基于PlC的設(shè)備遠(yuǎn)程控制研究

包麗琦

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

自美國(guó)數(shù)字化設(shè)備公司在1969年研制出第一臺(tái)可編程控制器以后，經(jīng)過近50年的發(fā)展，可編程控制器在世界各國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域中均得到了較為廣泛的應(yīng)用。隨著我國(guó)工業(yè)的高速發(fā)展，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需要的可編程邏輯控制器需要得到更深層次的應(yīng)用。

1 PLC簡(jiǎn)介和硬件組成

1.1 PLC簡(jiǎn)介

PLC（Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器，它是一種在工業(yè)領(lǐng)域中所引用的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。利用可編程序存儲(chǔ)器，PLC可以完成順序運(yùn)算工作、邏輯運(yùn)算工作、定時(shí)工作、算數(shù)運(yùn)算操作等多項(xiàng)工作，利用模擬式、數(shù)字式的輸入、輸出，可以對(duì)各類機(jī)械與生產(chǎn)的過程予以控制。此外，PLC還具有聯(lián)網(wǎng)通信的功能，隨著PLC在幾十年的發(fā)展中，已經(jīng)具備了模擬控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等功能。循環(huán)掃描是PLC工作的主要方式，在對(duì)其進(jìn)行掃描時(shí)，主要可分為2種狀態(tài)，一是RUN（運(yùn)行）狀態(tài)，二是STOP（停止）狀態(tài)，在執(zhí)行程序過程中，可以將其分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段。在輸入采樣階段中，PLC只是掃描輸入端，在進(jìn)入執(zhí)行階段后，將封鎖輸入端，直至輸入下一個(gè)掃描周期才能進(jìn)行重新采樣；在程序循環(huán)掃描中，PLC采用串行方式，可以讓繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的時(shí)序失配、觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)問題得到避免；在輸出刷新階段，如果輸出結(jié)果被用戶程序多次賦值，那么只有最后的賦值有效。

1.2 PLC硬件組成

PLC的結(jié)構(gòu)和微型計(jì)算機(jī)較為相似，主要包含了存儲(chǔ)器、中央處理器、智能接口模塊、輸入/輸出接口以及編程器。存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)存放用戶程序、系統(tǒng)程序和工作時(shí)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)程序主要包含了系統(tǒng)管理程序、用戶邏輯解釋程序、監(jiān)控程序等模塊和相關(guān)參數(shù)；中央處理器在PLC中占有核心地位，為控制中樞，其主要功能是進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算，并對(duì)可編程邏輯控制器內(nèi)部的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；智能接口模塊在PLC中占有獨(dú)立地位，具有屬于自己的存儲(chǔ)器與處理器，利用PLC內(nèi)部總線，可以在中央處理器的協(xié)調(diào)與管理下開展獨(dú)立工作；輸入/輸出接口可以讓現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)和可編程邏輯控制器相連，其具有一定的抗干擾能力，可以對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行處理；編程器主要是負(fù)責(zé)用戶程序的生成，利用編程器，可以對(duì)用戶程序進(jìn)行編輯、檢查與修改，可以對(duì)用戶程的序執(zhí)行狀況進(jìn)行監(jiān)視。在電源方面，PLC會(huì)利用DC24V電源與AC220V電源，內(nèi)部開關(guān)電源可以提供給各個(gè)模塊具有差異電壓等級(jí)的直流電源。

