PLC技术的发展、应用及前景展望

1PLC技术的发展、应用及前景展望摘要：PLC具有多种功能和很高的可靠性，这使得它在工业控制中得到了广泛使用，成为现代工业自动化的支柱技术之一。本文简要叙述了PLC的发展历程，详细介绍了PLC的功能及应用领域，并列举了相应的应用实例。文章最后分析了PLC将来的发展，为其进一步应用和开发提供了参考。关键词：可编程控制器；工业控制；网络通信；应用实例Thedevelopment，applicationandprospectofPLCAbstract：TheProgrammableLogicController(PLC)hasvariousfunctionswithhighreliability，thusmakingitbeenusedwidelyinindustrialcontrolfield.Asaresult，PLChasbecomeoneofthemostimportanttechnologiesinmodernindustrialautomatization.Thisarticlebrieflynarratesitsdevelopmentcourses，detailedlyintroducesthefunctionsandapplicationofPLCandlistsafewofexamples.ThefuturedevelopmentofPLCisanalyzedintheend，whichcouldprovidesomereferenceforfurtherapplicationanddesignofit.Keywords:PLC;industrialcontrol;networkcommunication;applicationexample0引言可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置[1]。它是作为传统继电器的替代产品而发展起来的。由于它采用软件来改变控制过程，并有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可靠性高等特点，已被广泛应用于机械制造、电力、造纸、化工、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。就功能方面而言，它已经完全超越了最初的逻辑控制、顺序控制的范围，具备模数转换、数模转换、高速计数、速度控制、位置控制、轴定位控制、温度控制、PID控制、远程通讯、高级语言编程等功能，因而给我们提供了广阔的应用前景。1PLC的主要特点1.1通用性好PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，因而可通过编程来实现各种控制功能。而传统的继电控制系统在需改变控制功能时需重新设计和连线，耗时长、耗资大。1.2可靠性高一方面，PLC在硬件上采用了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，对元器件进行了精心的挑选；另一方面，它采用了诸如数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断技术，以及在系统一级的冗余配置等。因而它2的可靠性很高，其平均无故障时间可达2～5万小时以上。1.3功能强PLC不仅具有逻辑运算和控制，以及顺序控制等功能，而且还具有模拟转换、数模转换、高速计数速度控制、位置控制、模拟量调节（如PID控制）以及远程通讯、生产监控等功能。例如，它既可控制单台设备，又可控制一条生产线或全部生产工艺过程；它既可与相同或不同厂家和类型的PC联网，又可与上位机通信构成分布式控制系统，因而功能强大。1.4编程简单，使用方便PLC编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图，它是一种面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程方式，容易掌握。对于企业中一般的电气技术人员和技术工人，这种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比更容易接受。目前，尽管PLC也有用高级语言编程复杂的程序，但梯形图仍被广泛使用。2PLC的主要功能及应用领域2.1开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。由于PLC设置了与（AND）、或（OR）、非（NOT）等逻辑指令，在很大程度上取代了传统的继电器控制系统，能实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制等等。如：汽车零部件装配线上的物件输送以及各工序的加工与动作、电动机的控制、高炉上料系统、电梯控制、港口码头货物运输控制等，又如：它在注塑机、烟草机械、印刷机械、组合机床、包装流水线、电镀流水线等生产和物流控制方面都存在广泛的应用。2.2过程控制早期的PLC只具有简单的逻辑控制功能，现代的PLC功能日益强大，大型PLC都具有模拟量控制单元，具有用于过程控制的各种专用模块或子程序（如PID控制模块等）。模拟量过程控制均采用由硬件电路构成的PID模拟调节器来实现开、闭环控制，而现在则选用模拟量控制模块，使得功能由软件实现，精度由位数确定，因而元件不受影响，可靠性高，它容易实现复杂的控制和先进的控制方法。如：A-B公司的1771-CEM可组态流量计模块，可用于电力管理、自动化、食品饮料和石油与天然气中各种流量的测试和控制。此外，还有1771-QH力矩控制模块、1771-TCM温度控制模块等。另一方面，它也可3以同时控制多个控制回路和多个控制参数，如：GE公司的PROLOOP过程控制器，可执行PID控制、比例控制和级联控制，且具有单回路、多回路和自动调试等三种方式。2.3位置控制目前大都应用拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴控制模块进行位置控制。此模块功能现已广泛应用于各种机械，如：金属切削机床、金属成型机床、装配机械、机器人和电梯等。2.4机器人控制随着工厂自动化网络的形成，工业机器人的应用领域越来越广，机器人的控制同样可用PLC来实现，如：美国JEEP公司焊接自动生产线上使用了29个机器人。