PLC技術(shù)在自動化控制的運(yùn)用

[摘要]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣自動化控制系統(tǒng)不斷優(yōu)化，電氣工程控制更為智能化�？刂坪诵钠骷�的國產(chǎn)化在電氣工程自動化的發(fā)展與應(yīng)用中顯得尤為重要,要解決國產(chǎn)器件的應(yīng)用，實現(xiàn)工業(yè)自動化、智能化控制，還需要工程技術(shù)人員通過工程項目充分運(yùn)用解決。

[關(guān)鍵詞]PLC技術(shù);國產(chǎn)器件;自動化控制;運(yùn)用

PLC概述

可編程邏輯控制器簡稱“PLC”，它屬于一種區(qū)別于計算機(jī)控制，由微電子技術(shù)、繼電器控制技術(shù)和計算機(jī)及通訊技術(shù)學(xué)科相結(jié)合的一種具有專用運(yùn)算處理芯片，處理速度快、集成度高的通用控制組件。以PLC控制器為核心的自動化控制系統(tǒng)，通過獨(dú)有編程語言實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)計算、邏輯控制及編程功能，通過控制器的I/O單元、物理總線及外圍物理設(shè)備采集轉(zhuǎn)換成PLC控制器中的運(yùn)算處理單元識別的處理的信號，并且能夠按照邏輯程序完成驅(qū)動執(zhí)行部件，完成處理快速的邏輯順序控制、復(fù)雜的過運(yùn)算控制、比例積分微分控制及運(yùn)動控制。將PLC技術(shù)與自動化技術(shù)相互結(jié)合，能夠有效提升電氣自動化設(shè)備的運(yùn)行效率，同時還能夠促進(jìn)電氣設(shè)備自動化的發(fā)展。PLC國產(chǎn)化器件在軍工航天、醫(yī)療制藥、印刷包裝、自動生產(chǎn)線及過程控制等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，勢必提升整個電氣自動行業(yè)的發(fā)展。國產(chǎn)PLC技術(shù)應(yīng)用于電氣自動化控制中的必要性隨著國內(nèi)微電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，國產(chǎn)PLC具備以下幾方面優(yōu)勢：具有良好的開放性，能夠兼容IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，支持現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)及各類接口；具有簡單操作性，能夠通過學(xué)習(xí)快速掌握使用要領(lǐng)，搭建電氣控制系統(tǒng)；具有可靠性，能夠在復(fù)雜的氣象環(huán)境、電磁環(huán)境下長期穩(wěn)定工作；具有可維護(hù)性，通過建立模塊部組件，能夠快速解決故障問題；具有分布式組網(wǎng)能力，通過以太網(wǎng)、路由設(shè)備可以方便的集成監(jiān)控、顯示及執(zhí)行一體化控制網(wǎng)絡(luò)。通過后續(xù)國產(chǎn)PLC在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣工程自動化領(lǐng)域工控成本的降低、控制效率提升及穩(wěn)定化運(yùn)行的應(yīng)用目標(biāo)。

