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自动化技术在电气工程及其自动化专业中的应用

自动化技术在电气工程及其自动化专业中的应用

——PLC 在电气自动化控制方面的应用
摘要:随着计算机技术、微电子技术以及数字化通信技术的飞快发展,可编程序 控制器(PLC)产品结合类计算机产业中最先进的技术手段以及电气自动化控制 的重要理论, 在其性能指标及功能上进一步完善并丰富, 打破了传统的 PLC 概念, 在电气控制领域的发展范围越来越大。 关键字:可编程序控制器(PLC) ; 电气控制; 应用;发展前景

目录 1.可编程序控制器(PLC)的特点 2.可编程序控制器(PLC)的基本工作过程

3.可编程序控制器(PLC)在电气控制中的应用

4.可编程序控制器(PLC)最新发展动态

5.可编程序控制器(PLC)预测发展前景

6.总结

PLC 即为英文 Programmable logic Controller 的简称,中文又称可编程逻 辑控制器, 是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境应用而设计的。 它 采用一类可编程的存储器, 用于其内部存储程序, 执行逻辑运算, 顺序控制, 定时, 计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入或输出控制 各种类型的机械或生产过程。 该种技术是计算机技术与继电接触控制技术相互结 合的产物,其解决了传统控制系统内接线复杂、可靠性低、耗能高以及灵活性较 差等缺点,因此近年来被广泛应用于电气自动化中。 PLC 反应快。由于 PLC 控 制系统用内部已定义的辅助继电器替换了传统的机械触电继电器,并去掉了原来 的连接导线而代之以内部逻辑关系 ,因此,该类继电器的节点变位时间可以近似 的认为为零,无需考虑传统继电器的返回系数;可靠性强。 该种控制系统的抗干扰 能力远远高于传统继电器技术,能够适合于较为复杂的工业环境;操作简单。 该种 控制技术采用简单的指令形式,往往采用些形象、直观的简单程序来适应现场操 作人员往往参差不齐的电气专业技术。

一.可编程序控制器(PLC)的特点

1. 体积小、重量轻

超小型的 PLC 底部尺寸<100mm,重量<150g,其功耗仅为数瓦。由于其体 积小,很容易装入机械中,便于机电一体化的实现。

2. 实用性普遍

PLC 可适用于各种规模的电气控制场合,除了基本的逻辑处理功能之外,当 前大多 PLC 具有数据运算能力,并可应用于数字控制领域中。近年来,PLC 的功 能日益完善, PLC 的应用已经普遍到温度控制、 位置控制及 CNC 等多个控制领域。

3.

抗干扰能力强

由于 PLC 采用了现代化的大规模集成电路技术,在内部电路、生产工艺等方 面均采取先进的抗干扰处理技术,具有较高的可靠性。另外,PLC 还自备硬件故 障自动检测功能,一旦出现故障即可发出警报。在软件应用中,应用者还可编入 外围器件的自诊断故障程序, 让系统中出了 PLC 之外的电路与设备也能获得自我 保护功能。

4.

应用简单、普遍

PLC 作为直接面向企业的工控设备,具有接口容易、编程语言易于被工程技 术人员接受并理解等特点, 尤其图形符号及梯形图语言、表达方式等与继电器电 路图基本类似, 只需通过 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就能熟练实现在电气控 制中的应用。

5.

维护与改造方便

PLC 通过存储逻辑替代了接线逻辑,减少了控制设备外在的接线,极大减少 了控制系统设计和建造的时间,为后期维护提供了方便,同时程序较易改变,可 极快应用于生产过程的改变。

二.可编程序控制(PLC)的基本工作过程

PLC 及相关外围设备的设计原则应满足“与工业控制系统为一个整体、方便 功能扩展”,所有的电气控制系统的实现都是根据工艺要求,最终提高生产效率

及产品质量。因此,在设计 PLC 控制系统时,应满足被控对象的基本要求,并对 实际工作现场进行研究、收集资料,并实现设计人员与操作人员的密切配合,共 同拟定可操作方案,对可能潜在的问题进行共同分析、共同解决。并在满足各方 控制要求的前提下,考虑控制系统的简单性与经济性,方便后期的使用及维修, 并确保电气控制的安全性、稳定性。PLC 在电气控制中的基本工作过程为:

1.

