機電自動化控制中PLC技術的應用

劉 淼，張宏圖，靳心雨，王 迪

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

PLC 技術是基于邏輯編程的自動控制技術[1]，不僅可以輔助生產線自動化效率的提升，還可以為生產單位節約大量的人力、物力，實現生產過程的自動化與智能化，有效提高加工企業在生產經營中的經濟效益。相比常規的控制技術，PLC 技術的抗干擾能力較強，加之其操作十分便捷，技術人員只需要了解其操作原理便可直接上手控制操作，使得相關工作的作業效率與執行水平得到了很大的提升。

有研究學者提出基于ControlLogix 的控制方法，對設備運行進行控制，減少能源消耗，降低工人勞動強度，但是依舊存在控制效率低的問題[2]。

因此，文章為了提高機電自動化生產中的控制效率，引進PLC 技術，設計一種針對機電工程的自動化控制方法，通過此種方式優化機電作業模式，提高機電運行效率。

1 機電自動化生產上位通信設計

為實現基于PLC 技術的機電自動化控制，應在設計方法前，建立機電生產終端與PLC 之間的邏輯通信關系。在此過程中，明確PLC 的主要通信方式為上位通信，通信方式為使用PC 端總線與機電自動化生產數據緩沖端口進行連接，建立生產信息之間的通信連接關系[3]。此過程計算公式為：

式（1）中，n表示生產信息之間的通信連接關系建立過程；a表示數據緩沖端區域；b表示通信端節點邏輯關系；p表示串行程序；α表示數據總線數量。在此基礎上，設通信串口驅動器作為連通裝置，將其與機電自動化生產端的串行接口進行連接[4]。連接時，使用RS232C 總線，進行區段之間的1 ∶1連接（點對點互聯）。連接方式如圖1所示。

圖1 機電自動化生產中點對點連接方式

為確保上機位通信的穩定性，實現在機電生產過程中對流通數據的可靠傳輸，應設計通信協議，進行數據交換與通信的標準化設計。此過程計算公式為：

式（2）中，μ表示數據交換與通信的標準化設計；c表示通信協議。按照上述方式，進行上機位通信的標準化設計，通信過程中，保證流通與傳輸的數據格式為一致格式[5]。同時，將上機位通信連接中的專用單元通信協議配置對應的通信協議，在協議的支撐下，用戶可以在響應幀執行的條件下，進行終端的直接通信傳輸。以此完成機電自動化生產上位通信設計。

2 基于PLC技術的機電自動化終端邏輯規劃

完成上述設計后，引進PLC 技術，對機電自動化生產過程中的終端邏輯進行規劃設計。明確自動化生產終端的邏輯對象包括通信規劃、生產數據傳輸感應規劃、數據形式轉換規劃等，為確保機電自動化生產終端的良好通信，可進行PLC 指令信號的預處理[6]。預處理過程如下計算公式所示。

公式（3）中：M表示PLC 指令信號的預處理；表示生產數據傳輸感應；a表示數據形式轉換；γ表示原始信號；N表示信號權重。為避免在控制過程中由于信號傳輸延時導致的非線性誤差問題。可在上述內容的基礎上，進行PLC 控制過程的模糊設計。在此過程中，設定一個機電自動化生產邏輯精度偏差值，將其表示為E，參照模糊推理表，將決策值轉換為模糊處理值，通過此種方式，計算得到機電自動化終端邏輯規劃或控制的有效區間[7]。計算公式為：

式（4）中，E表示機電自動化終端邏輯規劃或控制的有效區間；m表示比例因子；e表示限值；H表示極小值；L 表示極大值。根據邏輯控制可調度區間，對機電自動化生產過程中的終端邏輯進行規劃設計。設計過程計算公式為：

式（5）中，A表示機電自動化終端邏輯規劃；k表示控制分量；F表示規劃精度偏差（補償值）；f（x）表示控制函數。通過上述計算公式，對機電自動化生產過程中的邏輯行為進行主動控制，以此種方式完成對終端的邏輯規劃。

3 機電生產機械運動過程自適應控制

在上述設計內容的基礎上，使用PLC 控制技術中的圓周控制方式與直線控制方式，進行機電生產機械運動過程中的自適應控制[8]。為滿足控制需求，此次設計引進PID 自適應算法，進行機電生產終端控制行為的設計。此過程計算公式為：

