PLC在机械电气控制装置中的运用研究

周燕

摘要：本文深入研究了可编程逻辑控制器（PLC）在机械电气控制装置中的运用。通过详细介绍PLC的定义、组成、工作原理及编程语言，本文展示了PLC如何有效地提高数控机床、工业机器人和自动化生产线的控制效率和准确性，探讨了PLC在机械电气控制系统中的应用以及随着技术发展PLC在未来自动化控制领域的发展趋势，指出了PLC技术在提高生产效率、降低成本、增强系统灵活性方面的重要性。

关键词：PLC；机械电气控制装置；数控机床；工业机器人

引言

随着工业自动化标准逐步提升，原有的机械电气控制系统已无法胜任现代工业高效精确的需求，借助可编程逻辑控制器（PLC）的高度灵活性、稳定性和便捷编程功能有助于提升机械电气控制系统的性能。

一、机械电气控制装置概述

（一）机械电气控制装置的定义

机械电气控制装置是指应用在机械设备上的电气控制系统，它利用电气元件按照一定的逻辑关系对机械设备进行控制和监视，实现机械设备自动化运行。机械电气控制装置主要由控制部分和执行部分两大部分组成。控制部分负责按照预定的程序对执行部分进行指令控制，执行部分则根据控制指令驱动被控对象（如电机、气缸等）完成相应的动作。传统的机械电气控制装置采用继电器、计数器、定时器等元器件构成逻辑控制电路，工作可靠但布线复杂、调试困难、扩展性差。

（二）机械电气控制装置的作用

机械电气控制设备在当今工业生产领域扮演着关键角色，自动化控制具备提高生产效率及产品质量、以及缓解人工劳动压力的优势，能根据工艺要求对设备进行监测与防护，确保设备处于稳定、安全的运行状态，程序化和规范化的生产工艺也有利于质量控制和生产管理，更为重要的是一些先进的控制系统还增设了数据采集与工艺优化等功能为企业决策提供有力支持。

二、PLC的基本概念及工作原理

（一）PLC的定义及组成

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称“PLC”）是一种专用于工业生产环境的数字运算操作电子系统，它采用一种类似于电脑的操作方式以指令语句为程序依据，通过循环扫描的方式对输入量进行逻辑运算处理，然后将处理结果输出到被控对象，实现对生产过程的自动化控制，PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入／输出（I/O）接口、编程终端等部分组成，CPU负责执行控制程序和处理指令，存储器存储用户程序和数据，I/O接口与被控对象连接实现信号传输，编程终端用于编写和修改控制程序。

（二）PLC的工作原理

PLC控制系统的工作原理主要包括四个步骤：首先，经由输入接口将现场的工艺参数和设备状态以开关量或模拟量的形式输入到PLC系统；其次，PLC的CPU根据用户预先编写并存储在存储器中的程序对输入量进行逻辑运算，产生相应的输出结果；然后，PLC通过输出接口将输出结果转化为相应的开关量或模拟量输出到控制对象，最后现场的控制对象（如电机、阀门等）按PLC的控制指令工作，在PLC的自动化控制下实现预期的工艺生产任务。该过程周而复始，形成一个反馈闭环控制系统。

（三）PLC编程语言

PLC编程语言是完成PLC控制程序编写的专用语言，主要有梯形国（Ladder Diagram，LAD）、指令列表（Instruction List，IL）、功能块图（Function Block Diagram，FBD）等几种标准语言。

三、PLC在机械电气控制系统中的应用

（一）数控机床控制系统

1.PLC在数控机床中的作用

数控机床作为现代工业加工业中的主力军，其自动亿控制系统则是确保其高效稳定运行的核心，在该系统中PLC起着举足轻重的作用，PLC负责数控机床各类辅助功能的控制包括主轴启动、冷却液供给、工件装夹以及机床安全防护等，这些都是数控加工至关重要的补充环节，需要以极高的精确度和可靠性来执行，PLC还承担着对装置组件的运行状态监测和故障诊断工作若发现异常状况或故障，它将会立即采取系统保护措施并发出警报力求避免造成严重损失，PLC还负责控制数控机床与其他配套设备间的联锁操作，如机床与车床料架、机械手的协同作业均由PLC负责协调及掌控。