2.5PLC的网络特性PLC网络经过多年的发展，已成为具有3～4级子网的多级分布式网络2。加上配置强有力的工具软件，使它成为具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生成显示、各类报表制作的多功能的系统，在MAP规约的带动下，可以方便地与其它网络互联。所有这一切使PLC网络成为CIMS系统非常重要的组成部分之一。3PLC的应用实例本节从问题分析、硬件选择、软件设计和运行效果的评价几个方面详述了PLC的几个典型应用实例，为读者展示PLC强大的功能。3.1PLC在桥式旋转起重机中的应用[3]变频器和PLC在桥式起重机控制中的应用是一种随着科学技术的发展应运而生的，适应现代工业生产规模的扩大和自动化水平提高的电气控制系统。3.1.1硬件基本结构1.系统硬件控制方面采用一套西门子S7—200系统PLC控制器、主令操作台进行控制，克服了原控制系统中绕线式异步电机切电阻易烧损和断裂等故障，造成电机触头烧损，电刷冒火影响现场生产和安全，及其调速方式机械特性较差的缺点。在调速方面采用西门子MM440变频器驱动大车、小车、旋转和主钩电动机，变频器和PLC之间进行RS-485通信，并配置相应的制动单元，实现制动能耗消耗，以保护电器元件。起重机操作人员可通过联动台，用程序控制取代继电器一接触器控制，以梯形图语言为编程工具，执行PLC预先编写4的程序指令，通过主令控制台完成变频器正反转和调速切换等。2.PLC选型根据桥式旋转起重机的电控制系统的传动要求，从经济性、可靠性等方面来考虑，由于桥式旋转起重机电气控制系统涉及较多的I/O端口，其控制过程相对简单，因此采用CPU226作为该控制系统的主机，具有24点DC输入/16点DC输出点。起重机控制系统中使用的数字量输人点比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需扩展一定数量的I/O扩展模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块，16点DC输入/16点DC输出型，如图1所示控制系统输入输出点的要求。3.1.2软件系统设计桥式旋转起重机控制系统由四个基本独立的机构组成：大车控制系统、小车控制系统、旋转控制系统和主钩控制系统。用交流变频调速技术取代绕线式异步电机转子回路串电阻箱的调速方式。整个系统有5台变频调速电机。由于大车同步运行，因此两台变频调速电机共用1台变频器控制。小车、旋转和主钩电动机分别由3台变频器单独控制。根据系统的控制要求，控制过程全部在人工控制下运行，每个设备可单独运行，也可同时运行，具体PLC梯形图程序如图2所示。3.1.3运行效果综上所述，对于棒线厂原料跨电磁桥式起重机PLC的设计是切实可行的。图1桥式旋转起重机控制系统的硬件接线图图2PLC控制梯形图程序5PLC控制变频技术应用到桥式旋转起重机中，通过控制台控制各变频电机的速度和制动都可以从实际运行中设定，而且十分快捷。从运行效果来看，设备的故障率大幅下降，变频电动机烧损明显减少，同时减少对车间一号高配电网的冲击。更重要的是在设备检修时，给检修人员分析、判断和排除电气故障提供了方便，而且检修排查故障的效率明显提高，同时现场使用设备维护量减少，提高了起重机的长周期运行时间。此外由于不使用电阻箱启动，也对节能降耗起到了积极的作用。3.2PLC在注塑机电气控制中的应用[4]3.2.1注塑机的工艺要求注塑机生产一个产品一般要经过闭模、合闸、稳压、整进、注射、保压、预塑、解压、开闸、起模，顶出产品等工序。这些动作的完成均由电磁阀控制液压回路来完成。注塑机的工作方式有手动和自动循环两种形式。其自动循环时的工艺流程如图3所示。从图中可以看出，注塑机的控制过程是顺序控制。它的工作是从闭模开始一步一步有条不紊进行的，每个工步执行指令使电磁阀动作，用行程开关SQ3～SQ8和工艺过程时间（T1、T2、T3）来判断每一步是否完成，且只有当前一个工步完成后才能进入下一工步。除了自动工作方式之外，为了方便设备的调整及单件产品生产，注塑机还设有手动工作方式。所谓手动，是为注塑机的每一个工步都设置一个按钮，当某个按钮按下时，机器就执行该按钮对应的工步动作。3.2.2PLC硬件设计根据对注塑机自动循环时工艺流程图的分析，其输入信号有安全门开关SQ1、SQ2，行程开关SQ3～SQ8，压力继电器触点KP，自动循环起动按钮SB1和停止按钮SB2：，工作方式选择开关SA（闭合时为自动循环状态，断开时为手动状态），以及各工步手动按钮SB3～SB12。该注塑机的执行器件有YV1～YV8共8个电磁阀。根据输入输出口的数量，可选择三菱FX2N-48MR型PLC，交图3工艺流程图图4PLC输入、输出电路图6流供电，继电器输出(24点输入、24点输出)。其输入、输出电路如图4所示。3.2.3PLC程序设计采用可编程序控制器时，如控制系统按动作的先后顺序进行，就非常适宜使用顺序控制设计法编程。顺序控制设计法就是将一个较复杂的生产过程分解成若干工步，每一步都对应生产过程中一个控制任务，都应有完成相应控制任务的输出执行机构和转移到下一工步的转移条件。根据控制要求，首先绘制用状态来描述控制过程的状态转移图，然后把状态转移图转换成梯形图。注塑机的状态转移图如图5所示。采用步进指令编程，只要启动、停止及运行的方式处理得当，则在较短时间内定能编制出适合控制要求且简练易懂的程序。该控制方案方便控制系统的设计，缩短产品的开发周期，同时提高了系统的可靠性。3.3PLC在自动分拣系统中的应用[5]随着电子商务的发展，人们的消费习惯产生了巨大的影响，推动着物流自动化水平的不断提高，各种自动分拣机对提高物流自动化水平、提高物流流通效率起到了重要作用。例如图书配送部的图书自动分拣系统，物流配送系统输送线、分拣中心的机械化流水线，大量包裹将通过输送机在运送过程中通过分拣传感器实现自动分拣，大型枢纽机场行李处理系统，对客户行李自动进行分拣处理，这些应用大大降低了劳动力成本，提高了分拣的准确性和效率。由于PLC优良的控制性能，在自动分拣系统中得到广泛的应用。PLC物料自动分拣系统的原理图见图6。3.3.1控制系统硬件电路设计图5状态转移图图6PLC物料自动分拣系统模型7可编程控制器（PLC）按输入输出点数以及CPU功能分为大、中、小三种类型，按其结构又可分为整体式和模块式PLC。PL