一种PLC过程控制系统装置开发

姚静

摘 要：快速发展的现代工业企业对控制系统处理能力的要求不断提高。以电气控制系统作为研究对象，详细介绍了电气原理及工作流程，对控制系统装置进行了研究。在优化设计控制系统总体方案的基础上，以PLC模块作为重点设计对象，完成了基于PLC的过程控制系统的设计。电气设备通过对电气部件的参数进行确定和计算实现了信号选择，最终完成了基于PLC的过程控制系统的设计过程。可有效提高企业的生产效率，从而为电气设备的稳定运行及综合管理及控制能力的提升提供支撑。

关键词：电气设备;PLC技术;过程控制系统;实现路径

Abstract：The rapid development of modern industrial enterprises has continuously improved the processing capacity of control systems. This paper takes electrical control system as the research object， introduces the electrical principle and work flow in detail. It mainly studies the control system device， and clarifies the optimization. On the basis of the overall design of the control system， the PLC module is taken as the key design object， and the design of the PLC-based process control system is completed. The electrical equipment realizes the signal selection by determining and calculating the parameters of the electrical components， and finally the PLC-based process control system is completed. It can improve the production efficiency of the enterprise， and thus provides a support for the stable operation of electrical equipment and the improvement of comprehensive management and control capabilities.

Key words：electrical equipment;PLC technology;process control system;implementation path

0 引言

不断发展和完善的科学技术为各类产品的生产提供了技术支撑，多样化的市场需求加速了产品更新换代及创新速度，同时也丰富了品种及批量的比重，作为可编程控制器的一种，性价比较高的PLC具备较高的可靠性及简易的代码编写过程等优势，有效满足了程序在线编写的需求，從而能够做到编写过程中问题和错误的及时发现和解决，因此PLC已经在现代社会生产活动中得到广泛应用，在电气控制系统中应用PLC技术，通过结合运用通信网络有效实现了电气开关量的优化和改进，并提高了系统的柔性和可靠性，为电气控制系统性能的优化提供支撑，对发展工业企业具有重要意义。

1 基于PLC过程控制系统的总体架构

目前在现代工业企业控制方面，可编程控制器PLC因具备较高的可靠性、简易的编程及修改方法等优势已得到快速发展和广泛应用，相比于传统的微机和继电器控制系统，基于PLC的控制系统具备显著的优势，有效减少了调试的工作量，其工作环境适应性强提升了抗干扰能力和系统的可靠性，降低了故障率确保了系统的稳定运行，已成为目前国内完善制造业自动化控制的首选方案（包括机床加工控制等）。本文主要对基于PLC的过程控制系统进行了研究，完成了控制系统设计方案的构建，结合使用信息通信网络及PLC控制技术，实现了对工业生产现代化过程的有效控制，使劳动生产率得以显著提升。

本文以构建基于PLC的分布式控制系统为主要研究内容，以完成下位机（由特殊模块构成）同上位机（负责完成SCADA功能）的有效连接，据此实现对设备的监控功能，具体采用分布式控制结构实现基于PLC的过程控制系统，具体如图1所示。系统的网络结构，如图2所示。下位机和上位机分别通过PLC技术和计算机完成设计过程，二者间的通信则通过PLC及RS-232C串口完成，从而实现监控工业现场作业的功能，有效的满足了集中管理和分散控制工业现场的需求[1]。

（1） 采用EtherNet网络完成网络中拓扑结构的构建，生产过程和监控过程通过使用同轴电缆实现相互连接，在此基础上实现工业现场管理的集中化。

（2） 为实现工业生产现场的有效监控，由以计算机为主要构成的上位机负责实现监控功能，其SCADA功能具体采用组态王实现，PLC和上位机间通过使用RS串口完成通信过程。