现场信息的输入:在系统软件的控制下,按照顺序对输入点进行扫描,

并读取输入点的状态。

2.

程序的执行: 对用户程序中的指令按顺序扫描,并根据输入的状态及指

令进行逻辑性运算。

3.

控制信号的输出: 根据以上逻辑运算的结果,输出状态寄存器向各个输

出点同时发出相应的信号,以实现所需的逻辑控制功能。

以上过程完成后,再重新开始,并反复执行,每执行一次即完成一个扫描周 期。 在实际应用时,很多机械设备的工作流程可分为一系列不断重复的顺序动 作,而 PLC 的工作程序恰与其相似,因此 PLC 程序能很好地与机器动作相对应, 且程序的编制简单、直观,易于修改,减少了开发软件的费用,并缩短软件开发 周期。

三.可编程序控制器(PLC)在电气控制中的应用

1. 开关量逻辑的控制

这是 PLC 控制技术中最基本、 最广泛的应用领域。 替代了传统的继电器电路, 并同时实现顺序控制及逻辑控制,既适用于单台设备的控制,也可以应用于自动 化流水线中,如生产线、组合机床、磨床、镗床和龙门刨床等。

2.

控制模拟量

在实际工业生产过程中,会出现很多连续变化的物理量,如温度、速度、流 量、液位、压力等模拟量。这些模拟量可通过数字量之间 D/A 转换和 A/D 转换得 以实现,确保编程器对模拟量实现处理。

3.

集中式控制系统

集中式控制系统主要采用一台功能较强大的 PLC 监视系统、 对多个设备进行 控制,已形成“中央集中式”的计算机控制体系。在该项系统中,每个设备之间 的连锁、联络关系以及运行顺序等都由中央 PLC 来统一完成。可见,集中式控制 系统比单机控制系统的成本低, 更经济实惠。但如果其中一个控制对象的程序需 要做出改变,就要停止中央 PLC 的控制,同时其他控制对象也随之停止运行。

4.

分散控制系统

在分散控制系统中,每一个控制对象都需要设置一台 PLC,每台 PLC 之间能 通过信号的传递而产生内部响应、发令或连锁等,或者可由上位机通过数据通信 总线完成通信任务。 分散控制系统中采取多台机械生产线控制的方式,每条生产 线之间都有数据相连接, 由于每个控制对象都是由自身的 PLC 来控制,所以如果

某台 PLC 运行停止,对其他 PLC 不会产生影响。随着技术的不断进步,目前可由 PLC 承担底层的控制任务,通过网络连接,将 PLC 和过程控制二者结合。

5.

运动控制

PLC 能够对圆周运动或者直线运动进行控制。在控制机构的配置中,过去进 行的为直接应用于传感器及执行机构中,而现在则可以采取专用的运动控制模 块。例如多轴位置的控制模块、伺服电机其单轴、可驱动步进电机等,PLC 可广 泛应用于机器人、机械、电梯、机床等多种场合。

6.

数据处理的应用

PLC 在数据处理过程中,具备数据传送、数据转换、数学运算、查表、排序 及操作等功能,并完成对数据的采集、分析与处理。这些数据可以与存储于 存储器中的数据同时具备参考价值,并完成控制操作。另外,这些数据也可 以通过通信功能的实现而传输到智能装置中,或者打印成表。目前数据处理 多应用于大型控制系统中,如过程控制系统、柔性制造系统等。

由上可见,在指定范围内,可编程序控制器以其高性能价格取胜,并凭借其 适应性强、可靠性高、使用方便等突出特点在自动化控制领域广泛应用。再 加上 PLC 制造成本的不断下降、功能的不断加强,已成为工业企业的首选设 备。

