的生成、生产质量的分析等，为制造企业提供重要的决策依据和数据支持。同时，PLC还能实现生产线的快速转换和柔性生产，通过修改PLC程序和逻辑，实现生产设备的重新配置和重新调度，从而实现不同产品的连续生产。这种柔性生产能力使企业能够灵活应对市场变化，提高生产效率和灵活性。此外，PLC 的数据采集和分析功能还可以支持生产过程的优化和决策，帮助企业实现智能制造的目标。

3 PLC 实际应用案例分析

3.1 PLC 在自动化汽车生产线中对工业机器人焊接作业的控制案例

在汽车制造业中，焊接是一个至关重要的步骤，需要高度准确的控制和协调，以确保焊接质量和生产效率。在一个汽车生产线上，使用了多台焊接机器人，每台机器人都执行不同的焊接任务。这些机器人之间需要精确的时间同步和协调，以避免碰撞和错位。首先，在控制机器人动作方面，每个机器人的运动需要精确的控制，以确保焊接的准确性和一致性。PLC 通过发送指令来控制每个机器人的运动，包括位置、速度和加速度等参数。其次，在运行干涉方面，PLC 可以监控每个机器人的位置，并根据预定的轨迹和时间表来避免机器人之间的碰撞。如果2 个机器人的路径相交，PLC 会发送信号来停止其中1 个机器人，以避免碰撞。同时，在任务协调方面，不同的焊接任务需要在特定的时间点执行。PLC 可以根据生产计划和产品流程，协调机器人的任务，确保每个焊接操作在适当的时间完成。最后，故障监测和处理方面，如果某个机器人或传感器出现故障，PLC 能够检测到并采取相应措施，如停止机器人运动、发送警报或通知维护人员，并且PLC 还可以记录每个机器人的运行状态、生产数量以及故障信息。这些数据可以用于生成生产报告和维护分析，以优化生产效率。

3.2 PLC 在自动化饲料喂送系统的案例

在现代养殖业中，动物的饲养需要精确的控制和计划，以确保它们获得足够的营养，从而保持健康和生长。自动化饲料喂送系统通过利用PLC 技术，实现饲料供应与养殖场的管理自动化，从而提高饲养效率。自动化饲料喂送系统主要由3 部分组成。一是饲料存储单元，系统中设有饲料储存仓，用于存放大量的动物饲料。仓内安装传感器，以监测饲料的水平。当饲料减少到设定的阈值时，传感器将发送信号给PLC 系统；二是饲料供应装置，每个动物栏都配备有饲料供应装置，包括可控制的饲料传送带或喂食器。这些装置由电机驱动，可以根据PLC 信号精确地控制饲料的供应量和速度；三是PLC控制系统，系统的核心是PLC 控制器，它连接了饲料储存传感器、饲料供应装置、时间计划和用户界面。自动化饲料喂送系统根据预设的养殖计划和设定的饲养参数，控制饲料的供应，减少了人工干预，确保了饲料供应的准确性和稳定性，提高了饲养效率，同时还能减少了浪费，从而降低了饲养成本。

4 PLC 的发展趋势展望

随着科技的不断发展，PLC 作为工业自动化领域的核心技术，已经取得了巨大的发展，并在制造业、能源领域、交通运输等各个领域发挥着重要作用。展望未来，PLC 的发展趋势将在以下几个方面展现出更加令人期待的发展。

一是PLC 的处理能力将进一步提升。随着工业自动化系统变得更加复杂，PLC 需要能够处理更多的数据和任务。因此，未来的PLC 将会集成更强大的处理器，以应对更复杂的控制逻辑和数据处理需求。这将使得生产线的控制更加精确，同时也能够支持更复杂的自动化任务。二是PLC 的通信功能将更加先进。工业互联网的兴起使得设备之间的通信变得至关重要。未来的PLC 将支持更多的通信协议和标准，使其能够无缝地与其他设备和系统进行数据交换。这将有助于实现更高效的生产调度、远程监控以及分布式控制。三是PLC 将变得更加智能化和自动化。随着人工智能和机器学习的发展，未来的PLC将能够更好地学习和适应不同的工作环境。它们将能够实时地分析数据，预测设备故障并采取适当的措施，从而提高生产线的可靠性和稳定性。此外，智能的诊断和维护功能也将成为PLC 的重要特点，减少生产停机时间和维修成本。四是PLC 将更紧密地集成于工业自动化和物联网系统中。未来的制造工厂将会更加数字化和智能化，而PLC 作为控制核心将与各种传感器、执行器、机器人等设备紧密合作，实现高度自动化的生产流程。这种紧密的集成将加速生产效率的提升，同时也会带来更大的灵活性和可定制性。此外，基于云计算和边缘计算的解决方案也将成为PLC 发展的重要方向。通过将PLC 数据上传至云端进行分析，企业可以更好地了解生产过程中的性能和效率，并做出相应的优化调整。边缘计算则可以实现更快速的数据处理和反应，特别是对于需要实时控制的场景。最后，可持续发展也将成为未来PLC 发展的重要方向之一，随着环境问题的日益凸显，工业系统需要更加注重能源效率、减少碳排放等方面的考虑。未来的PLC 将会更加注重能源管理和资源利用的优化，促进工业生产的可持续发展。同时，基于云计算和边缘计算的解决方案，以及可持续发展也将是重要的发展方向。这些趋势的发展将为工业自动化带来更多的机遇和挑战，推动着制造业向更智能、更高效、更可持续的方向发展。