（3） 为实现对工业生产现场的控制，下位机的PLC选用了C2541 HD型号，开关量及模拟量的输出/输入模块、电源模块、RS串行接口根据实际需要均在PLC中完成设置过程，传感器发送的电流信号主要由模拟量输入模块负责接收，并由其完成电流信号到BCD码数字量的转换，IR111代表模拟量输入的通道地址，具体设置如表1所示。

通道地址的确定通过使用拨号开关完成，系统采用开关为1的AD模块地址，并对应IR110-119的IR区域和DM110-119的DM区域，将转换器（第一路）的工作设置为不保持峰值侧[1]。

（4） 控制通道

系统主要由输入及主要由水泵及变频器组成的输出两个控制通道构成，现场液位信号通过使用液位传感器（投入式）的输入通道即可实现到电流信号的转换，再向PLC模块传送电流信号;传感部分的功能通过传感器（具备高精度压力）完成，实现将压力信号转换为电信号，以确保同液面高度呈正比，从而使系统对相关性能的需求（包括控制精度、稳定性及可靠性等）得以有效满足;PLC的输出控制量通过输出通道能够被有效接收，并实现调节流量的功能，水泵转速的改变通过使用变频器（将电流转换为频率信号）完成，对电动机转速的控制过程则通过交流变频器完成[2]。

2 软件的设计和实现

2.1 监控软件的实现

目前计算机控制在现代工业控制过程中发挥着重要的作用，创建系统需基于同PLC完成以太网创建的计算机控制系统，从而实现显示和监控相关数据的功能，通过在各车间放置一台计算机监控软件，然后由操作入员负责操作和管理完成对自身车间设备的控制，同时在管理者办公室安装一台以便监控生产车间的生产情况，通过安装SQL数据库、组态及通讯软件（MOXA卡）确保了监控软件功能的实现，收集数据的功能通过PLC和计算机同PID仪表相连（通过安装的组态软件）后即可实现，系统界面可全面展现工艺流程。电机和阀门（可自动或手动控制关闭状态）具备报警功能，对工业生产过程出现故障的某一部位会立刻报警。组态软件在SQL数据库中存储相关生产数据及报表，可快速查询现场工况、故障记录、相关报表等。此外，系统通过采用开放OPC端口实现数据到管理办公室的远程传送和接收，实现了生产车间生产情况的实时掌控[3]。

2.2 控制层的实现

生产加工企业的有效控制过程通常由多个公用设备车间及生产车间共同实现，在各生产车间内配置PLC装置，再将远程I/0配置于公用设备车间内，控制层以PLC及OID调节仪作为主要构成部分，CPU通过PLC完成控制网的创建进而实现扩展功能，在此基础上完成对生产车间设备情况的全面控制，完成对温度、流量、压力及重量等的检测，对多个设备（包括阀门电机等）通过开关量及模拟量的输出/输入等模块（位于PLC中）实现相关控制过程（包括控制及检测调节阀）[4]。控制程序的可扩展性通过模块化编程方法的使用得以有效提升。通过脉冲计量仪表的使用完成了脉冲采集模块的创建，具体的高速脉冲信号的过程（主要负责将脉冲数量输送到缓存区），如图3所示。

该模块主要负责采集现场脉冲仪表数据并完成数据的转换，从而实现数据的精准采集，在此基础上实现对生产设备的控制[5]。

工业生产过程的流程只需通过制定启动指令即可实现，设备的自动生产通过系统对相应工艺参数（以工艺需求及生产顺序为依据）进行设置即可实现。自动控制各电机设备的开关状态在生产难以正常进行的情况下（如由意外情况导致）會变为手动控制。本文系统的通信过程采用以太网方式，通过将以太网模块安装于PLC中实现同计算机间的有效通信过程（以TCP/IP协议为依据），使计算机同PLC间的通信流量、速度及安全性得以显著提升，控制层软件的核心代码设计如下（以实现数据库设计为主）[6]。

