PLC 技术在自动化控制系统中的应用分析

杨彦伟

（咸宁职业技术学院，湖北 咸宁 437100）

1 PLC技术的相关分析

1.1 基本定义

PLC可定义为“可编程控制器”，是针对工业环境设计的电子装置。PLC 技术在具体应用中是利用具有“可编控制程序”作用的存储系统，执行自动化系统中的顺序运算、逻辑运算指令，根据指令输出、输入控制信号，起到控制各类设备、生产机械的作用。

在科学技术飞速发展的今天，PLC 技术得到了进一步的完善，在处理速度、运算性能、控制功能等各方面都有所强化，推动了自动化控制系统的日臻成熟。目前，自动化控制设备已被广泛运用于各行各业之中，对我国经济建设发展起到了重要的推动作用。针对自动化设备的工作模块，PLC 技术在现场总线控制系统和集散控制系统中得到全面应用。在科技水平不断提升的今天，PLC 技术控制系统已经从基层性系统转变为一种全新的、开放式的全分布控制系统。

1.2 组成结构

CPU、通信接口、存储器属于PLC 的核心结构。其中CPU 具有接收数据、执行程序、环境诊断等功能，主要起到指挥的作用。存储器主要用于存储用户程序和数据、系统程序和数据。通信接口能够和其他设备进行信息交换，包括输出接口、输入接口两种，其中输入接口可接收控制设备的信号，并借助输电线路、光电耦合器件控制内部电路的断开、接通；输出接口则是在控制程序运行时，控制外部负载，使其根据指令进行断开、接通[1]。

1.3 常见分类

按照PLC 的结构形式，可将其分为整体式、模块式、叠装式三种。小型PLC 多属于整体式结构信号，会将I/O 通信接口、电源、CPU 集中在同一机箱内。大型PLC、中型PLC 多属于模块式，具有可拓展性。叠装式是整合模块式、整体式PLC 的优势，通过电缆连接的方式，让系统的功能模块能够独立配置，且体积小巧、设计灵活。

1.4 PLC技术的特点

关于PLC控制系统的运用，传统机械触点继电器变更为辅助继电器。辅助继电器的节点变位持续时间短，无需考虑传统继电器返回系数，进而使得PLC 技术的反应速度大幅提升。PLC控制系统抗干扰性能优良，具有较强的可靠性，在不同复杂程度的工业环境中均能有效适应。PLC 控制系统的程序设置简单、灵活，与人机界面相配合，可以将程序控制界面更直观、形象地展现在技术操作人员面前，从而提高现场操作人员的工作效率。此外，PLC 控制系统适应性强，配套体系较为完备，功能完善，有较好的应用价值。当前PLC的发展重点集中在两大方向，一种是向小型化方向发展，制造成本更低，操作简便易行，适应小型自动化控制设备。另一种则是向大型化方向发展，功能更加全面，应用范围拓宽，性能更稳定可靠，最终可实现一台电脑操作整个工厂的自动化系统。

2 自动化控制系统中PLC的技术优势

PLC 的技术优势主要体现在“集中采样”“指令信号集中输出”等方面。比如在同一扫描周期内，系统会在自动化采样阶段扫描系统指令输入状态，进入控制程序，执行控制指令后，自动封锁输入端。集中输出指令信号时，系统在PLC 技术的支持下，将输出通信信号、输出状态自动存储在“寄存器”和“锁存器”内，刷新输出接口，使系统具有较强的抗干扰能力，确保系统运行的可靠性[2]。

PLC 技术可满足自动化系统的循环扫描需求，在一个扫描周期内执行系统的多个操作。但是具体开发PLC 自动化系统时，还应基于功能模块设计，明确系统内位置开关、传感器、转换开关、按钮等输入设备，以及电磁阀、信号指示灯、接触器、执行器等输出设备。同时根据I/O 点数，分配I/O，使输入、输出设备执行系统控制指令。PLC（可编程控制器）的连接、对应关系如图1所示。

