工业自动化中的PLC控制技术:创新与挑战

产品分类

联系方式

上海茂育科技有限公司
销售中心：上海普陀区祁安路88-6号
生产基地：上海松江工业园
电话：021-56311657 / 56411696
传真：021-56411696
手机：13918521958
手机：13916286558(陈经理)
业务QQ：65116877 68079708
网址：www.mykejiao.com
邮箱：shanghaimaoyu@126.com

技术文章

作者：管理员发布时间：2024-10-09 10:51:01

　　一、PLC控制技术概述
PLC（ProgrammableLogicController）作为工业自动化的核心设备，在现代工业中占据着至关重要的地位。
PLC的发展历程最早可追溯到1968年，美国通用汽车公司为适应汽车型号不断更新和生产工艺变化的需要，希望有一种新型工业控制器，能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，降低成本、缩短周期。1969年，美国数字设备公司研制出第一台PLC，并在美国通用汽车自动装配线上试用成功。
此后，PLC不断发展和完善。从结构来看，主要分为整体式和模块式。整体式适用于小型、超小型PLC，模块式则适用于中型、大型PLC。如今，PLC已成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
在工业领域，PLC的应用极为广泛。它不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，对控制系统进行监控，还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。例如在冶金、机械、轻工、化工、纺织等几乎所有工业行业，PLC都发挥着重要作用。根据MordorIntelligence的研究，2019年PLC市场价值近40亿美元，预计到2025年将达到43亿美元，年均增长率3.7%，最大的增量来自于汽车制造业。

二、PLC控制技术的工作原理
（一）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。这个过程就如同一位细心的记录员，将外部世界的各种信号准确地记录下来，为后续的程序执行提供基础数据。例如，当一个传感器检测到温度变化时，PLC会在这个阶段将温度信号读入并存储起来。如果输入的是脉冲信号，那么该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中相应单元的状态和数据也不会改变。
（二）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算；然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如，在一个自动化生产线的控制程序中，当某个条件满足时，PLC会根据程序的逻辑执行相应的操作，如启动电机或打开阀门。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的梯形图起作用。
（三）输出刷新阶段
当用户程序扫描结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。例如，在一个工业控制系统中，PLC根据程序的执行结果，控制电机的转速、阀门的开度等。输出刷新阶段完成后，PLC又开始下一个扫描周期，重复上述三个阶段的工作。输入/输出响应滞后现象从PLC的工作过程，可以总结如下几个结论。以扫描的方式执行程序，其输入/输出信号间的逻辑关系存在着原理上的滞后。扫描周期越长，滞后就越严重。扫描周期除了包括输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段三个主要工作阶段所占的时间外，还包括系统管理操作占用的时间。其中，程序执行的时间与程序的长短及指令操作的复杂程度有关，其他基本不变。扫描周期一般为毫微秒级。第n次扫描执行程序时，所依据的输入数据是该次扫描周期中采样阶段的扫描值X，依据的输出数据有上一次扫描的输出值Y(n-1)，也有本次的输出值Yn；所n送往输出端子的信号，即是本次执行全部运算后的最终结果Yn。输入/输出响应滞后不仅与扫描方式有关，还与程序设计安排有关。

