一種PLC過程控制系統裝置開發

姚靜

摘 要：快速發展的現代工業企業對控制系統處理能力的要求不斷提高。以電氣控制系統作為研究對象，詳細介紹了電氣原理及工作流程，對控制系統裝置進行了研究。在優化設計控制系統總體方案的基礎上，以PLC模塊作為重點設計對象，完成了基于PLC的過程控制系統的設計。電氣設備通過對電氣部件的參數進行確定和計算實現了信號選擇，最終完成了基于PLC的過程控制系統的設計過程。可有效提高企業的生產效率，從而為電氣設備的穩定運行及綜合管理及控制能力的提升提供支撐。

關鍵詞：電氣設備;PLC技術;過程控制系統;實現路徑

Abstract：The rapid development of modern industrial enterprises has continuously improved the processing capacity of control systems. This paper takes electrical control system as the research object， introduces the electrical principle and work flow in detail. It mainly studies the control system device， and clarifies the optimization. On the basis of the overall design of the control system， the PLC module is taken as the key design object， and the design of the PLC-based process control system is completed. The electrical equipment realizes the signal selection by determining and calculating the parameters of the electrical components， and finally the PLC-based process control system is completed. It can improve the production efficiency of the enterprise， and thus provides a support for the stable operation of electrical equipment and the improvement of comprehensive management and control capabilities.

Key words：electrical equipment;PLC technology;process control system;implementation path

0 引言

不斷發展和完善的科學技術為各類產品的生產提供了技術支撐，多樣化的市場需求加速了產品更新換代及創新速度，同時也豐富了品種及批量的比重，作為可編程控制器的一種，性價比較高的PLC具備較高的可靠性及簡易的代碼編寫過程等優勢，有效滿足了程序在線編寫的需求，從而能夠做到編寫過程中問題和錯誤的及時發現和解決，因此PLC已經在現代社會生產活動中得到廣泛應用，在電氣控制系統中應用PLC技術，通過結合運用通信網絡有效實現了電氣開關量的優化和改進，并提高了系統的柔性和可靠性，為電氣控制系統性能的優化提供支撐，對發展工業企業具有重要意義。

1 基于PLC過程控制系統的總體架構

目前在現代工業企業控制方面，可編程控制器PLC因具備較高的可靠性、簡易的編程及修改方法等優勢已得到快速發展和廣泛應用，相比于傳統的微機和繼電器控制系統，基于PLC的控制系統具備顯著的優勢，有效減少了調試的工作量，其工作環境適應性強提升了抗干擾能力和系統的可靠性，降低了故障率確保了系統的穩定運行，已成為目前國內完善制造業自動化控制的首選方案（包括機床加工控制等）。本文主要對基于PLC的過程控制系統進行了研究，完成了控制系統設計方案的構建，結合使用信息通信網絡及PLC控制技術，實現了對工業生產現代化過程的有效控制，使勞動生產率得以顯著提升。

本文以構建基于PLC的分布式控制系統為主要研究內容，以完成下位機（由特殊模塊構成）同上位機（負責完成SCADA功能）的有效連接，據此實現對設備的監控功能，具體采用分布式控制結構實現基于PLC的過程控制系統，具體如圖1所示。系統的網絡結構，如圖2所示。下位機和上位機分別通過PLC技術和計算機完成設計過程，二者間的通信則通過PLC及RS-232C串口完成，從而實現監控工業現場作業的功能，有效的滿足了集中管理和分散控制工業現場的需求[1]。

（1） 采用EtherNet網絡完成網絡中拓撲結構的構建，生產過程和監控過程通過使用同軸電纜實現相互連接，在此基礎上實現工業現場管理的集中化。

（2） 為實現工業生產現場的有效監控，由以計算機為主要構成的上位機負責實現監控功能，其SCADA功能具體采用組態王實現，PLC和上位機間通過使用RS串口完成通信過程。

（3） 為實現對工業生產現場的控制，下位機的PLC選用了C2541 HD型號，開關量及模擬量的輸出/輸入模塊、電源模塊、RS串行接口根據實際需要均在PLC中完成設置過程，傳感器發送的電流信號主要由模擬量輸入模塊負責接收，并由其完成電流信號到BCD碼數字量的轉換，IR111代表模擬量輸入的通道地址，具體設置如表1所示。

通道地址的確定通過使用撥號開關完成，系統采用開關為1的AD模塊地址，并對應IR110-119的IR區域和DM110-119的DM區域，將轉換器（第一路）的工作設置為不保持峰值側[1]。

（4） 控制通道

系統主要由輸入及主要由水泵及變頻器組成的輸出兩個控制通道構成，現場液位信號通過使用液位傳感器（投入式）的輸入通道即可實現到電流信號的轉換，再向PLC模塊傳送電流信號;傳感部分的功能通過傳感器（具備高精度壓力）完成，實現將壓力信號轉換為電信號，以確保同液面高度呈正比，從而使系統對相關性能的需求（包括控制精度、穩定性及可靠性等）得以有效滿足;PLC的輸出控制量通過輸出通道能夠被有效接收，并實現調節流量的功能，水泵轉速的改變通過使用變頻器（將電流轉換為頻率信號）完成，對電動機轉速的控制過程則通過交流變頻器完成[2]。

