PLC技術在自動化控制的運用

[摘要]隨著科學技術的發(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)展與應用中顯得尤為重要,要解決國產(chǎn)器件的應用，實現(xiàn)工業(yè)自動化、智能化控制，還需要工程技術人員通過工程項目充分運用解決。

[關鍵詞]PLC技術;國產(chǎn)器件;自動化控制;運用

PLC概述

可編程邏輯控制器簡稱“PLC”，它屬于一種區(qū)別于計算機控制，由微電子技術、繼電器控制技術和計算機及通訊技術學科相結合的一種具有專用運算處理芯片，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備采集轉(zhuǎn)換成PLC控制器中的運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、復雜的過運算控制、比例積分微分控制及運動控制。將PLC技術與自動化技術相互結合，能夠有效提升電氣自動化設備的運行效率，同時還能夠促進電氣設備自動化的發(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)線及過程控制等領域的廣泛應用，勢必提升整個電氣自動行業(yè)的發(fā)展。國產(chǎn)PLC技術應用于電氣自動化控制中的必要性隨著國內(nèi)微電子技術的發(fā)展進步，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國際標準，支持現(xiàn)場總線標準及各類接口；具有簡單操作性，能夠通過學習快速掌握使用要領，搭建電氣控制系統(tǒng)；具有可靠性，能夠在復雜的氣象環(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。通過后續(xù)國產(chǎn)PLC在各行業(yè)領域的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣工程自動化領域工控成本的降低、控制效率提升及穩(wěn)定化運行的應用目標。

PLC技術在電氣自動化控制中的應用

1.步進順序控制在PLC上的應用在大型自動化生產(chǎn)線建設中，自動控制系統(tǒng)主要包括：計算機控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、運動旋轉(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的控制解決方案。而考慮到自動化生產(chǎn)線運行過程中，在常規(guī)情況下控制流程及控制順序相對固定，以及投入運行費效比的前提條件下，按照流程圖表進行步進階梯設計從而選擇PLC技術應用在系統(tǒng)的順序控制中，能夠有效解決這一問題。同時，選擇PLC技術在生產(chǎn)線上進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，隨時進行在線工藝更改，使自動化生產(chǎn)線在運行過程中充分發(fā)揮設備的最大性能，同時還能夠提升設備運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)定良好地運行。2.模擬量PID控制在PLC上的應用工業(yè)自動化生產(chǎn)過程需要對壓力、電流、電壓、溫度進行控制。國產(chǎn)PLC采取專用模擬量控制單元進行處理，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關系設定分辨率，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)過浮點數(shù)運算轉(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，形成給定偏差后進行PID運算，從而驅(qū)動PLC輸出端口進行脈沖輸出。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)濟效益要好，同時這種方式的運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)的模塊化設計也起到了充分的提升。3.PLC技術在運動控制中的應用運動控制系統(tǒng)是以直流伺服電機、永磁交流伺服電機與步進電動機為控制對象，以控制器為核心。在控制理論指導下組成的不同的電氣自動控制系統(tǒng)。控制器主要包括：基于計算機標準總線的運動控制器、嵌入式結構的運動控制器、PLC運動控制器。目前PLC運動控制器主要應用于工業(yè)自動化領域。PLC運動控制器根據(jù)運動控制的參量規(guī)劃運動模型針對運動模型進行數(shù)學解算，計算結果形成PLC控制器內(nèi)部脈沖程序段，最后脈沖輸出形式驅(qū)動步進或伺服驅(qū)動器使執(zhí)行機構進行旋轉(zhuǎn)、直線移動等方式，實現(xiàn)單軸運動解決多軸聯(lián)動的傳動控制問題。

PLC技術在目標指向系統(tǒng)中的運用方案

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點數(shù)從16~48點，可支持7個擴展模塊，通過組網(wǎng)方式可實現(xiàn)總點數(shù)超萬。全系PLC分為經(jīng)濟型本體模塊、標準型本體模塊、混合型本體模塊、擴展模塊。N80系列PLC技術能夠?qū)χ噶钸M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.目標指向控制工作原理及組成目標指向系統(tǒng)依托直線軌道式運動機構，提供輻射強度可調(diào)節(jié)的點源目標，與位標指向分系統(tǒng)及反饋傳感系統(tǒng)形成自動化閉環(huán)指向控制，確保輻射源目標在行進過程中始終與測試系統(tǒng)對準。目標指向系統(tǒng)主要包括：工控機、PLC控制單元、輻射源溫控分系統(tǒng)、光學投射系統(tǒng)、位標指向分系統(tǒng)及直線運動載車組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。3.控制系統(tǒng)設計本系統(tǒng)采用上位機和下位機組合控制方式，上位機采用研華品牌工控機，用于發(fā)送載車直線運動運動指令、溫度控制指令，并接收下位機反饋的運行狀態(tài)信息；下位機采用國產(chǎn)矩形公司N80系列PLC，實現(xiàn)控制指令解算并驅(qū)動執(zhí)行機構，進行插補運動，同時反饋狀態(tài)信息。系統(tǒng)控制原理框圖如圖2所示。（1）運動單元設計首先要確定目標指向系統(tǒng)與被測試件的位置關系，然后通過組建的控制系統(tǒng)解決測試過程中光學系統(tǒng)光軸與被測工件光軸始終匹配對準問題。目標指向系統(tǒng)與被測試件的位置轉(zhuǎn)角變化示意如圖3所示。運動單元主要包含：N80-M48DTPLC控制器、步進驅(qū)動器、執(zhí)行電機、位置傳感、距離傳感及控制嵌入軟件。由圖3可以看出，載車直線運動與被測試件之間的空間位置變化，當被測試件與X軸及Y軸距離固定后，當Z軸距離發(fā)生變化時，光學系統(tǒng)光軸的方位角和俯仰角均需要調(diào)節(jié)，因此需要設計補償機構，使載車直線運動過程中，通過調(diào)整位標指向系統(tǒng)的方位角、俯仰角使光學系統(tǒng)的光軸，在行進過程中與被測試件對準。因此本系統(tǒng)設計是通過PLC控制單元針對直線運動、方位角度及俯仰角度的空間運動進行插補數(shù)學模型建立從而實現(xiàn)光學系統(tǒng)光軸空間指向功能。經(jīng)設計，本系統(tǒng)指標主要情況如下：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°；位標跟蹤偏差≤0.1°。（2）輻射源溫控器設計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。能夠按照設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)部溫度設定參數(shù)進行比較求差，進一步確定控制固態(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。（3）測試軟件設計測試軟件使用VC++開發(fā)工具編寫，采用面向?qū)ο蟮哪�塊化程序設計方法，測試軟件具有標準Windows風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、直線運動控制管理、通信管理及目標位置顯示區(qū)。其中菜單欄、工具欄及運動控制管理區(qū)提供了部分操作命令的快速執(zhí)行方式；目標捕捉控制區(qū)用于測試過程中對位標相機圖像的采集及參數(shù)設置，運動控制管理區(qū)用于向下位機發(fā)送控制指令，接收下位機反饋狀態(tài)。測試軟件的界面友好、操作簡單，界面如圖5所示。

結束語

隨著科技的進步，電氣控制技術日趨完善，PLC技術操控靈活高效、穩(wěn)定可靠，模塊化組合及分布網(wǎng)絡控制的工控特點，獲得了工業(yè)自動化業(yè)界的好評，并且在軍工領域及民用智能化家居控制系統(tǒng)中已開始逐步應用。在這場工業(yè)智能化的浪潮中，國產(chǎn)PLC技術一定會在電氣工程自動化應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