四.最新发展动态

一、PLC 向网络化技术发展。其中有两个趋势,一方面,PLC 网络系统已经 不再是自成体系的封闭系统, 而是迅速向开放式系统发展,各大品牌 PLC 除了形 成自己各具特色的 PLC 网络系统,完成设备控制任务之外,还可以与上位计算机 管理系统联网,实现信息交流,成为整个信息管理系统的一部分。另一方面,现 场总线技术得到广泛的采用,PLC 与其他安装在现场的智能化设备,比如智能化 仪表,传感器,智能型电磁阀,智能型驱动执行机构等,通过一根传输介质(比 如双绞线,同轴电缆,光缆)连接起来,并按照同一通信规约互相传输信息,由 此构成一个现场工业控制网络, 这种网络与单纯的 PLC 远程网络相比,配置更灵 活,扩容更方便,造价更低,性能价格比更好,也更具开放意义。

二、PLC 向高性能小型化发展。PLC 的功能正越来越丰富,而体积则越来越 小。比如三菱的 FX-ON 系列 PLC,最小的机种,体积仅为 60×90×70mm2,相当 于一个继电器,但却具有高速计数、斜坡、交替输出及 16 位四则运算等能力, 还具有可调电位器时间设定功能。PLC 已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运 算的产品了, 而是具有越来越强的模拟量处理能力,以及其他过去只有在计算机 上才能具有的高级处理能力,如浮点数运算,PID 调节,温度控制,精确定位, 步进驱动,报表统计等。从这种意义上说,PLC 系统与 DCS(集散控制系统)的差 别已经越来越小了。用 PLC 同样可以构成一个过程控制系统。

五.预测发展前景

1.

增强抗干扰性。如生产环境过于恶劣,或是电磁干扰异常强烈则也可造

成 PLC 控制系统的运算或是控制错误, 导致在某些生产环节出现错误而不能保证 正常的生产运行,因此,提高 PLC 的可靠性是其未来发展的主要方向,其一方面

要提高抗干扰能力同时在设计、 安装以及使用过程中引起重视,尽量减少对其造 成负面影响。

2.

进一步网络化、 数字化。目前用于火电系统控制系统的 DCS 虽技术日益

成熟但近年来其发展日趋缓慢, PLC 的产生及发展使其与 DCS 相互吸收彼此特点, 逐步同化,并逐步发展成为新的控制系统——FCS 系统,其既保留了原来系统的 特性又实现了工业自动化技术的发展,并使数字化、智能化控制得到进一步的发 展和应用,因此其近年来在火电厂的应用日益广泛。

PLC 产品还可以用于离散、制程和混合式自动化产品领域,并在各个制造行 业保持稳固增长。 基于对更高自动化程度和更高能效的需要,制造业会越来越多 地应用 PLC。在制造过程中,以最低生产设备生命周期成本来实现适应性和灵活 性的日益增加的需求, 给 PLC 的创新与发展提供了不竭的动力。一些新兴行业的 运用以及新能源产生、 储存和基础设施建设的需要,无疑给 PLC 带来了巨大的机 遇。

总结:

21 世纪,PLC 会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多 地应用于可编程控制器的设上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的 品种出现;从产品规模上看,会进一步向超小型 方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人 机界面、完备的通信好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看,各国各自 生产多品种产品的情况会随着国际竞争的破, 会出现少数几个品牌垄断国际市场

的局面, 会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看控制器和其它工业 控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。 目前的计 算制系统 DCS(Distributed Control System)中已有大量的可编程控制器应用。 伴随着计算机网络的编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组 成部分,将在工业及工业以外的众多领域发大的作用。

为能够更广泛的适应未来各种工业生产过程中控制场所的需要, PLC 控制系 统作为自动化控制网络和国际通用网络的重要部分其产品将会更加丰富, 规格也 会更加齐全,并将在人类电气自动化发展过程中发挥更加广泛的作用。

参考文献:张桂香

《电气控制与 PLC 应用》 第二版

化学工业出版社 2005


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