PLC技術的發(fā)展、應用及前景展望

1、PLC技術的發(fā)展、應用及前景展望摘要：PLC具有多種功能和很高的可靠性，這使得它在工業(yè)控制中得到了廣泛使用，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱技術之一。本文簡要敘述了PLC的發(fā)展歷程，詳細介紹了PLC的功能及應用領域，并列舉了相應的應用實例。文章最后分析了PLC將來的發(fā)展，為其進一步應用和開發(fā)提供了參考。關鍵詞：可編程控制器；工業(yè)控制；網(wǎng)絡通信；應用實例Thedevelopment,applicationandprospectofPLCAbstract:TheProgrammableLogicController(PLC)hasvariousfunctionswithhighreliability,th

2、usmakingitbeenusedwidelyinindustrialcontrolfield.Asaresult,PLChasbecomeoneofthemostimportanttechnologiesinmodernindustria-lautomatization.Thisarticlebrieflynarratesitsdevelopmentcourses，detailedlyintroducesthefunctionsandapplicationofPLCandlistsafe-wofexamples.ThefuturedevelopmentofPLCisanalyzedinth

3、eend，whichcouldprovidesomereferenceforfurtherapplicationanddesignofit.Keywords:PLC;industrialcontrol;networkcommunication;applicationexample0引言可編程控制器(PLC)是一種數(shù)字運算與操作的控制裝置1。它是作為傳統(tǒng)繼電器的替代產(chǎn)品而發(fā)展起來的。由于它采用軟件來改變控制過程，并有體積小、組裝靈活、編程簡單、抗干擾能力強及可靠性高等特點，已被廣泛應用于機械制造、電力、造紙、化工、冶金、礦業(yè)、輕工等各個領域，大大推進了機電一體化進程，被人們稱為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支

4、柱之一。就功能方面而言，它已經(jīng)完全超越了最初的邏輯控制、順序控制的范圍，具備模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、高速計數(shù)、速度控制、位置控制、軸定位控制、溫度控制、PID控制、遠程通訊、高級語言編程等功能，因而給我們提供了廣闊的應用前景。1PLC的主要特點1.1 通用性好PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯是以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，因而可通過編程來實現(xiàn)各種控制功能。而傳統(tǒng)的繼電控制系統(tǒng)在需改變控制功能時需重新設計和連線，耗時長、耗資大。1.2 可靠性高一方面，PLC在硬件上采用了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列抗干擾措施，在模板機箱進行了完善的電磁兼容性設計，對元器件進行了精心的

5、挑選；另一方面，它采用了諸如數(shù)字濾波、指令復執(zhí)、程序卷回、差錯校驗等一系列軟件抗干擾措施及故障診斷技術，以及在系統(tǒng)一級的冗余配置等。因而它的可靠性很高，其平均無故障時間可達25萬小時以上。1.3 功能強PLC不僅具有邏輯運算和控制，以及順序控制等功能，而且還具有模擬轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、高速計數(shù)速度控制、位置控制、模擬量調(diào)節(jié)（如PID控制）以及遠程通訊、生產(chǎn)監(jiān)控等功能。例如，它既可控制單臺設備，又可控制一條生產(chǎn)線或全部生產(chǎn)工藝過程；它既可與相同或不同廠家和類型的PC聯(lián)網(wǎng)，又可與上位機通信構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，因而功能強大。1.4 編程簡單，使用方便PLC編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖，它是一

6、種面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程方式，容易掌握。對于企業(yè)中一般的電氣技術人員和技術工人，這種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程方式，與常用的微機語言相比更容易接受。目前，盡管PLC也有用高級語言編程復雜的程序，但梯形圖仍被廣泛使用。2PLC的主要功能及應用領域2.1 開關量的邏輯控制開關量的邏輯控制是PLC最基本、應用最廣泛的領域。由于PLC設置了與（AND）、或（OR）、非（NOT）等邏輯指令，在很大程度上取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，可用于單機控制、多機群控、自動化生產(chǎn)線的控制等等。如：汽車零部件裝配線上的物件輸送以及各工序的加工與動作、電動機的控制、高爐上料系統(tǒng)、

