PLC技术在电气设备自动化控制中的应用

余国毅

（西南大学计信院，重庆 400715）

电气设备自动化运行生产是现代工业发展的必然需求，如何更加有效地实现自动化控制一直是相关科学研究的重点内容。PLC 技术有效改良了传统工控方式，解决了控制过程中存在的诸多疑难和瓶颈问题，极大节省了工业自动化控制的成本，加强了设备的集中管理和自动控制，提高了生产的自动化、信息化程度。虽然目前PLC 的应用技术已经比较成熟和完善，但是随着科技不断进步，PLC 也势必需要寻求进一步的发展。因此加强对PLC 技术在电气设备自控领域的应用研究，对促进工控自动化的行业发展有着重大意义。

1 PLC概述

1.1 PLC技术简介

PLC 为可程序化逻辑控制器，能够进行编程从而实现各种各样的逻辑控制。PLC 是以现代微机技术和继电触控技术相结合为基础逐渐发展而来的一种自控技术。为了实现可程序化这一特点，PLC 通常由内置计算功能的微处理器（CPU），用于存储数据的内存（RAM/ROM）、信息数据进出端子（I/O）、稳定供电的电源模块、网络通信等其他功能的扩展单元组合而成。CPU 是系统的核心，对于采集的数据按照设定程序进行处理，并输出控制信号；储存器分两类分别存放系统程序数据和用户数据；I/O 模块接收信号传给CPU，又将CPU 输出信号转换成驱动外部元件的信号；电源稳压并给整个PLC 系统供电；通讯接口用于与计算机或其他网络设备联机，扩展接口连接其他扩展功能模块，丰富PLC 的功能。

1.2 PLC的分类

从结构类型上大致将PLC 分为3类：①整体式。将CPU、ROM、I/O、电源等部件和各种功能单元全部集中装进一个机箱外壳，这样的结构成本较低，而且空间体积小，往往用于小型PLC 设备。②模块式。是将PLC 按功能和特点拆分成独立模块，按需要类似于搭积木一样选择不同模块组成一个系统，配置灵活多变，方便扩展和维修，一般大、中型PLC 采用这种结构。③叠装式。是将前两者的优势结合，各个部件是独立模块，之间依靠电缆连接，兼具配置灵活和体积小巧的优点。

1.3 PLC的工作方式

PLC 通常采用“顺序扫描，循环反复”的工作方式，即PLC 周而复始地运行，按照顺序逐个执行同一周期内的多个任务。输入采样阶段顺序扫描所有IN 端口，采集数据并存于寄存器中锁存，本周期内不再读入新数据。程序执行阶段按步序执行程序，结果存入寄存器。刷新阶段从寄存器输出结果，对OUT 端进行刷新。可见在同一个周期内，输入和输出状态不会发生变化，需要到下一个周期才会更新，这就造成了一定的延迟和滞后，给一些更新速度要求高的自控操作带来困难。

1.4 PLC的特点

1.4.1 抗干扰能力强，可靠性高

传统继电器控制系统中大量使用各种继电器、计数器等电气元件，由于器件的固有缺陷，如老化、接触不良、触点抖动等问题，极大降低了系统的安全可靠性。PLC 控制系统是使用虚拟的继电器，即由无真实触点的半导体电路来实现电气元件的开关控制，因而故障率大幅减小。此外，PLC 对I/O 端口都采用光耦合隔离，对各个模块都采取了信号干扰屏蔽措施，对电路采用滤波、降噪，多种措施确保PLC 具有较强的抗干扰能力。PLC 自带诊断功能，如超时检测、逻辑检查等，当系统发生异常情况时，PLC 会自动判断故障部件给出信息提升，并可以控制影响范围，提高系统的安全和稳定性。大型PLC 设备通常用于较大的工业生产线，设备数量多，种类繁杂，这时候通常可以利用多处理器构建逻辑系统，增强运行过程的可靠性。

1.4.2 编程简单，设计调试周期短

PLC 是通过程序来进行各种逻辑控制，实现自动化控制功能。PLC 的标准编程有梯形图、指令表、顺序图等多种语言，而且大都简单易学，门槛低容易上手，针对同一功能可以采取多种程序的编写方式来实现，灵活性强，功能丰富。其中梯形图编程基于电气操作原理，与继电器控制系统对应性好，直观易懂，应用最为广泛。此外还可以依据复杂性和难度需要，采用BASIC 语言、C 语言等编程软件进行程序编写，极大地扩展了程序的应用性。PLC 的程序可以方便地存储、移植及再使用，对于某些定型产品所用的PLC程序完善之后，通过拷贝或简单修改就可以运用到同类型产品上，不需要对每台设备都重新编写程序，工作量和设计调试期极大缩减。