2 軟件的設計和實現

2.1 監控軟件的實現

目前計算機控制在現代工業控制過程中發揮著重要的作用，創建系統需基于同PLC完成以太網創建的計算機控制系統，從而實現顯示和監控相關數據的功能，通過在各車間放置一臺計算機監控軟件，然后由操作入員負責操作和管理完成對自身車間設備的控制，同時在管理者辦公室安裝一臺以便監控生產車間的生產情況，通過安裝SQL數據庫、組態及通訊軟件（MOXA卡）確保了監控軟件功能的實現，收集數據的功能通過PLC和計算機同PID儀表相連（通過安裝的組態軟件）后即可實現，系統界面可全面展現工藝流程。電機和閥門（可自動或手動控制關閉狀態）具備報警功能，對工業生產過程出現故障的某一部位會立刻報警。組態軟件在SQL數據庫中存儲相關生產數據及報表，可快速查詢現場工況、故障記錄、相關報表等。此外，系統通過采用開放OPC端口實現數據到管理辦公室的遠程傳送和接收，實現了生產車間生產情況的實時掌控[3]。

2.2 控制層的實現

生產加工企業的有效控制過程通常由多個公用設備車間及生產車間共同實現，在各生產車間內配置PLC裝置，再將遠程I/0配置于公用設備車間內，控制層以PLC及OID調節儀作為主要構成部分，CPU通過PLC完成控制網的創建進而實現擴展功能，在此基礎上完成對生產車間設備情況的全面控制，完成對溫度、流量、壓力及重量等的檢測，對多個設備（包括閥門電機等）通過開關量及模擬量的輸出/輸入等模塊（位于PLC中）實現相關控制過程（包括控制及檢測調節閥）[4]。控制程序的可擴展性通過模塊化編程方法的使用得以有效提升。通過脈沖計量儀表的使用完成了脈沖采集模塊的創建，具體的高速脈沖信號的過程（主要負責將脈沖數量輸送到緩存區），如圖3所示。

該模塊主要負責采集現場脈沖儀表數據并完成數據的轉換，從而實現數據的精準采集，在此基礎上實現對生產設備的控制[5]。

工業生產過程的流程只需通過制定啟動指令即可實現，設備的自動生產通過系統對相應工藝參數（以工藝需求及生產順序為依據）進行設置即可實現。自動控制各電機設備的開關狀態在生產難以正常進行的情況下（如由意外情況導致）會變為手動控制。本文系統的通信過程采用以太網方式，通過將以太網模塊安裝于PLC中實現同計算機間的有效通信過程（以TCP/IP協議為依據），使計算機同PLC間的通信流量、速度及安全性得以顯著提升，控制層軟件的核心代碼設計如下（以實現數據庫設計為主）[6]。

2.3 控制系統下位機軟件的實現

PLC和監控軟件需通過下位機軟件實現相互通信，在監控及控制軟件的基礎上完成下位機軟件的設計，下位機軟件程序則通過使用編程軟件OMRON完成具體的編制和調試過程，接下來在PLC中下載調制的程序，控制系統下位機軟件實現的關鍵在于：（1） 上電初始化，主要完成系統初始化清零和設置控制參數初始值（包括RAM、ROM）[7]。（2） 基于實際監控參數和控制器容量對樣本進行采集，再將輸入的模擬量通過PC機完成轉換后實現對平均值的濾波，根據脈沖信號確定采樣周期。（3） 信號處理以采集到的原始數據為主，主要由濾波、零點遷移、變換量程及標度構成，信號處理根據實際情況使用相應的控制器。（4） 作為下位機軟件的核心算法設計通常使用PID控制、模糊控制算法，根據包括流量和液體的壓力特征等在內的實際情況確定控制周期[8]。（5） 控制系統故障診斷，使用PLC（型號為G2254，具有涉及范圍較廣的自動診斷功能）完成系統的故障診斷，實現對現場控制系統異常情況（包括指令執行有誤、端口通信錯誤、電池電壓過低等）的自動檢測，再通過連接相應線路實現系統故障信息的獲取。以通過IR區的模擬量輸入模塊（AD003）地址進行反饋完成傳感器的故障診斷，以斷線檢測標志的判斷為例，主要以2位16進制的錯誤代碼反應為依據判斷故障，對電壓信號進行處理，在電壓信號低于0.3 V（或電流信號低于1.2 mA）的情況下數據顯示為“1”表示傳感器出現了斷線故障，信號恢復正常時顯示為“0”[9]。

以現場水位的控制及故障的診斷為例，主控制程序過程具體如圖4所示。

針對ROM、RAM區域完成初始化和參數設置。考慮到采樣周期對控制器、檢測參數和被控對象的影響，以實際情況為依據對模擬量輸入通道及系統采集的原始數據進行處理（包括零點、標度及量程等的變換），才能確保控制器順利使用這些數據。可通過在編程中引入模糊控制實現控制系統性能的提高，控制規則查詢表的創建通過變量附表和模糊控制原則的輸入完成，在此基礎上實現在線查詢功能。

3 總結

本文主要研究了基于PLC的過程控制系統，通過將PLC與SCADA集于一體，實現控制系統的數據采集及監控過程的靈活高效，實際應用結果表明本文所設計的控制系統能夠全面的分析和統計設備運行中產生的數據，實現工作過程的全面監控，在確保機床安全生產的同時顯著提升了生產精度及效率，實現了控制系統穩定性及生產自動化程度的全面提高，實現整個生產過程的有效控制。

參考文獻

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（收稿日期：2019.08.26）