淺談PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃 葵

（廣西漢和建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530022）

可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controrler，簡(jiǎn)稱PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)為一體的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。由于其抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，編程簡(jiǎn)單，性能價(jià)格比高，它可以通過(guò)軟件來(lái)改變控制過(guò)程，而且具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)以及應(yīng)用安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的主導(dǎo)，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC技術(shù)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造）之一。

1 PLC的結(jié)構(gòu)組成

（1）進(jìn)行邏輯和數(shù)學(xué)運(yùn)算，控制整個(gè)系統(tǒng)，使之協(xié)調(diào)工作的中央處理器。

（2）用于存放系統(tǒng)的監(jiān)控程序、用戶程序、邏輯變量和一些其他信息的存儲(chǔ)器。

（3）接口電路。它是 PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及外圍設(shè)備的聯(lián)系通道，如輸入/輸出接口、鍵盤/顯示接口、通信接口和擴(kuò)展接口等。

（4）輸入/輸出電路。輸入電路用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離和電平轉(zhuǎn)換；輸出電路用來(lái)對(duì)PLC的輸出結(jié)果進(jìn)行放大和電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

（5）電源。包括系統(tǒng)電源、備用電源和掉電保護(hù)電源等。

2 PLC的工作原理

PLC采用了一種順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即掃描方式。它不同于一般的微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式，它在一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開時(shí)，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，必須等到掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。通常包括三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。

2.1 輸入采樣階段

在此階段PLC以掃描的方式順序讀入各個(gè)接口的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O映像區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。并在用戶程序運(yùn)行階段和輸出刷新階段保持不變，只有到了下一個(gè)周期的采樣階段才會(huì)根據(jù)實(shí)際的變化對(duì)I/O映像區(qū)作相應(yīng)的改變。因此若輸入的是一個(gè)脈沖信號(hào)，則必須保證脈沖信號(hào)的寬度大于一個(gè)掃描周期，才能保證脈沖的有效輸入。

2.2 用戶程序執(zhí)行階段

PLC總是按照由上而下的順序依次掃描用戶程序，在每一條梯形圖中，又總是按照先左后右、先上后下的順序?qū)Ω饔|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算。然后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，對(duì)輸出點(diǎn)的邏輯線圈在系統(tǒng)RAM中的存儲(chǔ)狀態(tài)或I/O映像區(qū)狀態(tài)進(jìn)行刷新，而且在本掃描周期內(nèi)只對(duì)排在梯形圖下面的線圈或數(shù)據(jù)起作用，排在上面的線圈或數(shù)據(jù)只能在下一個(gè)掃描周期才會(huì)進(jìn)行刷新，這就是掃描技術(shù)的最大特點(diǎn)。

2.3 輸出刷新階段

在一個(gè)掃描周期結(jié)束后，CPU根據(jù)用戶程序執(zhí)行完后 I/O映像區(qū)內(nèi)的各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)對(duì)所有的輸出鎖存電路進(jìn)行刷新，然后驅(qū)動(dòng)輸出電路輸出到相應(yīng)的外設(shè)，此時(shí)才是PLC一個(gè)控制周期的結(jié)束。

3 PLC的安裝和使用環(huán)境

（1）PLC及其外部電路（I/O模塊、輔助電源等）工作環(huán)境溫度通常在0～55 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)避免太陽(yáng)光直接照射，安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的器件，同時(shí)應(yīng)保證有足夠大的散熱空間和通風(fēng)條件，冬季時(shí)，可開啟柜內(nèi)安裝的加熱器來(lái)保持盤、柜內(nèi)的環(huán)境溫度。

（2）為了保證PLC有良好的絕緣，PLC環(huán)境濕度應(yīng)控制在 35%～80%范圍內(nèi)，若環(huán)境濕度過(guò)大，盤、柜應(yīng)設(shè)計(jì)成密封型，并放入吸濕劑，或把外部干燥空氣引入盤、柜內(nèi)。

（3）在含有腐蝕性氣體、濃霧或粉塵的場(chǎng)合，可將盤、柜設(shè)計(jì)成密封型結(jié)構(gòu)，且打入高壓清潔空氣，使外界不潔空氣不能進(jìn)入盤、柜內(nèi)部。

（4）如果 PLC安裝位置有強(qiáng)烈的振動(dòng)源，系統(tǒng)的可靠性也會(huì)降低，如果振動(dòng)來(lái)自盤、柜之外，可對(duì)盤、柜采用防振膠皮與振源隔開；如果振動(dòng)來(lái)自盤、柜內(nèi)，則把產(chǎn)生振動(dòng)的設(shè)備移出，單獨(dú)設(shè)置。