三、智能制造时代PLC的新需求与新基础
（一）新需求这市场发展需求
根据Frorst＆Sullivan发布的全球PLC市场报告，PLC市场在多个领域积极发展。目前PLC的装机容量约为5200万台，其中微型PLC占相当数量，预计到2019年将达到6500万台，且大部分将被更换，在未来五年内更换现有的PLC将是PLC市场增长的重要因素。
随着工业物联网的迅速普及以及云服务逐渐进入工业市场，PLC需要直接与MES和ERP等上层管理软件信息系统连接。作为工业物联网的一部分，PLC作为边缘计算变得越来越重要。在具有大量传感器的系统中，PLC可以过滤、丢弃或更有效地重新组装数据，以便传输到云进行存储和分析。当发生关键事件时，PLC可以快速确定正确的响应，向连接的设备发出适当的指令，并在适合云使用的报告中汇总事件。
复杂控制需求
在机器控制领域，需要一些类似于过程控制领域的PID调整、工艺算法，这要求PLC具有优秀的算法设计和处理能力。例如在某些高精度的生产线上，需要PLC能够精确地进行参数调整，以确保产品质量的稳定性。
运动控制应用更加广泛，PLC需要满足电子齿轮、电子凸轮和定位控制的要求，同时需要开发安全和设备安全要求的产品。为满足机器人的复杂路径规划和矩阵变换，需要将CNC和机器人库集成到PLC中。例如在自动化仓储系统中，PLC需要精确控制机器人的运动轨迹，实现高效的货物搬运。
大数据需求
越来越多的传感器用于监控环境、设备的健康状态以及生产过程的各种参数，这些工业大数据的有效收集迫使PLC采用嵌入式PLC。嵌入式PLC可以在现场完成日益复杂的控制任务，大大提高了无缝连接性。
相关控制参数和设备状态可以直接传输到上层系统和应用软件，甚至发送到云端。这样可以实现对生产过程的实时监控和数据分析，为企业的决策提供有力支持。例如，通过对设备运行数据的分析，可以提前预测设备故障，进行预防性维护，降低生产中断的风险。
（二）新基础
SoC芯片在主钟频率越来越高的同时而功耗却显著减小，为PLC的发展带来了诸多助力：
为开发更小体积的PLC奠定了基础。在现代工业生产中，空间往往是有限的，更小体积的PLC可以更方便地安装在各种设备和控制柜中，节省空间，提高设备的集成度。
更高的I/O密度使得PLC能够连接更多的传感器和执行器，实现对复杂生产过程的精确控制。例如，在汽车制造行业，高I/O密度的PLC可以同时监控和控制多个生产环节，提高生产效率和质量。
更多功能的实现使得PLC不再仅仅是一个逻辑控制器，还具备数据分析、故障诊断等功能。例如，通过内置的数据分析算法，PLC可以对采集到的工业大数据进行实时分析，为生产优化提供依据。
四、PLC控制技术在工业自动化中的应用
（一）用于开关量控制
PLC控制开关量的能力极为强大。它所控制的输入输出点数丰富，少则十几点、几十点，多则可达到几百、几千甚至几万点。由于PLC能够联网，其控制的点数几乎不受限制，无论多少点都能进行有效控制。在逻辑控制方面，PLC可以应对多种多样的情况，包括组合的、时序的、即时的、延时的、不需计数的、需要计数的、固定顺序的、随机工作的等等。
PLC的硬件结构具有可变性，软件程序可以编写，在控制时非常灵活。必要时可以编写多套或多组程序，根据实际需要进行调用。这种特性使其非常适应工业现场多工况、多状态变换的需求。在冶金、机械、轻工、化工、纺织等几乎所有工业行业中，都有大量使用PLC进行开关量控制的实例。目前，PLC在开关量控制方面的优势是显而易见的，它能够方便且可靠地实现开关量的控制。
（二）用于模拟量控制
PLC进行模拟量控制时，需要配置A/D（模拟量转数字量）、D/A（数字量转模拟量）单元。这些单元是特殊的I/O单元，具有抗干扰、内外电路隔离以及与输入输出继电器交换信息等特点。
A/D单元将外电路的模拟量，如电流、电压、温度等，转换成数字量后送入PLC。D/A单元则把PLC的数字量转换成模拟量，再输送给外电路。对于不同的模拟量，其变化范围也有所不同，例如电压、电流变化范围多为0-5V、0-10V、4-20mA等，有的还可处理正负值。小型机中，数字量多为8位二进制数，中、大型机则多为12位二进制数。A/D、D/A单元有单路和多路之分，多路会占用更多的输入输出继电器。
有了A/D、D/A单元后，余下的处理都是数字量，对于具有信息处理能力的PLC来说并不困难。中、大型PLC处理能力更强，不仅可以进行数字的加、减、乘、除运算，还能开方、插值，进行浮点运算，有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。可以说，计算机能算的它几乎都能算。这样，用PLC实现模拟量控制是可行的。而且，PLC进行模拟量控制时，还可以将A/D、D/A组合在一起的单元，并可用PID或模糊控制算法实现控制，从而获得很高的控制质量。在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制，这是其他控制器所不具备的优势。
（三）用于运动控制
在实际的物理量中，除了开关量和模拟量，还有运动控制，如机床部件的位移常以数字量表示。有效的运动控制办法是NC（数字控制技术），这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术，如今已很普及且完善。先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过40%-80%，有的甚至更高。
