基于PLC的機電設備自動控制系統設計與應用

鄒雯 孔祥振

（滕州市中等職業教育中心學校 山東省滕州市 277500）

PLC 是一種具備微型處理器的適用于自動化控制中的一種數據化的運算控制器，通過將控制指令輸入到控制器的內存當中進行存儲和執行，完成對設備的自動化控制[1]。機電設備目前在人們的日常生活中的應用逐漸增多，從交通工具到各類家用電器、電子設備等，已經成為了人們生活中不可或缺的機電產品。通過合理的引入不僅可以有效提高生產效率，減輕工人的勞動強度，改善原有的生產環境，從而完成更多人力無法做到的工作，同時機電設備作為國家工業領域中的基礎設施，對整個國家的國民經濟發展以及科學技術的創新，都有著更大的影響力度[2]。對此，本文將綜合當下市場科技調研的力度，結合PLC 具備的顯著優勢，提出一種機電設備自動控制系統設計方法，分別從系統硬件結構與軟件功能兩個層面展開設計和研究，保證控制系統在實際應用中可發揮其最高價值。

1 基于PLC的機電設備自動控制系統硬件設計

1.1 PLC可編程邏輯控制器選型

將PLC 作為設計的核心部分，對系統進行硬件設計。PLC 可編程邏輯控制器是本文提出的機電設備自動控制系統的核心硬件設備，該控制器的主要組成包括主控制芯片、電磁閥、傳感器以及電動泵等。在對芯片的型號進行選擇時，應根據主控制芯片的功能需要、接口處資源、機電設備的工業性、尺寸大小以及功率消耗等相關因素選擇[3]。針對上述要求，本文選擇將型號為ZW245V25-27的主控制芯片引入到PLC 當中。

PLC 可編程邏輯控制器中的電動泵主要用于為機電設備提供驅動，其主要電路是由MOSFET 金屬-氧化物半導體場效應晶體管和高速光耦共同構成，驅動形式為脈沖寬度調制驅動，從而讓電動泵獲得自由的調速。高速光耦作用是將PLC 中發出的控制信號與電動泵的電路進行連接，從而通過將控制信號轉換為控制當量，對機電設備進行自動控制。

1.2 系統電源選型

電源的主要功能是為了給PLC 及其他外部控制部件提供電力，PLC 的工作狀態為弱電狀態，因此在系統運行過程中產生的電壓較低，而系統中的其他外部控制部件為強電工作狀態，因此產生的電壓差會影響系統的運行效果，為解決這一問題在布設電源時應將外部其他控制部件的電源與PLC 的供電電源隔離。

2 基于PLC的機電設備自動控制系統軟件設計

2.1 機電設備控制數據自動采樣

圖1：控制當量計算順序圖

將本文基于PLC 的機電設備自動控制系統與數據采集裝置相連接，將控制數據直接傳輸到系統服務器當中，利用計算機自動獲取機電設備每一個端口當中的控制數據信息，完成對機電設備控制數據的自動化采樣。在本文系統實際運行過程中，控制數據中存在一部分無效的數據樣本，為了避免系統出現無效控制，采用PLC控制器首先通過掃描的方式，按照實際控制順序應接受的控制數據進行采樣，并通過過濾將數據中無效的控制數據剔除，將有效數據保存在存儲器當中。

在上述提出行為的基礎上，應持續進行機電設備自動控制系統控制端電源最大承受負荷量，并考慮如何將超負荷行為值平均轉移并分配到系統其他控制節點上。基于提出的分析內容，本文選擇采用云端在線分析的方式進行機電設備控制數據的獲取。并結合不同控制層在多種狀態下行為數據，計算控制系統每個數據節點的平均自動采樣量。計算公式如下。

公式（1）中：K 表示為機電設備控制系統的約束條件；λ 表示為系統在常規運行環境下的頻率參數；D 表示為系統在采樣過程中控制節點的數據負荷量；R 表示為控制節點占比；j 表示為i 級的系統層的數據量；L 表示為擾動系統的相關敏感因素。根據上述計算公式，監控機電設備自動控制系統在自動獲取數據過程中的平衡運行能力，并通過網間連接設備，將獲取的控制參數數據節點，采用單片機傳輸方式轉化為傳輸控制協議/互聯協議的傳輸方式。