2.PLC控制系统的设计

数控机床PLC控制系统的设计通常遵循模块化、分层次的原则，系统硬件主要包括CPU模块、电源模块、输入，输出模块等，其中I/O模块负责与现场设备的连接和通信，软件系统则由底层的硬件驱动程序、系统基本功能模块、用户自编应用程序等组成，在具体的控制程序设计中要对机床系统的功能需求进行分解，将辅助功能单元、安全防护单元、监控诊断单元等按功能模块进行划分。然后针对每个功能模块，按照梯形图等PLC语言形式编写相应的控制程序，实现相关的逻辑控制算法，设计人员要根据现场接线情况，对PLC的I／O点进行适当的分配和地址映射，为提高控制系统的可靠性、安全性和友好性设计时还需要增加相应的冗余备份措施、故障诊断功能和人机交互界面等。

（二）工业机器人控制系统

1.工业机器人控制系统的组成

工业机器人控制系统是一种精密复杂系统，主要由三大部分构成，即机器人本体控制系统、示教编程装置及外围功能控制系统，其中机器人本体控制系统是主体，负责实现机器人的运动控制，其结构包含数字式伺服驱动系统、运动控制器及机器人控制器，伺服驱动系统驱动关节运动，运动控制器执行运动规划和轨迹插补运算机器人控制嚣实施整体动力学分析和控制算祛的实现。示教编程装置是人机交流的关键接口，主要由示教嚣、编程单元等硬件设备和编程软件系统所组成该装置预设了机器人工作的先决条件。外围功能控制系统负责实施除机器人本体控制外的所有辅助控制功能如自动上下料系统、夹具／手爪控制、安全防护系统等，确保整个工作流程能够安全且高效地运行。

2.PLC在工业机器人控制中的应用

数控机床PLC控制系统设计依从模块化、分层级原则，硬件设施主要包括CPU模块、电源模块及输入/输出模块等，其中I/O模块用于现场设备集成及通讯。软件系统则包括底层硬件驱动程序、系统基础功能模块以及用户自编应用程序等，控制程序需依据机床系统功能需求进行分解将辅助功能单元、安全防护单元、监控诊断单元等划分为独立功能模块。针对每个功能模块，采用梯形图等PLC编程语言编写相应控制程序，实现相关逻辑控制算法，设计人员需依据现场接线情况对PLC I／O点进行妥善分配并地址映射确保系统可靠性、安全性及友好性，增加冗余备份措施、故障诊断功能及人机交互界面亦是必要。

（三）自动化生产线控制系统

1.自动化生产线控制系统的特点

自动化生产线是指在生产过程中，采用自动传递、自动操作、自动检测和自动控制等技术手段，使生产过程实现自动流转和连续化作业的生产线系统，相比普通生产线，自动化生产线具有以下几个显著特点：

自动化生产线的自动化程度很高，生产过程中绝大部分工序都由自动控制系统完成，人工干预较少，这极大地提高了生产效率和产品质量的一致性。自动化生产线的灵活性很强，通过控制系统的参数设置和程序调整，可适应不同品种和规格产品的生产需求实现户户通技术提高设备利用率。自动化生产线生产过程可实现全过程监控，系统可自动采集关键工序的参数数据，并对异常情况实施报警和自动处理，确保生产过程可视、可控、可追溯。

2.PLC在自动化生产线中的应用

在自动化生产线控制系统中，PLC扮演着十分重要的角色，由于生产线需控制的对象种类繁多，且各工序之间存在复杂的联锁、串行和并行逻辑关系，这些特点都很适合交由PLC来承担控制任务。

四、PLC在机械电气控制系统中的发展趋势

PLC本身的硬件性能将持续提升，未来PLC将采用更快、更大容量的处理器和存储器，提供更多的编程指令集和功能库，同时还会支持更多种类的现场总线接口，实现与更多设备的无缝连接，硬件平台的升级将大幅提升PLC的控制性能和适应能力。PLC软件系统将更加智能化，实现更为智能的过程控制和优化决策功能，同时软件系统也将更加人性化，操作界面更友好，远程维护更使捷。

结论

展望未来，随着智能制造和工业4.0的进一步发展，PLC的功能将更加强大，应用范围将更加广泛，未来的PLC技术将更加注重与信息技术的融台如云计算、大数据、物联网（loT）等新兴技术的结台以实现更高级的数据分析、远程监控和智能控制，随着人工智能技术的进步，PLC的决策能力和自适应能力也将得到显著提升为实现更加智能化、灵活化的生产梳程提供强有力的支持。