7、電梯控制、港口碼頭貨物運輸控制等，又如：它在注塑機、煙草機械、印刷機械、組合機床、包裝流水線、電鍍流水線等生產(chǎn)和物流控制方面都存在廣泛的應用。2.2 過程控制早期的PLC只具有簡單的邏輯控制功能，現(xiàn)代的PLC功能日益強大，大型PLC都具有模擬量控制單元，具有用于過程控制的各種專用模塊或子程序（如PID控制模塊等）。模擬量過程控制均采用由硬件電路構(gòu)成的PID模擬調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)開、閉環(huán)控制，而現(xiàn)在則選用模擬量控制模塊，使得功能由軟件實現(xiàn)，精度由位數(shù)確定，因而元件不受影響，可靠性高，它容易實現(xiàn)復雜的控制和先進的控制方法。如：A-B公司的1771-CEM可組態(tài)流量計模塊，可用于電力管理、自動化、食品飲料

8、和石油與天然氣中各種流量的測試和控制。止匕外，還有1771-QH力矩控制模塊、1771-TCM溫度控制模塊等。另一方面，它也可以同時控制多個控制回路和多個控制參數(shù)，如：GE公司的PROLOOP過程控制器，可執(zhí)行PID控制、比例控制和級聯(lián)控制，且具有單回路、多回路和自動調(diào)試等三種方式。2.3 位置控制目前大都應用拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸控制模塊進行位置控制。此模塊功能現(xiàn)已廣泛應用于各種機械，如：金屬切削機床、金屬成型機床、裝配機械、機器人和電梯等。2.4 機器人控制隨著工廠自動化網(wǎng)絡的形成，工業(yè)機器人的應用領域越來越廣，機器人的控制同樣可用PLC來實現(xiàn)，如：美國JEEP公司焊接自動生產(chǎn)

9、線上使用了29個機器人。2.5 PLC的網(wǎng)絡特性PLC網(wǎng)絡經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為具有34級子網(wǎng)的多級分布式網(wǎng)絡2。加上配置強有力的工具軟件，使它成為具有工藝流程顯示、動態(tài)畫面顯示、趨勢圖生成顯示、各類報表制作的多功能的系統(tǒng)，在MAP規(guī)約的帶動下，可以方便地與其它網(wǎng)絡互聯(lián)。所有這一切使PLC網(wǎng)絡成為CIMS系統(tǒng)非常重要的組成部分之一。3PLC的應用實例本節(jié)從問題分析、硬件選擇、軟件設計和運行效果的評價幾個方面詳述了PLC的幾個典型應用實例，為讀者展示PLC強大的功能。3.1 PLC在橋式旋轉(zhuǎn)起重機中的應用3變頻器和PLC在橋式起重機控制中的應用是一種隨著科學技術的發(fā)展應運而生的，適應現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)

10、規(guī)模的擴大和自動化水平提高的電氣控制系統(tǒng)。3.1.1硬件基本結(jié)構(gòu)1 .系統(tǒng)硬件控制方面采用一套西門子S7-200系統(tǒng)PLC控制器、主令操作臺進行控制，克服了原控制系統(tǒng)中繞線式異步電機切電阻易燒損和斷裂等故障，造成電機觸頭燒損，電刷冒火影響現(xiàn)場生產(chǎn)和安全，及其調(diào)速方式機械特性較差的缺點。在調(diào)速方面采用西門子MM440變頻器驅(qū)動大車、小車、旋轉(zhuǎn)和主鉤電動機，變頻器和PLC之間進行RS-485通信，并配置相應的制動單元，實現(xiàn)制動能耗消耗，以保護電器元件。起重機操作人員可通過聯(lián)動臺，用程序控制取代繼電器一接觸器控制，以梯形圖語言為編程工具，執(zhí)行PLC預先編寫的程序指令，通過主令控制臺完成變頻器正反轉(zhuǎn)和