PLC也是基于计算机的技术，且日益完善。它可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹，可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置，则可以依NC的原理实现种种控制。高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。若PLC配置了这种单元，则可以用NC的办法，进行数字量的控制。新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。
（四）用于数据采集
随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。例如德维森公司的PLC，其数据存储区（DM区）可达到9999个字。这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。
数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。也可以用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。PLC还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来。PLC也可与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。这时，PLC即成为计算机的数据终端。电力用户曾使用PLC，用以实时记录用户用电情况，以实现不同用电时间、不同计价的收费办法，鼓励用户在用电低谷时多用电，达到合理用电与节约用电的目的。
（五）用于信号监控
PLC自检信号很多，内部器件也很多，但多数使用者未充分发挥其作用。实际上，可以利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。
例如，可以用PLC定时器作看门狗，对控制对象工作情况进行监控。具体作法是在施加控制的同时，令看门狗定时器计时。如在规定的时间内动作完成，即定时器未超过警戒值的情况下，已收到动作完成信号，则说明控制对象工作正常，无需报警。若超时，说明不正常，可作相应处理。通过这种方式，可以及时发现控制对象的异常情况，提高系统的可靠性和稳定性。在工业自动化中，利用PLC的信号监控功能，可以有效地保障生产过程的顺利进行，减少故障发生的概率，提高生产效率。
五、PLC技术应用案例分析
（一）交通信号灯控制
交通信号灯控制是PLC应用的常见场景之一。PLC通过输出信号控制交通信号灯的亮灭，根据交通流量和配时方案进行切换。例如，采用西门子PLC编程软件TIA博途V16和博途仿真软件PLCSIMV16，可实现交通信号灯的精确控制。动作描述为：现有东西方向和南北方向交通灯，东西方向或者南北方向上的两组灯的亮灯逻辑一致。东西方向红灯10秒，同时南北方向先绿灯亮5秒，再绿灯闪烁3秒，再黄灯亮2秒；反之亦然。整个交通灯由一个总控开关控制，当开关接通时，信号灯系统开始工作。
硬件设备包括一台装有博途及其仿真软件的电脑。I/O分配方面，通过定义输入输出点，实现对交通灯状态的控制。程序编写及思路为，把交通灯程序做成一个功能块，利用定时器自循环一个周期的时间，这里是20秒。然后利用时间的当前值，来判断每个灯的状态。在主程序里调用赋值实际I/O点即可。通过PLC控制交通信号灯，能够实现精确的配时和可靠的运行，提高交通效率。
（二）电机控制
PLC在电机控制中发挥着重要作用。PLC可以通过输出信号控制电动机的启动、停止、正反转和调速。例如，PLC可以控制直流电机的电源和电流方向，实现对直流电机的启动、停止、正反转和速度调节等功能。对于交流异步电机，PLC可以通过变频器或软启动器等设备，实现对电机的启动、停止、速度调节以及过载保护等功能。
在电机控制中，结合变频器可以实现精确控制。变频器能够根据PLC的控制信号，调整电机的频率和电压，从而实现电机的调速。例如，在风机、水泵等设备的驱动中，通过PLC和变频器的配合，可以根据实际需求调整电机的转速，实现节能和高效运行。此外，对于步进电机和伺服电机，PLC可以发出脉冲信号来控制电机的转动角度和速度，实现精确定位和高速度控制。
（三）液体混合系统控制
PLC在液体混合系统控制中起着关键作用。PLC通过输出信号控制电磁阀和搅拌机，实现多种液体的自动混合。例如，在两种液体混合装置中，YV1、YV2分别为A、B液体注入控制电磁阀，电磁阀线圈通电时打开，液体可以流入，YV3为C液体流出控制电磁阀，H、M、L分别为高、中、低液位传感器，M为搅拌电动机。
控制要求为：装置的容器初始状态应为空的，三个电磁阀都关闭，电动机M停转。按下启动按钮，YV1电磁阀打开，注入A液体，当A液体的液位达到M位置时，YV1关闭；然后YV2电磁阀打开，注入B液体，当B液体的液位达到H位置时，YV2关闭；接着电动机M开始运转搅拌20s，然后YV3电磁阀打开，C液体（A、B混合液）流出，当C液体的液位下降到L位置时，开始20s计时，在此期间C液体全部流出，20s后YV3关闭，一个完整的周期完成。以后自动重复上述过程。
通过PLC控制液体混合系统，可以实现精确的液位控制和搅拌时间控制，提高混合液的质量和生产效率。