PLC技術(shù)在電氣自動化控制中的應(yīng)用

1.步進(jìn)順序控制在PLC上的應(yīng)用在大型自動化生產(chǎn)線建設(shè)中，自動控制系統(tǒng)主要包括：計算機(jī)控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、運(yùn)動旋轉(zhuǎn)定位控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)及模擬量控制系統(tǒng)等方面。自動化生產(chǎn)線電氣自動控制策略會遵循產(chǎn)品的裝配工藝流程或加工工藝流程提出控制要求，形成流程控制圖表，然后根據(jù)流程圖表的要求制定相應(yīng)的控制解決方案。而考慮到自動化生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，在常規(guī)情況下控制流程及控制順序相對固定，以及投入運(yùn)行費(fèi)效比的前提條件下，按照流程圖表進(jìn)行步進(jìn)階梯設(shè)計從而選擇PLC技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)的順序控制中，能夠有效解決這一問題。同時，選擇PLC技術(shù)在生產(chǎn)線上進(jìn)行順序自動控制的優(yōu)勢，在于能夠根據(jù)生產(chǎn)線的工藝要求不同，隨時進(jìn)行在線工藝更改，使自動化生產(chǎn)線在運(yùn)行過程中充分發(fā)揮設(shè)備的最大性能，同時還能夠提升設(shè)備運(yùn)行的靈活性以及控制性，使自動化生產(chǎn)線能夠在一個成熟的工藝流程上穩(wěn)定良好地運(yùn)行。2.模擬量PID控制在PLC上的應(yīng)用工業(yè)自動化生產(chǎn)過程需要對壓力、電流、電壓、溫度進(jìn)行控制。國產(chǎn)PLC采取專用模擬量控制單元進(jìn)行處理，通過隔離I/O端口采集傳感數(shù)據(jù)通過A/D、D/A電路轉(zhuǎn)換單元，形成數(shù)字量0～65535、模擬量4～20mA或0～5V。計算數(shù)字量與模擬量量程的對應(yīng)關(guān)系設(shè)定分辨率，采集的數(shù)值與分辨率的乘積作為輸入/輸出參量賦值后，經(jīng)過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為實數(shù)存入指定寄存器，作為PLC控制器中的PID指令函數(shù)寄存器地址的給定值或反饋值，形成給定偏差后進(jìn)行PID運(yùn)算，從而驅(qū)動PLC輸出端口進(jìn)行脈沖輸出。一般情況下，自動化控制系統(tǒng)既有模擬量又有開關(guān)量控制需求時，采用具有模擬量控制單元的PLC會比采用專用PID控制器經(jīng)濟(jì)效益要好，同時這種方式的運(yùn)用可以有效地提高系統(tǒng)的綜合資源利用率，并且對于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計也起到了充分的提升。3.PLC技術(shù)在運(yùn)動控制中的應(yīng)用運(yùn)動控制系統(tǒng)是以直流伺服電機(jī)、永磁交流伺服電機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)為控制對象，以控制器為核心。在控制理論指導(dǎo)下組成的不同的電氣自動控制系統(tǒng)�？刂破髦饕�包括：基于計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動控制器、嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制器、PLC運(yùn)動控制器。目前PLC運(yùn)動控制器主要應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。PLC運(yùn)動控制器根據(jù)運(yùn)動控制的參量規(guī)劃運(yùn)動模型針對運(yùn)動模型進(jìn)行數(shù)學(xué)解算，計算結(jié)果形成PLC控制器內(nèi)部脈沖程序段，最后脈沖輸出形式驅(qū)動步進(jìn)或伺服驅(qū)動器使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、直線移動等方式，實現(xiàn)單軸運(yùn)動解決多軸聯(lián)動的傳動控制問題。