11、調(diào)速切換等。2.PLC選型根據(jù)橋式旋轉(zhuǎn)起重機的電控制系統(tǒng)的傳動要求，從經(jīng)濟性、可靠性等方面來考慮，由于橋式旋轉(zhuǎn)起重機電氣控制系統(tǒng)涉及較多的I/O端口，其控制過程相對簡單，因此采用CPU226作為該控制系統(tǒng)的主機，具有24點DC輸入/16點DC輸出點。起重機控制系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸人點比較多，因此除了PLC主機自帶的I/O外，還需擴展一定數(shù)量的I/O擴展模塊。在此采用EM223輸入/輸出混合擴展模塊，16點DC輸入/16點DC輸出型，如圖1所示控制系統(tǒng)輸入輸出點的要求。3.1.2軟件系統(tǒng)設計橋式旋轉(zhuǎn)起重機控制系統(tǒng)由四個基本獨立的機構(gòu)組成：大車控制系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)和主鉤控制系統(tǒng)。用

12、交流變頻調(diào)速技術取代繞線式異步電機轉(zhuǎn)子回路用電阻箱的調(diào)速方式。整個系統(tǒng)有5臺變頻調(diào)速電機。由于大車同步運行，因此兩臺變頻調(diào)速電機共用1臺變頻器控制。小車、旋轉(zhuǎn)和主鉤電動機分別由3臺變頻器單獨控制。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程全部在人工控制下運行，每個設備可單獨運行，也可同時運行，具體PLC梯形圖程序如圖2所示?；疾币粏覬1J大+:旗鹿一1大午后退一10。10-1102103大M匐加迷一:K車T用心S火軍停止一小車左移,b-1小向漱10.410.5iO.6IL0itjai、QO.QQOJ小年期如建-IAiA-一0腦后跑fWY3小車停止一幗號左旗一腳轉(zhuǎn)Ei旋旋忖墩拓速j-!：.：,浦1j.111

13、.3IL4l(,$3LtIIJ12.0111時二12.312.412.51工看以713.0Bt132B.3B.4115134117K014.1Hg金Q0.4：Q0.5Q0.fiQ0.7Ql.O就林植川蝶般鐘停止升降上升J廨卜降一t國純用速-升降停止一大本詢謝賺E-太平吊建限位一小車左曄位小1片i秫限位一.瓣局;賴班1正一底酒心旋瞅位”到單陶第Z一上的下雌他一大七娛讖復檢小車變輔鼎復位.費審闔型位上曲感振腓貨值一ST-200CPU22&+RS小車反向運轉(zhuǎn)觸據(jù).旋轉(zhuǎn)正向達誨儲4需晚忖反向運轉(zhuǎn)礴!器t.K時他轉(zhuǎn)接觸S怕反向的轉(zhuǎn)找觸常小平翊旋發(fā)密1黑IMIL10.iMOlO海、JHHII*Jl$iUl

14、U.S.0HHTHMI-CHHITTTHZI圖標式旋轉(zhuǎn)起重機控制累統(tǒng)的硬件接線圖ai*咽wvIJJ二二-vh/h/h/HIJ3.1.3運行效果12i*MU4WUU.J-MU4W.UU.J上eiH/H/H/1-CjTH卜VD5DIHiADOsiSOMtbqwrvwLQ5鎮(zhèn)17MI.DIXTHCUTrHr.stlnwtMdTM-IN,UDRvio曲一切HOk.7WO|J4型h/hftKIhhU.2LM-JMOO11.5ffHH/H23TvTIM圖2PLC控制梯形圖程序綜上所述，對于棒線廠原料跨電磁橋式起重機PLC的設計是切實可行的PLC控制變頻技術應用到橋式旋轉(zhuǎn)起重機中，通過控制臺控制各變頻電機的

