机械电气控制中可编程逻辑控制器技术的应用

杨 帆

（葛洲坝集团机械船舶有限公司，湖北宜昌 443000）

0 引言

电气控制是一个综合性极强的领域，涉及电机及电力拖动、电力电子技术、可编程控制、工厂电器控制设备、过程控制系统、供电系统、单片机及接口技术等等多个专业领域。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是其中一个重要组成部分，目前自动化控制的核心之一就是可编程控制器。机械电气控制中，随着PLC的大量应用使机械电气控制逐步实现自动化，乃至有可能在未来实现智能化，所以PLC是非常关键的一环。

1 可编程控制器

可编程控制器，一般称PLC，在可编程控制器市场来看，PLC是市场上的主流装备。它是作为自动化控制的核心设备所存在的。在目前的工控领域，PLC一直都是核心设备，事先设定好运行程序，辅以相应的传感装置，传动装置，变频装置等，就可在运行程序的操纵下实现自动控制，一般情况下，PLC只要运行正常，与其相配套的设施设备就可以按照设定的程序正常运行，同时PLC的在线诊断功能可以很好地保证整套系统的正常运行。在机械电气控制领域，PLC具备超强的适应能力。

（1）非常高的可靠性和抗干扰能力。PLC的输入和输出拥有各自独立的电源，直接避免出现干扰，而输入模块和输出模块是相互独立的，二者之间采用光电隔离的方式分开。同时内部拥有监控电路，可以实时监控CPU运行状况。主机外部拥有高抗震性，防尘性，内部则采取有效措施控制干扰。随着微电子技术越来越强大，PLC的高可靠性和抗干扰能力还会更强。

（2）强大的通用性，可以轻易根据实际情况进行改造和安装。PLC拥有非常丰富的接口，这些接口可以配置适应各种应用场景的设备和I/O模块，而且模块化的设计模式，使得各类模块可以即插即用，对于机电一体化设备而言是非常理想的装备。正是这种特点决定了PLC的高通用性，衍生出各类适应不同应用场景的模块，按照需求安装，就可以实现各种自动控制功能。在使用PLC的过程中，用户可以按照自己的需求选择适配的模块对PLC进行改造，并且可以对PLC的程序进行调整，这个功能同样可以实现各种控制功能。

（3）PLC拥有强大的功能，可适应多种自动控制应用场景。PLC的基础功能就包括但不限于计时、计数、逻辑控制、人机对话、在线自检等。在精通PLC的人员手下，PLC还可以通过程序的调制实现各种功能，功能十分强大。

（4）PLC编程简单易学，很容易上手。PLC编程采用梯形图，这种编程形式近似继电器原理图，在不懂计算机编程的情况下，也能够比较直观的看懂PLC的程序。

2 PLC的应用模式

从PLC的功能来说，在自动控制当中，PLC的应用模式一般包括开关量控制、闭环控制、运动控制、集成控制等。

（1）开关量控制，这是PLC应用比较普遍的一种模式，即用PLC替换继电器，利用PLC来实现逻辑控制，适应多种应用场景，既能对单台设备进行控制，也能控制一整条生产线，比如印刷机、包装生产线等。

（2）闭环控制，这是一种过程控制方式，也即是模拟量控制，针对的是生产过程当中一些有连带关系的量，比如说速度、温度等，这些量一般称模拟量，它们是处在一定变化中的，在PLC的专用模块中可实现A/D或者D/A之间的相互转化。一般来讲机械运动中一些变量是很容易进行监控的，比如温度、速度，这些变量在工业生产当中就是非常有效的自动控制参数。

（3）运动控制，PLC有一类运动控制模块，这类模块可以实现对直线运动和圆周运动的控制，这类模块可实现对异步电机、伺服电机的控制。在一些高档的PLC中配置有NC（Numerical Control，数字控制）单元，利用数字量，可实现点位控制。

（4）集成控制是在微电子技术大力发展的基础上，PLC朝着微机化方向集成，使其逐渐具备多层控制系统，在结合工业以太网的基础上，可实现PLC与上层PC，以及PLC与PLC之间的集成控制。

3 机械电气控制中PLC的应用

3.1 机械电气控制中的PLC

机械电气控制需要用到很多电气设备，比如继电器。继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动控制电器，例如说速度继电器，它用来反映转速和转向变化，一般用于异步电动机的反接制动控制，同时它一般与接触器配合实现对电动机的反接制动控制。

例如，三相异步电机直接启动控制电路，最简单的控制电路可以用一个刀闸开关控制电机的启动运行和停车。不过实际在机械电气控制当中要实现自动控制，电路中往往需要借助各种开关、继电器、接触器等电器元件（这类电器元件一般称主令电器），这些电器元件可以根据操作人员所发出的控制指令信号实现对电机的自动控制、保护和监测等。

普通车床一般由床身、主轴变速箱、主轴（带卡盘）、挂轮箱、给进箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、丝杆等组成，这类车床采用机械方法调速和反转传动，对主轴电机没有电气调速和反转的要求，而在车削加工时，刀具和工件会出现高温，此时需要一台冷却泵电机来提供冷却液，一般这个电机会在主轴电机启动后启动，停机后则停机，是一种顺序控制。这些控制需要人工手动按按钮或开启开关来实现。

3.2 机械电气控制中PLC应用类型

当PLC进入机械电气控制领域，就成为核心的装备，在机械电气控制当中，一般通过2种方式来实现PLC的自动控制，包括现场总线和集散型控制。

（1）现场总线控制，在机械电气控制中，现场总线控制系统（Fieldbus control system，FCS）本身就是PLC技术的一种比较重要的形式，是实现有效自动控制乃至实现智能化控制的一种有效方式。所有的核心都是PLC，围绕PLC建立通信网络，联通上层管理系统，下层控制动作设备。