2 基于PLC的設(shè)備遠(yuǎn)程控制

2.1 案例概述

在本文中，所舉案例為在工業(yè)制造企業(yè)中具有重要作用的壓縮空氣站，壓縮空氣站是為制造企業(yè)氣動(dòng)工具、氣動(dòng)負(fù)載提供動(dòng)力源的關(guān)鍵。利用基于PLC為控制核心的多用途遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可以讓壓縮空氣站更具智能性，依照企業(yè)工序需求，可完成多工序遠(yuǎn)程控制開關(guān)的設(shè)置工作，對(duì)空壓站進(jìn)行獨(dú)立控制，利用PLC程序可對(duì)其進(jìn)行高效識(shí)別，且各個(gè)工序之間并沒有相互影響。在特殊工序中，可以對(duì)其進(jìn)行延時(shí)關(guān)閉，并不需要專人值班，進(jìn)而讓能耗得以降低。壓縮空氣站本身主要包含了MAM-880微電腦控制器與螺桿式空壓機(jī)，微電腦控制器自帶本地選擇控制、遠(yuǎn)程控制、3路開關(guān)量輸入接口，同時(shí)具有缺相保護(hù)、相序保護(hù)以及電機(jī)保護(hù)的基本功能。利用S7-200PLC可以完成多路開關(guān)量的輸入設(shè)計(jì)工作，利用特殊工序的設(shè)計(jì)，可以提供延時(shí)關(guān)閉功能。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采取硬件主要包含了S7-200PLC控制器、中間繼電器與斷路器。在選擇PLC控制器時(shí)，其型號(hào)為CPU224CN（AC/DC/RLY）型，此種PLC集成了10位數(shù)字量輸出模塊與14位數(shù)字量輸入模塊，可以對(duì)系統(tǒng)I/O點(diǎn)設(shè)計(jì)要求予以滿足。同時(shí)，PLC集成輸出點(diǎn)本身具有較強(qiáng)的負(fù)載能力，可以對(duì)中間繼電器線圈予以直接驅(qū)動(dòng)。此外，該系統(tǒng)集成了24VDC輸出，可以提供給傳感器動(dòng)力電源。

PLC控制器包含1個(gè)RS-485通信接口，可以對(duì)MPI從站、PPI主站與自由口協(xié)議予以支持。設(shè)置數(shù)字量輸出模塊SM322，利用硬接線的形式進(jìn)行輸出，對(duì)設(shè)備啟停進(jìn)行有力控制，同時(shí)設(shè)置通訊模塊CP341，為串口通訊處理器模塊，利用硬件接口形式，可以和壓縮空氣站內(nèi)的智能電力儀表共同形成MODBUS通訊網(wǎng)絡(luò)，以對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行采集，同時(shí)，利用以太網(wǎng)處理器模塊CP343-1可以讓上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC控制器聯(lián)網(wǎng)得以完成。利用PC-PPI電纜，可以讓硬件與上位機(jī)通信得以實(shí)現(xiàn)，可以不受時(shí)間的限制進(jìn)行上載并修改參數(shù)，利用集成DO接口，可以對(duì)中間繼電器輸出開關(guān)量予以驅(qū)動(dòng)，空壓站MAM-880微電腦控制器1，3端子與其交互控制，進(jìn)而讓設(shè)備遠(yuǎn)程控制得以實(shí)現(xiàn)。MAM-880微電腦控制器開關(guān)量輸入接口可以被此多用途遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，利用程序算法可以讓開關(guān)量信號(hào)得以輸出，進(jìn)而讓空壓站遠(yuǎn)程7工序得到獨(dú)立的開啟與停止，同時(shí)可以讓特殊工序得到延緩關(guān)閉。信號(hào)的發(fā)送與具體的控制在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有補(bǔ)充描述。空壓站主電機(jī)接觸器輔助觸點(diǎn)輸入系統(tǒng)，其運(yùn)行的反饋信號(hào)具有較強(qiáng)的可靠性、穩(wěn)定性，可以讓PLC控制器與人對(duì)空壓站運(yùn)行性狀態(tài)進(jìn)行有效的識(shí)別、判斷。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，主要編程軟件為西門子公司STEP 7-MicroWIN V4 SP3，該編程軟件為結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的程序可讀性，在對(duì)其進(jìn)行調(diào)試與維護(hù)時(shí)較為方便。

2.3.1 常規(guī)工序軟件

系統(tǒng)利用主程序，可以采集各個(gè)I/O接口的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用一定的程序算法，可以識(shí)別空壓站相關(guān)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)定延時(shí)時(shí)間、判斷停機(jī)條件。如果空壓站處于啟停狀態(tài)，那么撥動(dòng)鑰匙開關(guān)，PLC能夠?qū)﹂_關(guān)量信號(hào)輸入加以檢測(cè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在掃描周期內(nèi)，PLC會(huì)觸發(fā)輸入寄存器I0.x動(dòng)作，而內(nèi)部寄存器會(huì)被邏輯流觸發(fā)Mx.0，進(jìn)而讓輸出寄存器Q0.x得以觸發(fā)，讓24VDC工作指示燈得到驅(qū)動(dòng)。利用內(nèi)部寄存器Mx.O可以讓啟停指令傳遞至空壓站的啟停程序網(wǎng)絡(luò)中，通過上升沿指令，可以在網(wǎng)絡(luò)中對(duì)啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過下降沿指令可以在網(wǎng)絡(luò)中對(duì)停機(jī)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而讓寄存器Qx.0控制中間繼電器驅(qū)動(dòng)輸出，MAM-880微電腦控制器會(huì)得到發(fā)送的啟停信號(hào)，進(jìn)而對(duì)空壓站進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動(dòng)操作或遠(yuǎn)程停止操作。