15、速度和制動都可以從實際運行中設定，而且十分快捷。從運行效果來看，設備的故障率大幅下降，變頻電動機燒損明顯減少，同時減少對車間一號高配電網(wǎng)的沖擊。更重要的是在設備檢修時，給檢修人員分析、判斷和排除電氣故障提供了方便，而且檢修排查故障的效率明顯提高，同時現(xiàn)場使用設備維護量減少，提高了起重機的長周期運行時間。此外由于不使用電阻箱啟動，也對節(jié)能降耗起到了積極的作用。3.2 PLC在注塑機電氣控制中的應用43.2.1 注塑機的工藝要求注塑機生產(chǎn)一個產(chǎn)品一般要經(jīng)過閉模、合閘、穩(wěn)壓、整進、注射、保壓、預塑、解壓、開閘、起模，頂出產(chǎn)品等工序。這些動作的完成均由電磁閥控制液壓回路來完成。注塑機的工作方式有手動和

16、自動循環(huán)兩種形式。其自動循環(huán)時的工藝流程如圖3所示。從圖中可以看出，注塑機的控制過程是順序控制。它的工作是從閉模開始rH少步有條不紊進行的，每個工步執(zhí)行指令使電磁閥動作，用行程開關SQ3SQ8和工藝過程時間（T1、T2、T3）來判斷每一步是否完成，且只有當前一個工步完成后才能進入下一工步。除了自動工作方式之外，為了方便設備的調(diào)整及單件產(chǎn)品生產(chǎn)，注塑機還設有手動工作方式。所謂手動，是為注塑機的每一個工步都設置一個按鈕，當某個按鈕按下時，機器就執(zhí)行該按鈕對應的工步動作。士S0L、S0?聞們今闡一4S&iL注射I保延十豆螂壓些模，:千SQ.|起鎮(zhèn)結(jié)束YViYVzYYVbYVsYViYVdVjW4XI

17、X2需X4J(耳演17KLOKL1XI2XHX16X17必切K22123鹿4壯5注6COMJ%Y1YViYbISPLCFK第7即R圖3工藝流程圖圖4PLC輸入、輸出電路圖3.2.2 PLC硬件設計根據(jù)對注塑機自動循環(huán)時工藝流程圖的分析，其輸入信號有安全門開關SQi、SQ2,行程開關SQSQ8,壓力繼電器觸點KP,自動循環(huán)起動按鈕SBi和停止按鈕SB2：,工作方式選擇開關SA（閉合時為自動循環(huán)狀態(tài)，斷開時為手動狀態(tài)），以及各工步手動按鈕SB3SB12。該注塑機的執(zhí)行器件有YViYV8共8個電磁閥。根據(jù)輸入輸出口的數(shù)量，可選擇三菱FX2N-48MR型PLC,交流供電，繼電器輸出（24點輸入、24點

18、輸出）。其輸入、輸出電路如圖4所示。3.2.3 PLC程序設計采用可編程序控制器時，如控制系統(tǒng)按動作的先后順序進行，就非常適宜使用順序控制設計法編程。順序控制設計法就是將一個較復雜的生產(chǎn)過程分解成若干工步，每一步都對應生產(chǎn)過程中一個控制任務，都應有完成相應控制任務的輸出執(zhí)行機構(gòu)和轉(zhuǎn)移到下一工步的轉(zhuǎn)移條件。根據(jù)控制要求,首先繪制用狀態(tài)來描述控制過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，然后把狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖轉(zhuǎn)換成梯形圖。注塑機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。采用步進指令編程，只要啟動、停止及運行的方式處理得當，則在較短時間內(nèi)定能編制出適合控制要求且簡練易懂的程序。該控制方案方便控制系統(tǒng)的設計，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時提高了系統(tǒng)的可靠

