淺析工業自動化PLC控制的應用與調試

葉潤安

燕山大學，河北秦皇島，066004

0 引言

隨著PLC技術的不斷發展，現代的PLC與傳統的PLC有著本質的區別，其中軟件模型及架構方面有著重要的變化，現代的PLC有著更加卓越的性能以及完善的功能，因此PLC的應用范圍不斷擴大，特別是在工業自動化領域的深化拓展，使其與工業自動化的結合愈發緊密[1]。PLC是現代工業自動化的核心支柱之一，它對社會和經濟產生了顯著的效益。

1 PLC概念

PLC是一種邏輯控制器，它是由計算機相關部件組成的特殊結構，它主要采用微機技術與傳統繼電觸控技術相結合的方式進行工作，通過調用存儲程序的執行來實現系統的邏輯運算和特定功能，并順序控制執行指令，利用輸入輸出的信號實現機械設備及生產過程的控制。PLC控制系統根據組成結構可分為整體式和模塊式兩大類：（1）整體式結構是指將中央處理器、輸入輸出接口、電源等設備集中在一個機箱里，一般小型的PLC控制系統采用整體式結構。（2）模塊式結構是指構成PLC控制系統的各個部分都是以單獨模塊的方式存在，如中央處理器模塊、輸入輸出模塊、電源模塊及各種功能性模塊等，一般大中型PLC控制系統采用模塊式結構[2]。

2 PLC技術特征

在工業自動化領域中，現代的PLC技術特征相較于傳統的PLC技術具備明顯的優勢，其優勢主要表現在（1）硬件突破，例如：現代的PLC系統可以安裝多個中央處理器，并形成多處理器模塊的架構。（2）軟件模型，例如：PLC可以通過配置的方式進行系統配置及定義資源，并且實現系統 接口，使程序與物理輸入輸出通道之間能有效的連接，并形成資源與處理器之間一對一的關系。因此現代PLC技術具有許多優秀的技術特征，但遺憾的是，當前各廠商PLC的軟硬件體系是閉環結構，因此兼容性較差。

2.1 穩定可靠、抗干擾強

PLC的設計之初就是為了滿足工業自動化現場各種惡劣環境下的使用，它是通過硬件與軟件兩個方面來實施措施的，因此，PLC具備穩定性及可靠性，同時也能排除電子干擾等環境的影響。

2.2 功能完善、使用便捷

現代的PLC控制系統具備完善的功能。它不僅能控制開關量和模擬量，還可以對機械設備、生產線及生產過程進行控制，同時它還具備較強的聯網通信能力，通過與上位機的結合應用還能實現全自動化控制。由于現代PLC的產品基本上都采用模塊化的結構組成，因此它能快速響應并滿足各種控制系統的需求，針對不同的需求編寫不同的程序，從而達到工作流程控制的要求。

2.3 編程簡單、易于掌握

PLC的編程基本上都是采用梯形圖的方式，圖形化語言使操作者無須具備專業的計算機編程知識，并且讓操作者能快速的上手，同時理解并掌握相關PLC的編程技能。

2.4 安裝快捷、調試方便

成熟PLC產品的安裝過程基本上采用搭積木的方式進行，并且通過仿真軟件的使用，使得PLC的調試工作變得容易。因此相較于其他控制系統，PLC產品的安裝調試降低了控制系統的構建周期。

2.5 體積輕便、功耗節能

PLC的制造使用了微電子技術，因此它具備體積輕便、結構緊湊的特點，并且由于模塊體積較小，所以功耗相對較低，在一定程度上起到了節能的作用。

3 PLC在工業自動化中的應用策略

現代PLC系統相較于傳統PLC系統具備十分明顯的優勢，但現代PLC系統的應用還處于起步階段，所以需要通過不斷地深化PLC技術的理論知識，并與實踐相結合的方式，來完善PLC產品的功能及優化改進。只有這樣PLC系統才能適應時代的需求，更好的為工業自動化服務[3]。

3.1 深化應用并加強PLC技術的研發

PLC技術應當不斷地創新和發展，通過解決工業自動化領域的實際問題，提升PLC技術的深度研發能力，并且通過不斷完善及強化理論體系的應用，對當前PLC技術進行優化改進，使PLC技術更加先進更加智能，以滿足當前及未來工業自動化領域對PLC的要求。

3.2 構建規范的PLC技術應用調試標準

由于PLC技術應用在社會各個領域，在各領域中的使用及用途都不相同，并且各廠商的PLC產品都存在技術閉環，所以PLC的應用及調試沒有一個統一的標準。如果制定一個統一的標準，那么就可以讓各領域之間產生緊密的聯系，通過推動統一的PLC標準能讓PLC技術在各領域中的應用更加深入，同時也有利于完善PLC的系統功能。因此，推動統一的PLC技術、質量檢查、系統規范等標準是十分有必要的。