2.3.2 特殊工序軟件

為讓空壓站延時(shí)停機(jī)功能得以實(shí)現(xiàn)，利用計(jì)數(shù)器Cx和100ms時(shí)基T3x定時(shí)器組合應(yīng)用的控制程序，增計(jì)數(shù)指令（CTU）會(huì)因?yàn)門3x定時(shí)器常開觸點(diǎn)而在各個(gè)（CU）輸入上升沿從當(dāng)前值進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到其達(dá)到預(yù)設(shè)值（PV）。在計(jì)數(shù)過程中，定時(shí)器時(shí)基會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)數(shù)器現(xiàn)階段計(jì)數(shù)值和時(shí)基、PT的積。當(dāng)前工序正在運(yùn)行、計(jì)數(shù)器預(yù)設(shè)值（PV）是計(jì)數(shù)器復(fù)位的兩個(gè)重要條件，有一成立即滿足復(fù)位條件，計(jì)數(shù)器可復(fù)位。利用計(jì)數(shù)器Cx邏輯輸出，內(nèi)部控制器Mx.O會(huì)被Cx常閉觸點(diǎn)控制，進(jìn)而讓寄存器Qx.0得以延時(shí)控制輸出，進(jìn)而讓設(shè)備遠(yuǎn)程延時(shí)控制得以實(shí)現(xiàn)。

在特殊工序軟件設(shè)計(jì)時(shí)，在啟停方面的基本原理和常規(guī)工序軟件具有一致性，在對(duì)停機(jī)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需使用下降沿指令，如果發(fā)現(xiàn)有停機(jī)信號(hào)存在，那么會(huì)通過SM0.5指令來讓脈沖產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)工作指示燈進(jìn)行控制，讓其閃爍，其閃爍頻率為次/0.5s，直到停機(jī)。判斷停機(jī)條件可以讓空壓站運(yùn)行得以停止，需要觀察其停機(jī)要求是否被滿足，是否還有工序正在執(zhí)行，只有所有工序都發(fā)出了停機(jī)的信號(hào)，只有取反指令，控制程序邏輯才能夠讓停機(jī)檢測(cè)與停機(jī)控制得以實(shí)現(xiàn)。軟件控制流程可以概括為：遠(yuǎn)程控制→啟動(dòng)→啟動(dòng)反饋→運(yùn)行→延時(shí)停機(jī)→停機(jī)指令→停機(jī)要求判斷→停機(jī)。通過SM0.5指令，系統(tǒng)可以產(chǎn)生0.5s的持續(xù)脈沖，利用計(jì)數(shù)器Cx、定時(shí)器TON與TOF可以完成組合設(shè)計(jì)，進(jìn)而讓差異化的時(shí)基延時(shí)設(shè)定得以實(shí)現(xiàn)，取負(fù)跳變指令ED與反指令，可以讓邏輯對(duì)停機(jī)要求進(jìn)行判斷。為讓空壓站硬件設(shè)備在程序控制中得到保護(hù)，在本文所說基于Plc的設(shè)備遠(yuǎn)程控制中采用了互鎖軟保護(hù)設(shè)計(jì)與啟停指令延時(shí)設(shè)計(jì)，可以讓軟件和硬件之間的損壞與沖突得到有效規(guī)避，進(jìn)而讓系統(tǒng)的可靠性得到增強(qiáng)。

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)此種基于可編程邏輯控制器PLC的壓縮空氣站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行中，可以做到相互獨(dú)立、遠(yuǎn)程啟停與延時(shí)停機(jī)，可以對(duì)空壓站進(jìn)行便捷控制，進(jìn)而讓能耗得到降低，且在工作過程中為無人值班狀態(tài)，能讓整體工作效率得到提升。

3 結(jié)語

綜上所述，利用S7-200PLC控制器、中間繼電器與斷路器等設(shè)備，可以完成PLC設(shè)備遠(yuǎn)程控制硬件設(shè)計(jì)工作，利用STEP 7-MicroWIN V4 SP3編程軟件可完成軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而讓基于PLC的壓縮空氣站設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合現(xiàn)實(shí)需要情況進(jìn)行設(shè)備選型、編輯程序，以此來構(gòu)建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，提升整體的工作效率。

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