19、性。3.3PLC在自動分揀系統(tǒng)中的應用5OY132自節(jié)3-OtsIW-r-OTIY3T3K10圖5狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖6PLC物料自動分揀系統(tǒng)模型隨著電子商務的發(fā)展，人們的消費習慣產(chǎn)生了巨大的影響，推動著物流自動化水平的不斷提高，各種自動分揀機對提高物流自動化水平、提高物流流通效率起到了重要作用。例如圖書配送部的圖書自動分揀系統(tǒng)，物流配送系統(tǒng)輸送線、分揀中心的機械化流水線，大量包裹將通過輸送機在運送過程中通過分揀傳感器實現(xiàn)自動分揀,大型樞紐機場行李處理系統(tǒng)，對客戶行李自動進行分揀處理，這些應用大大降低了勞動力成本，提高了分揀的準確性和效率。由于PLC優(yōu)良的控制性能，在自動分揀系統(tǒng)中得到廣泛的應用。PL

20、C物料自動分揀系統(tǒng)的原理圖見圖6。表1自動分揀系統(tǒng)I/O分配表輸入地址輸出地址序號地址備注序號地址備注1XO停止按鈕SB41Y0料盤電機2XI啟動按鈕SB52Y2機械手左轉(zhuǎn)馳動線圈3X2白檢啟動5H63Y3機械手右轉(zhuǎn)要動線圈4XJ機械手左轉(zhuǎn)限位佶感器4Y4機械手縮網(wǎng)姿渤線圈5X4機械手白轉(zhuǎn)限位傳感器5Y5機械伸出驅(qū)動線圈6X5出料11材廠H6Y6機械尹上升驅(qū)動經(jīng)圈7X6落料口材料檢器棧感甥7Y7機械FF機械手下附8X7合屬物料檢測傳器WY10氣笊松開驅(qū)動線闔qN10白色物料悔君傳感器gYU氣瓶夾緊驅(qū)動線圈10XL1黑色指料檢測傳感器1012氣缸口伸出騾動蛀的11Ml機械手縮回限位傳感耨11Wi

21、氣缸B伸出驅(qū)動線圈12XI3機械手伸出限位傳博舞12VL4，缸（：怦出驅(qū)動好閣13XI4機械手上升限位低感器13YI5狀態(tài)指示燈illJ14XI5凱械手下環(huán)限位傳感器)4Y1fi狀態(tài)指示燈山215XI6氣爪央緊限位傳給券15YI7捱鳴器XI7氣缸注縮回限位傳博器16Y20紅色報警燈17X20氣缸人仲出限位傳能排17Y21綠色報警燈lhX2I氣缸H縮回限位傳慢圈23STF19X22氣Mb伸出限位傳感蹲19Y24STK20S氣缸C縮回限位傷感翳20V25RII2JX24氣缸：伸出限位傳感器21Y26HM22X25方式選擇At122Y27RL白茹料PLC自動分揀系統(tǒng)3.3.1 控制系統(tǒng)硬件電路設計可

22、編程控制器（PLC）按輸入輸出點數(shù)以及CPU功能分為大、中、小三種類型，按其結(jié)構(gòu)又可分為整體式和模塊式PLC。PLC的種類彳艮多，有靈活多變的系統(tǒng)配置，還有許多特殊功能模塊可以選用。根據(jù)系統(tǒng)需要的外部輸入、輸出設備的數(shù)量及功能要求，選擇了小型整體式三菱PLC控制器,型號為FX2N-48MR。物料自動分揀系統(tǒng)硬件電路設計I/O分配表如表1所小。3.3.2 程序設計分揀倉儲工作方式一的順序功能圖設計采用選擇序列順序圖，如圖7所小。3.3.3 應用效果通過表2我們得出結(jié)論：PLC自動分揀系統(tǒng)運用電氣控制原理改變了以手工操作為主的傳統(tǒng)物料分揀方式，使供料。送料更加便捷，并且大幅度縮短了分揀時間，提高了