（2）集散型控制系统（Distribution Control System，DCS），这类形式在PLC技术的应用中比较常用，可以有效的实现对机械电气控制装置的分散控制，并进行集中管理。这种模式能够最大可能的实现机械电气控制当中危险部分的分离，并由此做好有效的监控。一般这种控制方式，通常所发挥的作用是保证机械电气控制装备的安全稳定，进而实现更加高效的运作。

4 机械电气控制中PLC控制系统的设计

4.1 PLC控制系统设计原则

PLC控制系统不同于机械电气控制中常见的继电器、接触器控制系统，二者之间存在本质区别，继电器、接触器控制系统，本质上还需要人工操作相应的主令电器才能实现对机械的控制。而PLC则是通过相应的控制模块及其控制程序辅以相应的变频设备等，实现对机械的自动控制。所以在设计PLC控制系统时，要充分考虑几个基本原则。

（1）系统要能够实现设备、机械、工艺的全部动作。

（2）要满足设备、机械对产品加工质量及生产效率的要求。

（3）要确保系统安全、稳定、可靠的工作。

（4）要能够使系统结构尽可能的简化，降低生产制造的成本。

（5）要充分提高自动化程度，减轻劳动强度。

（6）改善操作性能，便于维修。

4.2 PLC控制系统选用依据

从经济性上考虑机械电气控制系统在设计当中是否需求PLC，还需要考虑很多的因素，当然从生产转型升级的角度来说，则不需要考虑这些。当预算有限的情况下，就需要考虑PLC控制系统是否具有经济性。在这种情况一般优先考虑呗控制对象是否处于较差的环境，而且工作过程的可靠性、安全性要求高，继电器、接触器控制不能满足要求时，选用PLC。当被控制对象的工艺流程以及所要加工的产品类型经常出现变化，需要经常对控制电路进行修改并且继电器、接触器难以实现时，可选用PLC。当控制系统中I/O点数较多时，且控制要求复杂，继电器-接触器需要用到大量的中间电器元件时可选用PLC。当控制系统需要与其他设备实现实时通信（或联网）时可考虑PLC。

4.3 PLC控制系统设计流程

（1）分析被控制对象、控制过程和要求、工艺流程，列出所有功能和指标后，对比PLC、继电器控制、工业控制系统，确定最佳控制装备。

（2）根据分析得出的结论选择输入和输出设备，确定系统的总体配置。所选输入设备包括按钮、行程开关、选择开关、传感器等。输出设备则包括接触器、电磁阀、指示灯等。

（3）则根据系统总体配置，选取PLC。一般先根据统计的I/O点数加上20%左右的扩展余量，估算I/O点数，并根据数字量I/O点数的15倍左右以及模拟量I/O点数的100倍，加以考虑25%的余量作为PLC存储器容量。然后在选择PLC的功能，包括运算能力、控制功能、通信功能、编程、诊断等。

（4）根据定型的PLC确定电源。

（5）当以PLC为核心的控制系统硬件安装完成后，就需要针对特定的控制功能进行程序设计。一般来说在进行程序设计时，应先绘制系统控制流程图，表明动作顺序和条件，然后设计梯形图，这是程序设计中非常关键也是比较难的一步，对控制要求的熟悉程度必须要求，而且要具备一定电气设计经验。

4.4 PLC控制系统应用案例

例如，工艺要求当启动控制按钮按下时，泵1和泵2通电启动，泵1将循环槽中的冷却液抽入冷却槽中，冷却液再经过沉淀槽沉淀后，由泵2抽入循环槽。循环运行15 min后，2个泵停机。在生产过程当中，即泵1和泵2运行过程中，沉淀槽有高、低2个液面传感器监测液面，当沉淀槽中冷却液液面达到一定高位时，液位高位液面传感器通电运行，此时泵1停机，泵2继续工作。而当沉淀槽液面达到低位液面时，低位传感器发生作用，此时泵2停机，泵1运行。在整个控制电路中停止按钮按下时，双泵停机。

基于上述PLC控制系统设计方面的分析，实验对象中有4个输入点，即启动按钮、停止按钮、高位液面传感器、低位液面传感器。而输出点数为2个，即2个水泵的控制接触器，I/O点数6个。整个控制工艺相对简单，不过这类生产工艺变动较大，并且对扩展功能要求较高，同时对系统可靠性、抗干扰能力要求较高，经过分析后选用PLC。

由上述分析中可知，控制系统有4个开关量输入（即4个输入点），2个开关量输出点，电压基本为交流220 V，驱动功率要求不高，基本不需要考虑额外输出功率，所以不存在模拟输出/输入。因此PLC不需要模拟量输入/输出模块。

据此可配置出系统的相关硬件。并由此开始软件设计。此时先明确动作顺序，启动按钮启动后，输出继电器得电，泵1、泵2启动，定时器辅助继电器得电，设定15 min工作定时，到达15 min后，辅助继电器断电，停止计时，输出继电器断电，双泵停机，而当高液面到达时，泵2延时1 min停机，当到达低位液面时，泵1延时1 min停机。

5 结束语

机械电气控制领域普遍采用继电器、接触器控制电路，在现有的技术条件下，不适应很多工况。而PLC作为自动控制领域的核心装备，对于实现机械电气控制与自动化具有非常好的效果，而且PLC也是后续实现智能化控制的关键。事实上，继电器控制是机械电气控制当中非常基础的内容，它也是实现PLC控制的基础条件。也就是说在机械电气控制中应用PLC，必须要懂得继电器控制的原理，然后才是去精通PLC的配置、程序编制等。所以，在具体的机械电气控制当中，必须要针对被控制对象的相关特性，仔细分析研究，最终确定最优化的控制方案。