PLC技術(shù)在目標(biāo)指向系統(tǒng)中的運(yùn)用方案

1.國產(chǎn)PLC介紹國產(chǎn)N80系列PLC是基于自動化各行業(yè)研制一種小型PLC，單個PLCI/O點(diǎn)數(shù)從16~48點(diǎn)，可支持7個擴(kuò)展模塊，通過組網(wǎng)方式可實現(xiàn)總點(diǎn)數(shù)超萬。全系PLC分為經(jīng)濟(jì)型本體模塊、標(biāo)準(zhǔn)型本體模塊、混合型本體模塊、擴(kuò)展模塊。N80系列PLC技術(shù)能夠?qū)χ噶钸M(jìn)行有效的控制，做好脈沖通道硬件組態(tài)有效的輸出，實現(xiàn)高速的定位，對系統(tǒng)起到有效的調(diào)節(jié)控制作用。2.目標(biāo)指向控制工作原理及組成目標(biāo)指向系統(tǒng)依托直線軌道式運(yùn)動機(jī)構(gòu)，提供輻射強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的點(diǎn)源目標(biāo)，與位標(biāo)指向分系統(tǒng)及反饋傳感系統(tǒng)形成自動化閉環(huán)指向控制，確保輻射源目標(biāo)在行進(jìn)過程中始終與測試系統(tǒng)對準(zhǔn)。目標(biāo)指向系統(tǒng)主要包括：工控機(jī)、PLC控制單元、輻射源溫控分系統(tǒng)、光學(xué)投射系統(tǒng)、位標(biāo)指向分系統(tǒng)及直線運(yùn)動載車組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。3.控制系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)組合控制方式，上位機(jī)采用研華品牌工控機(jī)，用于發(fā)送載車直線運(yùn)動運(yùn)動指令、溫度控制指令，并接收下位機(jī)反饋的運(yùn)行狀態(tài)信息；下位機(jī)采用國產(chǎn)矩形公司N80系列PLC，實現(xiàn)控制指令解算并驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動，同時反饋狀態(tài)信息。系統(tǒng)控制原理框圖如圖2所示。（1）運(yùn)動單元設(shè)計首先要確定目標(biāo)指向系統(tǒng)與被測試件的位置關(guān)系，然后通過組建的控制系統(tǒng)解決測試過程中光學(xué)系統(tǒng)光軸與被測工件光軸始終匹配對準(zhǔn)問題。目標(biāo)指向系統(tǒng)與被測試件的位置轉(zhuǎn)角變化示意如圖3所示。運(yùn)動單元主要包含：N80-M48DTPLC控制器、步進(jìn)驅(qū)動器、執(zhí)行電機(jī)、位置傳感、距離傳感及控制嵌入軟件。由圖3可以看出，載車直線運(yùn)動與被測試件之間的空間位置變化，當(dāng)被測試件與X軸及Y軸距離固定后，當(dāng)Z軸距離發(fā)生變化時，光學(xué)系統(tǒng)光軸的方位角和俯仰角均需要調(diào)節(jié)，因此需要設(shè)計補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，使載車直線運(yùn)動過程中，通過調(diào)整位標(biāo)指向系統(tǒng)的方位角、俯仰角使光學(xué)系統(tǒng)的光軸，在行進(jìn)過程中與被測試件對準(zhǔn)。因此本系統(tǒng)設(shè)計是通過PLC控制單元針對直線運(yùn)動、方位角度及俯仰角度的空間運(yùn)動進(jìn)行插補(bǔ)數(shù)學(xué)模型建立從而實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)光軸空間指向功能。經(jīng)設(shè)計，本系統(tǒng)指標(biāo)主要情況如下：水平轉(zhuǎn)動速度：0.1～12°/s；俯仰轉(zhuǎn)動速度：0.1～8°/s；定位精度：±0.02°；位標(biāo)跟蹤偏差≤0.1°。（2）輻射源溫控器設(shè)計N80-M48DTPLC具有PID數(shù)字調(diào)節(jié)，內(nèi)部編程模塊、受外界干擾小、控制精度高等特點(diǎn)。能夠按照設(shè)定的程序輸出可變頻率脈動的+5v直流電壓，控制控制固態(tài)繼電器（SSR）的使能控制端，按一定的頻率導(dǎo)通，這時輻射體開始工作并通過高精度溫度傳感PT100監(jiān)控輻射體的溫度，同時反饋溫度電流信號，與PLC內(nèi)部溫度設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較求差，進(jìn)一步確定控制固態(tài)繼電器（SSR）輸出電壓的頻率從而形成溫度閉環(huán)控制�？刂圃�理框圖如圖4所示。根據(jù)控溫范圍25～500℃要求，采用PLC內(nèi)核PID自整定控制方式，實現(xiàn)控溫度穩(wěn)定性0.5℃/h的目標(biāo)。（3）測試軟件設(shè)計測試軟件使用VC++開發(fā)工具編寫，采用面向?qū)ο蟮哪�塊化程序設(shè)計方法，測試軟件具有標(biāo)準(zhǔn)Windows風(fēng)格的可視化操作界面，測試軟件主界面主要由4個區(qū)域組成，分別是：菜單欄、輻射源控制管理、直線運(yùn)動控制管理、通信管理及目標(biāo)位置顯示區(qū)。其中菜單欄、工具欄及運(yùn)動控制管理區(qū)提供了部分操作命令的快速執(zhí)行方式；目標(biāo)捕捉控制區(qū)用于測試過程中對位標(biāo)相機(jī)圖像的采集及參數(shù)設(shè)置，運(yùn)動控制管理區(qū)用于向下位機(jī)發(fā)送控制指令，接收下位機(jī)反饋狀態(tài)。測試軟件的界面友好、操作簡單，界面如圖5所示。

結(jié)束語

隨著科技的進(jìn)步，電氣控制技術(shù)日趨完善，PLC技術(shù)操控靈活高效、穩(wěn)定可靠，模塊化組合及分布網(wǎng)絡(luò)控制的工控特點(diǎn)，獲得了工業(yè)自動化業(yè)界的好評，并且在軍工領(lǐng)域及民用智能化家居控制系統(tǒng)中已開始逐步應(yīng)用。在這場工業(yè)智能化的浪潮中，國產(chǎn)PLC技術(shù)一定會在電氣工程自動化應(yīng)用方面綻放出絢麗的科技之花。

作者：吳興廣 單位：哈爾濱新光光電科技有限公司