23、作業(yè)效率nr-R懶I.卜萬明式|干|（中國北科1之0+白4廠）n-i*,）魚叫0=fAMjllSlO|梅I。)!藐|#2l|lL_傳統(tǒng)分揀方法系統(tǒng)_A分揀倉儲搬運廢次品處理廢品檢出率分揀方式時間150件/小!自動時間7000件/小時借助簡單的機械設備進行旋運憑經(jīng)驗手工檢出95%100件/小90秒/件自動100%6000件/小時5秒/件圖7分揀倉儲方式順序功能圖表2傳統(tǒng)分揀系統(tǒng)與PLC自動分揀系統(tǒng)應用效果對比表4PLC存在的問題PLC存在的缺點主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡及協(xié)議，編程雖多為梯形圖，但各公司的組態(tài)、尋址、結(jié)構(gòu)不一致，使各

24、種PLC互不兼容。國際電工協(xié)會（IEC）在1992年頒布了IEC1131-3可編程序控制器的編程軟件標準，為各PLC廠家編程的標準化鋪平了道路60目前，國際電工委員會制定了工業(yè)控制5種標準編程語言（IEC1131-3）,它們是：梯形圖（LD）,適合于邏輯控制；功能塊圖（FBD）,適合于典型固定復雜算法控制如PID調(diào)節(jié)等；順序功能圖（SFC）,適合于多進程時序混和型復雜控制；指令表（IL）,適合于簡單文本自編專用程序；結(jié)構(gòu)化文本（ST）:適合于復雜自編專用程序。5PLC的發(fā)展分析近年，工業(yè)計算機技術（IPC）和現(xiàn)場總線技術（FCS）發(fā)展迅速，擠占了一部分PLC市場，PLC增長速度出現(xiàn)漸緩的趨勢。

25、在某種意義上來講，PLC增長速度漸緩確有其一定的必然性。因為隨著當今工業(yè)控制要求的日益復雜化和精確化，PC等其它一些新的工業(yè)控制技術的發(fā)展，PLC確實將逐漸失去原有的一些市場份額。但是另一方面，當今的工業(yè)控制市場上一些PLC生產(chǎn)商早在十年前就已經(jīng)開始利用IT業(yè)的一些最新的軟硬件成果不斷完善和擴充PLC的功能，使現(xiàn)代意義上的PLC遠遠超越了“邏輯控制”的功能和概念。因而新型PLC的市場潛力是不可估量的，發(fā)展前景廣闊。主要表現(xiàn)在：（1）向高速度、大容量方向發(fā)展。隨著PLC運算能力的不斷提高，PLC在數(shù)據(jù)交換方面的能力和需求也在不斷提高，另一方面，IT技術的飛速發(fā)展使得微型高速存儲設備的容量越來越大

26、，價格越來越低，可靠性卻越來越有保障。越來越多的PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)在使用64M、128M甚至更大容量的Flash存儲設備。（2）品種多樣化。目前中小型PLC較多，為適應市場的需要，PLC要向多品種的方向發(fā)展，特別是向超大型和超小型兩個方向發(fā)展。(3)編程語言高級化、多樣化。隨著PLC系統(tǒng)機構(gòu)的不斷發(fā)展，PLC的編程語言也在朝著多種語言方向發(fā)展。目前，中小型PLC編程語言比較流行的是梯形圖語言，但是新的編程語言還是不斷涌現(xiàn)7?，F(xiàn)在已有部分PLC采用高級語言(如BASIC、C語言等)，如A-B公司的PLCBASIC模塊，可獨立于PLC處理器運行用戶編寫的BASIC語言和C語言?，F(xiàn)階段，面向過程的編程語言將是一個重要的發(fā)展方向。(4)智能模塊將更加豐富多彩。為了適應各種特殊功能的需要，各種智能模塊將層出不窮。智能模塊是以微處理器為基礎的功能部件，它可以與PLC的主處理器并行工作，大大減少占用