2.3 控制系统下位机软件的实现

PLC和监控软件需通过下位机软件实现相互通信，在监控及控制软件的基础上完成下位机软件的设计，下位机软件程序则通过使用编程软件OMRON完成具体的编制和调试过程，接下来在PLC中下载调制的程序，控制系统下位机软件实现的关键在于：（1） 上电初始化，主要完成系统初始化清零和设置控制参数初始值（包括RAM、ROM）[7]。（2） 基于实际监控参数和控制器容量对样本进行采集，再将输入的模拟量通过PC机完成转换后实现对平均值的滤波，根据脉冲信号确定采样周期。（3） 信号处理以采集到的原始数据为主，主要由滤波、零点迁移、变换量程及标度构成，信号处理根据实际情况使用相应的控制器。（4） 作为下位机软件的核心算法设计通常使用PID控制、模糊控制算法，根据包括流量和液体的压力特征等在内的实际情况确定控制周期[8]。（5） 控制系统故障诊断，使用PLC（型号为G2254，具有涉及范围较广的自动诊断功能）完成系统的故障诊断，实现对现场控制系统异常情况（包括指令执行有误、端口通信错误、电池电压过低等）的自动检测，再通过连接相应线路实现系统故障信息的获取。以通过IR区的模拟量输入模块（AD003）地址进行反馈完成传感器的故障诊断，以断线检测标志的判断为例，主要以2位16进制的错误代码反应为依据判断故障，对电压信号进行处理，在电压信号低于0.3 V（或电流信号低于1.2 mA）的情况下数据显示为“1”表示传感器出现了断线故障，信号恢复正常时显示为“0”[9]。

以现场水位的控制及故障的诊断为例，主控制程序过程具体如图4所示。

针对ROM、RAM区域完成初始化和参数设置。考虑到采样周期对控制器、检测参数和被控对象的影响，以实际情况为依据对模拟量输入通道及系统采集的原始数据进行处理（包括零点、标度及量程等的变换），才能确保控制器顺利使用这些数据。可通过在编程中引入模糊控制实现控制系统性能的提高，控制规则查询表的创建通过变量附表和模糊控制原则的输入完成，在此基础上实现在线查询功能。

3 总结

本文主要研究了基于PLC的过程控制系统，通过将PLC与SCADA集于一体，实现控制系统的数据采集及监控过程的灵活高效，实际应用结果表明本文所设计的控制系统能够全面的分析和统计设备运行中产生的数据，实现工作过程的全面监控，在确保机床安全生产的同时显著提升了生产精度及效率，实现了控制系统稳定性及生产自动化程度的全面提高，实现整个生产过程的有效控制。

参考文献

[1] 闫秀芳，王志国，高晓辉.PLC基于Modbus通讯的控制系统研究[J]. 制造业自动化， 2018（2）：127-130.

[2] 赵文昊.探究PLC工作原理及其在工业自动化中的应用[J]. 电子制作， 2018（18）：55-56.

[3] 杨瑞龙，郭振华.基于PLC自动化电气控制应用的探讨[J]. 中国战略新兴产业， 2017（24）：139-140.

[4] 张蕾.基于PLC与MCGS的自动门监控系统设计[J]. 自动化技术与应用， 2017（2）：37-40.

[5] 高武.PLC技术在电气工程自动化控制中的应用分析[J]. 电子测试， 2018（16）：93-94.

[6] 于奔淼.基于现场总线下分布式电气控制系统改造的分析[J]. 电子世界， 2018（15）：44-45.

[7] 王成刚，李建海，杨帆.基于组态技术的PLC虚拟控制系统研究[J]. 自动化技术与应用， 2018（7）：82-84.

[8] 寇腾.PLC技术模式下的自动化控制系统集成设计与实现[J]. 电子测试， 2018（14）：82-84.

[9] 王辉，吴晓雪.基于PLC的自动化控制系统的配置及组态分析[J]. 计算技术与自动化， 2018（2）：51-54.

（收稿日期：2019.08.26）