式（6）中，K表示機電生產終端控制行為；C表示直線控制函數;表示控制信號；δ1表示傳輸單元；δ2表示接收單元。在此基礎上，考慮到機械運動控制要想達到預期的效果，還應在控制過程中，對機械運動行為進行自適應匹配[9]。此過程計算公式為：

式（7）中，P表示自適應匹配；t表示匹配行為發生時刻；z表示自適應算法；u0表示機械位移量；ω表示控制信號增益值。確保控制指令與機電生產機械運動行為軌跡的匹配后，將模擬量作為參照，將控制指令中的執行參數錄入工作區，此時終端計算機設備中的CPU 將主動執行行為運動量的計算[10]。根據計算得到的運動量，進行PLC 控制量的輸出，按照預設的控制量，將機械行為控制到指定位置，以此實現基于PLC 技術的機電自動化生產控制。

4 對比實驗

在上述論述基礎上，從理論方面完成對PLC 技術在控制方法中的應用研究，為進一步驗證提出的基于PLC 技術的機電工程自動化控制方法的實際應用效果，選擇將該控制方法作為實驗組，將文獻[2]中的基于ControlLogix 的控制方法作為對照組，開展下述對比實驗。

以某生產企業常用的機電設備作為實驗研究對象。在該設備不加負載、PLC 和PC 串口斷開、PLC無程序輸入的情況下，采用220 V 交流輸入電源為CPU 和擴展I/O 單元進行單獨供電。在實驗過程中，針對該機電設備，共設置8組控制指令。其具體內容如表1所示。

表1 機電設備控制指令表

在兩種控制方法下，分別遵照上述控制指令對機電設備實際運行情況進行觀察和記錄。為實現對機電設備運行情況的準確捕捉，設置如圖2所示設備連接方式。

圖2 機電設備連接示意圖

利用圖2中的圖像采集方式，可對機電設備在運行過程中的各個動作完成情況進行拍照記錄，通過觀察照片，可直觀地進行機電設備運行情況判斷。

將圖2中的設備連接方式構建的環境作為實驗環境。在這一環境中，針對機電設備運行情況進行記錄，將設備遵照控制指令完成正確動作記為T，將設備未遵照控制指令完成動作記為F。通過對圖像采集卡采集到的畫面觀察，并將機電設備在兩種控制方法下的運行結果記錄，得到如表2所示效果對比。

表2 實驗組與對照組兩種控制方法控制效果對比

從表2中得到的數據可以看出，在8種不同控制指令下，按照實驗組控制方法，機電設備能夠正確運行次數與總控制次數相比，基本相差在0～1次范圍內，而對照組正確運行次數與總控制次數相比相差較大，均超過10次。由此可以看出，實驗組控制方法正確率更高，效果更理想。

在上述實驗基礎上，再針對兩種控制方法的控制效率進行對比。控制效率可通過正確控制次數與這一過程中總耗時的比值計算得出，控制效率越高，說明機電設備在實現正確操作的過程中，消耗的時間更短，進而促進機電設備自身運行效率提升；反之，控制效率越低，則說明機電設備在實現正確操作的過程中，消耗的時間更長，進而會影響到機電設備本身的運行效率。根據上述論述，將兩種控制方法下的控制效率進行記錄，并將結果以曲線圖的形式繪制成圖3所示。

圖3 實驗組與對照組兩種控制方法控制效率對比

通過圖3 可知，機電設備在執行8 種不同控制指令時，實驗組控制方法的控制效率均在10次/30 min 以上，而對照組控制方法的控制效率均小于5次/30 min。實驗組的控制效率高于對照組，說明文中控制方法可有效促進機電設備在運行過程中效率的提升，具備極高的應用價值，實現對機電設備的理想控制。

5 結束語

文章從機電自動化生產上位通信設計、機電自動化終端邏輯規劃、機電生產機械運動過程自適應控制三個方面，實現了基于PLC 技術的控制方法設計，并驗證了該方法可有效促進機電設備在運行過程中的效率提升。在后續的研究中，還應加強實際應用的測試，進一步優化與完善該方法，為我國機電等工業領域的建設、生產與發展創造更高的收益與價值。