1.4.3 安装和维修简便

因为PLC 具有抗干扰能力强，适应性强的特点，所以无需设置专用机房，可以在多种工业现场环境下稳定运行。模块化的设计，使得PLC 组建和安装灵活简单，现场的各种设备与PLC 各个模块对应的端口连接好就可以使用。各种模块上自带工作状态指示装置，并且可以记录故障情况，可以直观地看到设备运行状况和故障信息。诊断出故障后的维修也很简单，可按模块排除故障，只需要进行简单的模块更换就可以解决故障。软件方面的问题，只需要依据实际情况进行程序调整和完善就可以加以排除。

1.4.4 适应范围广，扩展能力强

PLC 厂商针对不同客户，不同的功能需求，提供了相应的功能模块产品，用户只需要根据自身需要的功能和环境特点，选择合适的功能、数量、接口的模块进行组合就能达到设计效果。此外，PLC 提供了多种形式的人机交流的接口模块，满足现代工业对于控制界面的人性化和智能化的要求。为了适应当前网络化信息化发展，PLC 还提供了多种通讯联网的接口模块以适应不同网络组建的需求。通过标准化、模块化的设计，PLC 的应用范围和扩展能力得到了极大增强。

2 PLC技术的应用

2.1 用于开关量的控制

PLC 是通过虚拟继电器来取代实体继电器，所以可以轻松控制大量的开关量，依照设备的体量能够控制的出入点少到几十，多到上万，如果考虑联网控制，可控点数数量可以说是无穷大。对于开关量的逻辑控制可以有顺序、时序、即时、延时、计数、随机等多种方式或者组合方式，灵活多样。PLC 的硬件结构可变可调，软件程序可编写，用于具体的工业环境中，就可以依据工业现场多种工况，状态转换的需求，选择合理的硬件模块，并编写相适应的一套或多套程序，按照需求进行调用，非常灵活方便。目前PLC 相较于其他控制器最大的优势就是可以方便可靠地进行各种开关量的控制，特别适用于如今大规模、复杂精密的各种工业生产电气设备的自动化控制，控制过程反应快、灵活可调、稳定可靠，有助于提升生产效能。

2.2 用于模拟量的控制

工业生产过程中各种电气设备的运行通常需要根据各种变化参数进行调整，按照生产工艺要求控制诸如温度、转速、流量等物理量处在合理区间。这些物理量采集通常是模拟量，需要转化成数字量才能被PLC 处理，所以就需要配置转化模块。常用的转换单元即A/D 和D/A 单元，A 指的是模拟量（Analog），D 指的数字量（Digital），模拟量多为电流或者电压，常用的电压有0～5V 或0～10V，电流一般是4～20mA。小型PLC 数字量多为8位二进制，大中型PLC 常用12位二进制数。PLC 可以对这些数字量进行加减乘除、开方、插值、浮点运算，带PID 功能的PLC 还可以对偏差量进行微积分运算，最后输出计算结果来进行自动化控制。这样一来，PLC 在进行开关量控制的同时，也能够实现模拟量的控制，对于自动化控制的全面性和经济性来说，无疑是具有巨大优势。

2.3 用于顺序控制

以开关量的控制为基础，PLC 可以实现对于电气设备运行顺序的控制，起到顺序控制器的作用。在企业的自动化生产过程中，通常需要不同的电气设备按照工艺要求遵循一定的顺序依次运行，如果顺序发生错乱，自动化生产的效率就会大幅下降，甚至发生错漏故障。传统的继电控制只能进行一些较为简单的顺序控制，如果是面对较为复杂的控制，就需要用PLC编写出形式多样的控制程序来完成。采用PLC 进行顺序控制，逻辑更清晰，过程更简洁，且能够监控程序运行，快速定位问题点，方便维护。为确保PLC程序逻辑性的缜密，通常采用顺序功能图设计法进行程序设计，再转化基本指令（置位、复位）梯形图或者步进指令梯形图、功能指令梯形图。另外，整体性的顺序控制中要注意现场站点、主控站点、远控三级层次之间控制的协调关系，提高系统控制的灵活性和可靠性。