4 PLC抗干擾設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)日新月異的發(fā)展，晶閘管可控整流和變頻調(diào)速裝置使用日益廣泛，這帶來(lái)了交流電網(wǎng)的污染，也給控制系統(tǒng)帶來(lái)了許多干擾問(wèn)題，同時(shí)，由于PLC主要是集中安裝在主控室，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，很容易被周圍干擾源干擾而引起控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作，影響系統(tǒng)的正常工作，因此防干擾是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

4.1 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

4.1.1 供電電源的抗干擾設(shè)計(jì)

在PLC控制系統(tǒng)中，對(duì)于電源線的干擾，只需將PLC的電源與系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備電源分開配線，一般都有足夠強(qiáng)的抑制能力。但由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，電網(wǎng)內(nèi)部的變化，如大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等均能在電網(wǎng)中形成脈沖干擾，其脈沖功率足以損壞PLC半導(dǎo)體器件，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，PLC系統(tǒng)的干擾中有70%是從電源藕合進(jìn)來(lái)的。為了抑制干擾，保持電壓穩(wěn)定，常采用以下幾種抗干擾方法：①使用隔離變壓器衰減從電源進(jìn)線的高頻干擾信號(hào)，輸入、輸出線采用雙絞線以抑制共模干擾，一般做法是將初、次級(jí)屏蔽層均接地；②用低通濾波器抑制高次諧波。電源輸入、輸出線應(yīng)分隔開，屏蔽層應(yīng)可靠接地。一般是在電源系統(tǒng)中既使用濾波器又使用隔離變壓器，但要注意先將濾波器接入電源再接隔離變壓器；用頻譜均衡法抑制電源中的瞬變干擾。

4.1.2 接地抗干擾設(shè)計(jì)

接地在消除干擾上起很大的作用，良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件之一，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應(yīng)給PLC接以專用地線，接地線與動(dòng)力設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)）的接地點(diǎn)應(yīng)分開，若達(dá)不到此要求，則可與其他設(shè)備公共接地，嚴(yán)禁與其他設(shè)備串聯(lián)接地。接地電阻要小于5 Ω，接地線要粗，面積要大于2 mm2，而且接地點(diǎn)最好靠近PLC裝置。其間的距離要小于50 m，接地線應(yīng)避開強(qiáng)電回路，若無(wú)法避開時(shí)，應(yīng)垂直相交，縮短平行走線的長(zhǎng)度。

4.2 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

硬件抗干擾措施的目的是盡可能地切斷干擾進(jìn)入控制系統(tǒng)，但由于干擾存在的隨機(jī)性，硬件抗干擾措施并不能將各種干擾完全拒之門外，這時(shí)，可以發(fā)揮軟件的靈活性與硬件措施結(jié)合來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4.2.1 指令重復(fù)執(zhí)行

指令重復(fù)執(zhí)行就是根據(jù)需要使作用相同的指令重復(fù)執(zhí)行多次，一般適用于開關(guān)量或數(shù)字量輸入、輸出的抗干擾。在采集某些開關(guān)量或數(shù)字量時(shí)，可重復(fù)采集多次，直到連續(xù)兩次或兩次以上的采集結(jié)果完全相同時(shí)才視為有效。若多次采集后，信號(hào)總是變化不定，可停止采集，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下，如果在各次采集數(shù)守信號(hào)之間插入一段延時(shí)，數(shù)據(jù)的可靠性會(huì)更高。如果在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不是很高的情況下，其指令重復(fù)周期盡可能長(zhǎng)些。

4.2.2 數(shù)字濾波

在某些信號(hào)的采集過(guò)程中，由于存在隨機(jī)干擾而可能使被測(cè)信號(hào)的隨機(jī)誤差加大。針對(duì)這種情況，可以采用數(shù)字濾波技術(shù)。該方法具有可靠性高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中。此外，數(shù)字濾波的常用方法還有：程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法等。

總之，工廠自動(dòng)化及產(chǎn)品設(shè)備自動(dòng)控制，是以后工業(yè)企業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向，PLC基于其控制的優(yōu)勢(shì)、運(yùn)用的靈活性及其模塊化設(shè)計(jì)思想等將在以后的工業(yè)控制領(lǐng)域中得到充分和大量的應(yīng)用。

1 王永華.現(xiàn)代電氣控制及 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003

2 張澤榮.可編程控制原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004

3 王起.論P(yáng)LC、單片機(jī)、工控機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用及選用方法［J］.廣西輕工業(yè)，2011（1）