3.3 強化信息對稱并搭建溝通平臺

PLC技術的應用都需要相應的溝通，如：需求溝通、業務溝通等，只有通過溝通才能確定PLC運用的目的，以及檢驗搭建的PLC系統是否合理。只有強化信息對稱，并且溝通順暢，才能讓PLC的應用更加符合實際需求。當然在后期運維的過程中，信息對稱及溝通平臺的搭建同樣也是十分重要的，只有通過不斷的反饋問題及解決問題，才能促使PLC技術更加完善，讓PLC系統的在工業自動化中的應用更加深入。

4 PLC在工業自動化中的應用分析

4.1 開關數量控制

開關控制是工業自動化中關鍵的應用場景之一。開關替代了傳統的繼電器電路，不僅可以用于單臺設備，還可以用于多機群控制。雖然它有著簡便的控制效果，但是開關數量過多可能會導致自動化運行過程中出現問題。因此，對開關的使用必須有嚴格的要求和控制。PLC技術的應用能有效解決這一問題，PLC技術能讓工業自動化控制更加智能與精細，因為它不僅能有效地控制工業自動化中的各種開關需求，同時也能提升控制精度，只需通過有效的調控即可[4]。

4.2 模擬量控制

在實際的工業自動化生產過程中，存在著很多不斷連續變化的量，我們稱之為模擬量，例如：溫度、流量、壓力、速度等。PLC控制系統可以通過編程控制器處理這些模擬量，但在處理之前，必須先對模擬量進行轉換，轉換成數字量后，可使用編程控制器對數字量進行相應處理，從而實現對量的精準控制。當前市面上各廠商的PLC控制系統產品基本都配有轉換模塊，用于編程控制器對模擬量的控制。

4.3 運動相關控制

在工業自動化生產活動中，PLC技術涉及到運動設計和運動掌握兩個方面，從運動設計角度來講，它可以通過運動模塊進行不同的組合，來達到投入生產的必需要求，并最終形成大規模完整的工業生產體系，但在生產過程中，如果生產流程發生變化，會存在難以進行變更的問題，PLC技術的使用能有效的解決這一難題，只需通過模塊化管理，從而達到精準管控的目的，以此來提升工業自動化生產的靈活性。從運動掌握的角度來講，PLC技術的使用不僅可以對工作對象進行精確掌握，還可以掌握多個工作對象運動間的協調[5]。

4.4 數據信息處理

數據信息處理在工業自動化生產過程中是十分重要的，它包括數學運算、采集、存儲、傳輸、處理等環節。隨著PLC技術的發展，通過編程的方式能讓PLC有效的解決數據信息處理問題，并依托工業網絡傳輸相關數據，以此來實現不同工業智能設備之間的對接，并且進行統一的調度控制以及數據管理，這樣可以減少人工操作帶來的工作失誤，從而提升整個工業自動化體系的操作效果。不僅如此，PLC技術還解決了數據分散和集中管理的問題，進而更深層次的實現了工業自動化生產過程中對數據信息處理的需求。

4.5 使用頻率控制

在工業自動化領域中，PLC技術可以對機械設備生產使用頻率進行控制。PLC技術通過編程的方式對設備的使用進行合理的設計，并通過計算得出設備的運行時間及狀態，從而對設備生產使用頻率進行規范化，以此減少長時間高負荷生產作業過程中對設備造成的損害，并延長設備使用的壽命，最終達到節約設備生產成本及運營成本的目的。

4.6 過程管控應用

PLC技術現已廣泛地應用于工業生產連續過程的管控，包括溫度、電壓、壓力、電流等運行參數的控制，通過參照歷史輸入信息并結合當前實際情況，產生生產所要求的輸出模擬量，并且使系統的工作按照一定的運行參數進行。不僅如此，如果在生產過程中出現了問題，PLC控制系統還可以對機器的操作進行自動控制，如：斷電、關閉等。因此，PLC技術讓工業生產制造具備了連續性，不僅改進了工作流程，同時也讓生產過程更加安全。

5 PLC控制系統的程序調試

PLC控制系統在完全投入生產之前，需要進行一系列程序調試，排查各種存在的問題，如：PLC控制系統能否滿足控制需求、是否滿足現場實際運行要求等。通過程序調試對系統進行檢驗及修改完善相關環節，讓系統能夠滿足工業生產的要求，盡量避免故障的發生。

5.1 實驗室調試

按照控制要求，PLC控制系統在完成程序設計之后，需要進行實驗室調試，以此來保障設計的正確性，之后才能投入生產。實驗室調試一般分為兩步：（1）首先編程器的狀態脫離主機控制，其次運行后臺軟件的檢查功能，對整個程序進行檢查，如存在錯誤就進行記錄和修改。（2）在沒有錯誤的情況下，讓編程器連接主機進行深入調試，以此來確保系統相關參數設置及狀態的正確性，在聯機情況下，對設計的程序進行逐步排查并修改完善，以此驗證設計的效果[6]。