2.4 用于运动轨迹控制

基于PLC 系统能够进行步进电机、伺服电机的单轴或多轴位置控制，进而实现控制运动设备以圆周或直线等轨迹运动。PLC 负责逻辑控制，在运动控制方面能力相对较弱，对于精度要求较高，反应要求灵敏时，运行控制和PLC 的编程就显得较为困难。目前PLC 控制器生产厂家的中、高端产品通常可以选择装备运动控制模块或者数控模块，广泛应用于各种数控机床、自动化机械臂、机器人、电梯等场合，通过这些模块可以较好地进行数控，实现运动轨迹控制的控制。

2.5 闭环控制

自动控制系统通常需要采用闭环控制，PLC 的闭环控制通常是基于模拟量控制的基础上进行的，通过监控的模拟量反馈来修正运行，从而达到闭环效果。在反馈控制系统中，设定的被控制量超出规定区间范围，PLC 就会发出指令执行相应的纠偏程序和动作。在企业自动化运行中常见的模拟量有流量、压力、转速、温度等，通过PLC 的模拟量控制作用，转化为数字量在PLC 系统程序下进行判断，按照判断结果维持现状或者执行动作，达到闭环控制。例如在水泵房的自动控制中，常通过监控泵房液位反馈数据来控制水泵的自动启停和运行时长，如果是变频器控制的水泵还可以依据水位进行变频调速。

2.6 数据采集和联网通讯

PLC 不仅可以在数据存储区保存大量的数据，还可以利用计算机与PLC 建立通讯，将DM 区的数据转到计算机硬盘中进行保存、分析、运用。例如电费能耗、设备工作时长、模拟量的变化数据等，都可以进行保存并导入计算机并进行软件分析，从而得到有价值的管理和决策数据、报表。如今随着网络技术发展，PLC 普遍加强了联网功能，PLC 与计算机，不同PLC 之间，PLC 与智能设备、仪表之间都可以进行联网。这样一来，就可以选用多种网络结构来构建局域网、区域网络，实现设备乃至生产线的远程监视和控制。随着工控网发展，工业智能自动化控制逐渐完成由点到线，再到面的完善，所以PLC 的联网通讯能力是新一代智能自动化技术的基础条件。

3 PLC的发展趋势

虽然PLC 经过多年发展，已经较为成熟，但是随着PLC 应用领域扩张，工业技术进步，PLC 产品结构也在不断改进升级。如今PLC 在产品规模方面，呈现向两极发展的趋势：①小而精，即开发功能更为强大的小型及超小型PLC，以适应单机及小型自动控制的需要；②向大而全发展，即开发高速运行、大容量、技术完善的大型PLC，以满足越来越复杂的自动控制要求。

网络化是自动控制的大趋势，如今4G 和5G 网络的逐渐普及，无线通信技术已经日益成熟，传输速度和能力都能够满足PLC 无线入网的需求。PLC 各大制造商都在改进产品的通信模块和软件以提升PLC的联网性能，与此同时也在协商制定通用标准，以利于构成不同品牌不同产品之间构建更大更全的网络。

PLC 另一个发展趋势，就是更为专业和性能更为出色的模块开发。PLC 模块化的特点是其经久不衰的重要原因之一，通过更为专业和先进的模块，就能够不断完善和拓展PLC 的功能，进一步提升PLC的性价比优势。在PLC 系统上主张开放性和标准化，PLC 系统与PC 系统和移动端系统靠拢，通过提供标准化和开放性的通信模块接口和具有兼容性的系统，将PLC 与PC、PDA、手机等电子设备方便地连接起来，丰富PLC 的功能，也方便程序的编写和运行监控。PLC 软件方面需要对算法进行深入优化，以适应工业4.0生产要求，底层程序封装为简易工具包，实现对于复杂生产工艺流程控制的操作简洁化，并增强人机交互性能。

4 结束语

PLC 技术一直都是工业中电气设备自动化控制的重要技术，即便在如今智能制造升级工业4.0的时代，PLC 也能够凭借其自身的优势继续占据工业自动化控制的大量市场份额。随着科技的发展，PLC 的发展也必然呈现新的特点和趋势，深入研究PLC 的发展和应用，对于促进我国工业自动化转型升级具有重要意义。