浅谈PLC在工业自动化控制系统中的应用

黄 葵

（广西汉和建筑规划设计有限公司，广西 南宁 530022）

可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controrler，简称PLC）是以微处理器为基础发展起来的，集自动化技术、计算机技术、通信技术、先进制造技术为一体的新型工业自动控制装置。由于其抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，它可以通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、功能强、可靠性高、抗干扰能力强以及应用安装方便等优点，已成为当代工业自动化领域中的主导，是现代工业自动化的三大支柱（PLC技术、机器人、计算机辅助设计和制造）之一。

1 PLC的结构组成

（1）进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调工作的中央处理器。

（2）用于存放系统的监控程序、用户程序、逻辑变量和一些其他信息的存储器。

（3）接口电路。它是 PLC与现场设备以及外围设备的联系通道，如输入/输出接口、键盘/显示接口、通信接口和扩展接口等。

（4）输入/输出电路。输入电路用来对输入信号进行隔离和电平转换；输出电路用来对PLC的输出结果进行放大和电平转换，驱动现场设备。

（5）电源。包括系统电源、备用电源和掉电保护电源等。

2 PLC的工作原理

PLC采用了一种顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即扫描方式。它不同于一般的微型计算机的运行方式，它在一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开时，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等到扫描到该触点时才会动作。通常包括三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新。

2.1 输入采样阶段

在此阶段PLC以扫描的方式顺序读入各个接口的状态和数据，并将它们存入 I/O映像区中的相应单元内。并在用户程序运行阶段和输出刷新阶段保持不变，只有到了下一个周期的采样阶段才会根据实际的变化对I/O映像区作相应的改变。因此若输入的是一个脉冲信号，则必须保证脉冲信号的宽度大于一个扫描周期，才能保证脉冲的有效输入。

2.2 用户程序执行阶段

PLC总是按照由上而下的顺序依次扫描用户程序，在每一条梯形图中，又总是按照先左后右、先上后下的顺序对各触点构成的控制线路进行逻辑运算。然后根据运算结果，对输出点的逻辑线圈在系统RAM中的存储状态或I/O映像区状态进行刷新，而且在本扫描周期内只对排在梯形图下面的线圈或数据起作用，排在上面的线圈或数据只能在下一个扫描周期才会进行刷新，这就是扫描技术的最大特点。

2.3 输出刷新阶段

在一个扫描周期结束后，CPU根据用户程序执行完后 I/O映像区内的各个模块对应的状态和数据对所有的输出锁存电路进行刷新，然后驱动输出电路输出到相应的外设，此时才是PLC一个控制周期的结束。

3 PLC的安装和使用环境

（1）PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）工作环境温度通常在0～55 ℃范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件，冬季时，可开启柜内安装的加热器来保持盘、柜内的环境温度。

（2）为了保证PLC有良好的绝缘，PLC环境湿度应控制在 35%～80%范围内，若环境湿度过大，盘、柜应设计成密封型，并放入吸湿剂，或把外部干燥空气引入盘、柜内。

（3）在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，可将盘、柜设计成密封型结构，且打入高压清洁空气，使外界不洁空气不能进入盘、柜内部。

（4）如果 PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，如果振动来自盘、柜之外，可对盘、柜采用防振胶皮与振源隔开；如果振动来自盘、柜内，则把产生振动的设备移出，单独设置。

4 PLC抗干扰设计

随着工业自动化技术日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，同时，由于PLC主要是集中安装在主控室，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，很容易被周围干扰源干扰而引起控制系统产生错误动作，影响系统的正常工作，因此防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。

4.1 硬件抗干扰设计

4.1.1 供电电源的抗干扰设计

在PLC控制系统中，对于电源线的干扰，只需将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线，一般都有足够强的抑制能力。但由于电网覆盖范围广，电网内部的变化，如大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等均能在电网中形成脉冲干扰，其脉冲功率足以损坏PLC半导体器件，据统计分析，PLC系统的干扰中有70%是从电源藕合进来的。为了抑制干扰，保持电压稳定，常采用以下几种抗干扰方法：①使用隔离变压器衰减从电源进线的高频干扰信号，输入、输出线采用双绞线以抑制共模干扰，一般做法是将初、次级屏蔽层均接地；②用低通滤波器抑制高次谐波。电源输入、输出线应分隔开，屏蔽层应可靠接地。一般是在电源系统中既使用滤波器又使用隔离变压器，但要注意先将滤波器接入电源再接隔离变压器；用频谱均衡法抑制电源中的瞬变干扰。

4.1.2 接地抗干扰设计

接地在消除干扰上起很大的作用，良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件之一，可以避免偶然发生的电压冲击危害。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地线与动力设备（如电动机）的接地点应分开，若达不到此要求，则可与其他设备公共接地，严禁与其他设备串联接地。接地电阻要小于5 Ω，接地线要粗，面积要大于2 mm2，而且接地点最好靠近PLC装置。其间的距离要小于50 m，接地线应避开强电回路，若无法避开时，应垂直相交，缩短平行走线的长度。

4.2 软件抗干扰设计

硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统，但由于干扰存在的随机性，硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外，这时，可以发挥软件的灵活性与硬件措施结合来提高系统的抗干扰能力。

4.2.1 指令重复执行

指令重复执行就是根据需要使作用相同的指令重复执行多次，一般适用于开关量或数字量输入、输出的抗干扰。在采集某些开关量或数字量时，可重复采集多次，直到连续两次或两次以上的采集结果完全相同时才视为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，发出报警信号。在满足实时性要求的前提下，如果在各次采集数守信号之间插入一段延时，数据的可靠性会更高。如果在系统实时性要求不是很高的情况下，其指令重复周期尽可能长些。

4.2.2 数字滤波

在某些信号的采集过程中，由于存在随机干扰而可能使被测信号的随机误差加大。针对这种情况，可以采用数字滤波技术。该方法具有可靠性高和稳定性好的特点，广泛应用于工业计算机测控系统中。此外，数字滤波的常用方法还有：程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法等。

总之，工厂自动化及产品设备自动控制，是以后工业企业发展的一个方向，PLC基于其控制的优势、运用的灵活性及其模块化设计思想等将在以后的工业控制领域中得到充分和大量的应用。

1 王永华.现代电气控制及 PLC应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2003

2 张泽荣.可编程控制原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004

3 王起.论PLC、单片机、工控机在工业现场中的应用及选用方法［J］.广西轻工业，2011（1）