图1 PLC自动化控制系统输入、输出模块的关系图

3 PLC自动化控制系统的整体设计

系统设计是PLC 自动化控制系统的重要设计环节，影响着系统运行的安全性和稳定性，主要设计内容如下。

3.1 流程设计

按照自动化控制系统的功能需求，设计系统的功能模块，并根据设计流程对系统进行调试，无误后可投入使用，基本流程如图2所示。

图2 PLC自动化控制系统设计流程图

3.2 输入电路设计

基于PLC 技术，自动化系统的供电电源通常为AC85-240V，电源设计适用范围较广。但是为保证系统的抗干扰性，还应在输入电路设计中增设电源滤波器、隔离变压器等电源净化元件[3]。其中，隔离变压器是基于“双隔离技术”，将变压器的次级线圈屏蔽层接PLC 输入电路，可避免系统受到高低频脉冲的干扰。PLC 输入电路电源带负载时，应提前核算系统电源容量，预防短路，必要时可将电源容量设计为实际输入电路功率的2 倍，并在电源装置中加装熔丝。

3.3 输出电路设计

根据PLC 自动化控制系统的输入频率，选择输出设备。若系统输入频率小于6 次/min 时，可用继电器作为输出设备，对于高频输出的PLC 自动化控制系统，则需使用晶体管输出。PLC 输出带有电磁线圈时，这类感性负载断电后会冲击PLC 的输出情况，所以需要接续流二极管，吸收电磁线圈的负载，并接电路，保护PLC。

4 PLC技术在自动化控制系统中的具体应用

4.1 开关量控制

自动化控制系统中，PLC 的开关量控制尤为灵活，可控制的输入、输出点数最高可达几万点，并且由于该系统具有联网通信功能，所以点数规模不受限制。PLC 控制系统开关量的主要逻辑程序较多，包括组合程序、即时程序、延时程序、随机控制程序等。另外，PLC 的本质是可编程控制器，所以自动化系统的硬件结构、软件程序、功能模块设计非常灵活，可结合实际情况，编写多套、多组程序，满足不同领域的生产需求[4]。比如在工业领域，PLC 可针对工业生产的实际工况、生产状态设计自动化系统的控制程序。

4.2 模拟量控制

PLC 同样可用于自动化系统内模拟量的控制，包括系统的电压、电流、温度、压力或其他物理量。PLC 可作为“控制型电子装置”，控制系统模拟量。模拟量控制过程中，PLC 技术可自动配置转换模拟量、数字量的特殊I/O 单元，即A/D、D/A 单元。

A/D单元能够将自动化系统外电路模拟量转换成数字量，输入PLC 控制程序后，使其应用D/A 单元转化数字量，成为模拟量后再次输送给外电路。A/D、D/A 单元属于较为特殊的I/O 单元，具有交换信息、灵活转换系统电路模拟量的作用，能够协助系统抗干扰、隔离内外电路。A/D 单元中的A 表示模拟量控制中的电流、电压、温度。D/A单元中的A一般表示电压和电流。自动化控制系统中，PLC的A/D、D/A单元对电压、电流的控制范围包括0～5 V、0～10 V、4 mA～20 mA，可以多路控制系统模拟量[5]。一些中型、大型PLC 在基础转换的前提下，还能够对模拟量展开浮点运算、下达PID 指令，控制模拟量偏差。

PLC 控制模拟量时，同样可联合应用A/D、D/A的组合单元以及PID、模糊控制算法确保系统内模拟量的控制效果。

4.3 网络通信控制

PLC 具有较强的联网、通信功能，能够适应自动化系统中的新联网结构，使其和个人计算机实现通信。随后由个人计算机设备参与系统编程、管理控制，扩大PLC 的使用场景。不仅如此，PLC 可以对多台计算机进行控制，最多可达32 台，自动化系统借助PLC 和计算机系统连接后，可以更灵活、全面地管理PLC 程序。也可以将PLC 和2 台计算机系统连接，使其在通信过程中及时交换信息，便于自动化控制系统对设备的监控和管理。

基于PLC 的联网通信功能，PLC 自动化系统能够和智能仪器、变频器等执行装置、网络通信系统、系统数据库进行通信数据交换，使自动化系统具有“远程控制”功能，能够在10 km 以上的范围内形成局部网络PLC，连接更多高端计算机、智能设备和PLC 网络，满足自动化控制系统运行期间的通信、信息交换需求[6]。比如，在工业生产领域、电气控制领域，PLC 的网络和通信功能可以应用在该领域的自动化控制系统中，开发计算机集成制造系统、智能工厂、智能化电气控制系统，让自动化控制从点到线再到面（Aero），从单一的设备控制到生产线、管理控制。