5.2 廠家調試

PLC產品設備在出廠時，需要廠家對設備進行組裝并進行聯調，以此來保證出廠之前整個PLC產品設備的配置正確，并確保運行的正確性及滿足生產的要求。首先檢查相關設備模塊及接口的狀態，在確保狀態正確后，連通電源并觀察指示燈是否點亮，然后檢查系統程序中的“通信管理表I/Omap”，查看通信配置和相關模塊設置是否正確，接著使用仿真器連接系統的輸入模塊，觀察模擬系統運行的狀態，并根據反饋信號的順序進行相應開關的撥動。最后連接所有調試完畢的控制程序塊進行整體聯調，逐步排查每一條控制分支及邏輯是否合理，在整體上考慮所有PLC控制路線邏輯是否滿足要求。

5.3 現場調試及優化

PLC設備在現場按要求完成安裝后，在交付投入生產前需要進行驗收，檢查系統是否滿足設計要求、程序執行與設備狀態是否正常、執行結果是否達標等。在調試時，需要現場相關操作人員對程序的運行進行監控并微調，讓整個PLC控制系統能保持良好的運行狀態。由于工業自動化的工作環境比較惡劣，所以除了調試以外，必須還要對PLC設備進行優化，減少環境對PLC控制系統的影響，排除相關的干擾，同時還要加強對設備的維護。所以必須在以下方面予以重視及優化：（1）對電源電流輸入輸出的控制，保障輸入輸出電流的穩定，并且電源必須具備隔離性，這樣才能在工業自動化惡劣的環境中，減少電流對控制系統的干擾，可通過濾波器和變壓器來解決這個問題。（2）確保線路之間的敷設分開，如電源線路與通信線路的敷設，盡量在布線設計的時候就要考慮這個問題，并且還要考慮相關電氣控制單元與線路之間的實際距離，盡量減少線路干擾對控制系統的影響。（3）由于現場環境惡劣，一些信號往往會遇到磁場的干擾，造成信號誤差或者錯誤信號，所以可以采用數據濾波的方式來處理信號，排除相關磁場干擾。（4）PLC控制系統主要是通過軟件程序進行相關操作控制，所以軟件很可能會出現不可預期的問題，這時軟件容錯的作用就尤為凸顯，因為軟件容錯可以提高軟件的可靠性及安全性，利用新的軟件容錯技術，減少冗余規模及采用智能化決策，并且增加容錯覆蓋范圍，來實現PLC技術程序調試上的優化。

6 PLC在工業自動化中的應用展望

PLC技術的應用在我國工業自動化領域中十分廣泛，在數字化新時代的加持下，PLC技術的應用前景會更加深而廣闊。從軟硬件層面來講，PLC的性能和功能會不斷的完善增強，讓PLC擁有更快的運算能力、擁有更多的輸入輸出擴展以及更強的數據處理能力等，甚至可能將人工智能引入PLC技術，進一步讓PLC技術更加智能化的。從通信能力角度來講，隨著工業網絡5G技術的快速發展，PLC技術很可能與5G技術相融合，從而實現真正的互聯互通。從接入標準來講，PLC系統可能擁有更多的接口，讓其功能更加強大，可快速的實現系統及設備間的接入能力與聯動能力，達到高效無縫的協作，以及集中與分散管理的能力，從而進一步讓PLC的融合程度更加深入，更能解決行業應用的需求，從而創造獨特的價值。從信息安全的角度來講，傳統的控制系統，由于控制網絡之間具備隔離性，信息安全很容易實現，但未來的PLC技術，融合了各種技術，特別是通信方面的增強，讓數據信息安全變得脆弱，容易遭受到網絡攻擊及數據竊取，未來PLC技術的應用需要考慮網絡安全，并且增強數據信息安全的保護。在未來，PLC技術在工業自動化領域的應用潛力是巨大的，它會隨著工業自動化領域需求的變化，而不斷的適應和融合新的技術，強化自身的功能，并在未來扮演一個不可或缺的角色。

7 結語

隨著科學技術的發展與時代的進步，PLC技術的發展也有了長足進步，在工業自動化領域中，其應用會越來越深入廣泛，與工業自動化的結合也會越來越緊密，不僅如此，PLC技術還可憑借著自身的優勢及影響，促進整體生產工藝及生產水平的提升，并有效地刺激社會經濟的發展。所以加強PLC技術的研究，使其與時代無縫對接是有必要的，這樣可以讓我國工業自動化水平進一步提高。