2.2 機電設備控制當量計算

獲取機電設備控制數據后，利用PLLC 控制器對數據計算，獲取機電設備控制系統中控制器、變頻器、機電設備以及外部環境的控制當量。控制當量的計算順序如圖1 所示。

由圖1 可知控制當量的計算順序，改變PLC 控制器的控制參數會影響到變頻器、機電設備以及周圍環境的控制參數。計算時，首先給PLC 控制器一個已知的數值，利用該數值，機電設備自動給出一個原始恒定的運行速度，待機電設備運行一段時間后，通過改變這一定值，計算相關當量對機電設備自動控制。當量的計算公式為：

表1：實驗組與對照組實驗結果對比

公式（2）中，W 表示為機電設備控制系統的控制輸出頻率當量；Ki 表示為機電設備在實際運行過程中的比例系數；Kj 表示為機電設備在實際運行過程中的積分系數；f（x）表示為當系統第x 次自動采樣時與實際定量之間的偏差。利用上述公式計算出機電設備控制系統對PLC 控制器、變頻器、機電設備以及周圍環境參數的當量數值。

2.3 控制當量映射

得到各機電設備的控制當量后，利用計算機接口實現深度控制當量的映射，映射出兩個4 位數的8 進制數，最終獲得在每個控制點位上的控制數據，再利用特定的變量數據對機電設備控制數據映射，形成區域性的映射。控制當量映射是將用戶在系統當中輸入的機電設備運行控制信息轉換為具體的參數控制，用戶只需事先將規定的各項機電設備控制限制輸入到系統當中，通過系統自動檢測是否進行控制參數的改變。再利用計算機的端口狀態對控制數據及控制信息進行存儲，并將其輸入到相應的映射區域當中，通過在區域映射中對應的控制語義、詞義等分析得出正確的控制結果。

3 實驗

為了檢驗所設計的基于PLC 的機電設備自動控制系統對機電設備控制的同步率是否與傳統控制系統相比有所提高，提出一個簡單的對比實驗，將本文設計的系統與傳統的系統進行對比檢驗，以市場內某機電設備生產廠址作為此次實驗的試點場所，將設計的控制系統應用到場內工作與生產流程中，以此驗證本文設計系統的有效性。下面將進行該系統與傳統控制系統的對比實驗的詳細設計。

3.1 實驗準備

建立實驗環境，利用虛擬軟件，將本文控制系統中涉及的所有機電設備、控制器、變頻器等以及傳統控制系統中的相關設備的參數輸入到軟件中。分別利用兩種控制系統對同一機電設備進行控制，設置本文控制系統對機電設備控制為實驗組，傳統控制系統對機電設備為對照組，分別對兩組系統輸入相同的機電設備運行限制，利用本文系統自動完成，利用傳統系統手動完成，將兩組實驗的實驗結果記錄。

3.2 實驗結果與分析

按照上述提出的實驗準備，計算出兩種控制系統的同步率，每組實驗輸出五次，去掉一個實驗結果中的最高值和一個最低值，取中間三個數值，求取平均值。輸出實驗結果，并將其繪制實驗結果表。如表1 所示。

從表1 中的數據結果可以看出，實驗組的同步率明顯高于對照組的同步率。且隨著控制次數的增加，實驗組控制系統的同步率呈逐漸上升的趨勢，而對照組控制系統的同步率呈逐漸下降的趨勢。因此，通過仿真對比實驗進一步證明，本文提出的控制系統具有更高的同步率，更適用于實際工業生產中對機電設備控制。

4 結束語

結合PLC 可編程邏輯控制器具備的自動化優勢，將其引入到機電設備的控制系統當中，通過實驗證明系統實現了初步自動化，同時同步率得到提高。通過該控制系統的建立對提高生產質量、技能水平的自動化都有巨大的推動作用，能夠為社會和經濟帶來巨大的效益，具有較大的發展潛力。在后續的研究中還將基于PLC 對各個領域中的控制系統進行全面的設計，并嘗試將本文設計的基于PLC 的機電設備自動控制系統在市場內投入應用，通過系統在市場的不斷實踐，掌握本文設計系統在實踐運行中存在的隱性問題，進一步解決問題，完善系統功能，以此發揮系統在應用中的最大價值，從而實現機電設備的自動化、可持續發展。