4.4 运动控制

PLC 在自动化系统中的运动控制优势非常明显。一方面，PLC 可高频率地接收“计数脉冲”，或是多路接收频率为1 kHz～90 kHz 的脉冲。在此基础上，自动化系统可凭借PLC 对脉冲的接收、输出功能及其数据处理、运算的能力，控制机械设备，同时配合各类传感器、脉冲伺服设备，拓展系统对各类设备的控制范围[7]。另一方面，高、中档的PLC 装置能够协助自动化系统开发NC 单元、运动单元，使系统对某一设备进行点位控制。在运动单元的支持下，自动化系统可利用PLC 装置的曲线插补功能，控制设备曲线运动。因此，随着自动化系统应用场景的增多，相关企业可基于PLC 技术，配置NC 单元、运动单元，在控制数字量、模拟量的基础上，重新开发编程语言，对设备机械进行数字控制、曲线控制。

PLC 机械能在运动控制时，监控设备的不同部件，评估自动化系统以及各类机械设备的运行状态、运动轨迹。在此期间，PLC 可以按照设备运行参数的变化，掌握设备状态，集成处理设备，管理设备损耗，发现设备部件受损、设备故障后快速定位，及时更新、处理设备部件。

本文以PLC 电气自动化系统为例。PLC 技术的应用有利于提升电气设备、系统的运行效率。比如在对电气设备进行运动控制时，PLC 控制器可控制电气设备的曲线运动、直线运动。采集设备运行数据时，可通过电子扫描自上而下地扫描电气设备，记录电气设备数据、运行状态。将相关数据存储到系统I/O 映像的对应单元后，由系统输出执行指令，分析RAM存储区域内设备的实际情况。另外，由于PLC 技术可应用在伺服电机、驱动步进电机中，所以电气自动化控制系统可利用PLC 的运动控制功能，开发机械制造、机器人运动控制系统[8]。

4.5 数据采集

自动化控制系统中，PLC 技术能够在系统的现场控制中提供数据采集服务。即应用PLC 采集现场模拟量，并在触摸屏的支持下远程操控系统程序，实时监测设备相关数据，调整设备参数，以电气自动化控制系统为例。

在电气自动化控制系统中，PLC 技术可通过矢量、闭环控制，满足系统监测电气设备、电气系统的需求，同时通过PLC 冗余控制器、PLC 冗余系统，控制高危险性的电气设备，监测该类设备的运行状态，定期向用户提供预警信息[9]。开发电子自动化系统时，PLC 技术可应用于副斜井提升机电控系统内，构建双PLC 系统，分别提供PLC 主控服务、PLC 电子监控服务，用双线控制的技术模式维护电控系统安全运行，实现电气系统的数字监测、自动化通信管理。

将PLC 冗余技术应用于自动化电气控制系统时，PLC 作为可编程控制器，能够对系统内的软件、硬件进行冗余控制，监控管理系统。同时以系统上位机为核心，分别控制系统信号系统、变频器、PLC 系统控制器，打造集成化的PLC 电气自动化控制系统。比如，在电气生产中，PLC 电气自动化系统能够维护电气生产中副斜井提升机的可靠性，即在I/O 端口，精确下达电控指令，自动控制提升机的“上升启动”“动力制动”操作，同时监测提升机运行速度，发现超速后预警、显示超速信息，并进行自动化调速[10]。

技术原理是PLC 会接收系统发送的脉冲信号，然后使两段电阻连接主电路，让提升机自动减速，减速后爬行。PLC 技术可减少减速控制指令对提升机造成的冲击，提升电控系统自动化控制水平，降低设备故障率，增强系统控制模块的灵活性、可靠性。

5 结语

综上所述，在自动化控制领域，PLC 技术多用于电气控制及其他领域自动化系统的开发中，该技术能够进一步完善自动化系统的功能模块，增强其智能化程度。但不同应用场景的自动化系统，PLC 的技术优势有所差异，还需结合实况，详细分析PLC 的数据采集、运动控制、现场控制等功能，合理开发PLC 自动化控制系统，以提升我国电气控制、工业控制的智能化水平，助力我国社会经济的可持续发展。