探討PLC控制技術在機械自動化控制中的應用

王秀鋼

［摘 要］機械自動化控制是工業高速發展的要求，機械自動化控制不僅可以提高機械生產的效率，還能提高機械生產的安全性。在機械自動化發展過程中，控制單元過少、自動化功能簡單是一直困擾機械自動化控制行業的問題。PLC控制技術具備操作簡單、適用性強以及可實現復雜功能等優點，在機械自動化控制中應用，可以解決機械自動化控制中存在的問題。現階段，PLC控制技術已被廣泛應用于機械自動化控制中，推動了機械自動化控制的發展。本文分析了PLC控制技術的內容、工作原理和應用優勢，在此基礎上，剖析了PLC控制技術在機械自動化控制中的具體應用。

［關鍵詞］PLC控制技術；機械自動化控制；應用

［中圖分類號］TP2文獻標志碼：A

將PLC控制技術應用于機械自動化控制中，可以實現對機械整體運行過程的動態管理，PLC控制技術對機械運行的數據進行采樣、分析，然后輸出程序，控制機械的運行方式。當機械的輸入條件發生改變時，PLC技術可以自動刷新輸出，從而達到自動控制機械運行的功能。隨著PLC自動控制技術的發展和在機械自動化控制中的進一步加強，目前的機械自動化控制已經實現了高效率、低能耗、高精度的制造能力。

1 PLC控制技術概述及其原理

1.1 PLC控制技術概述

PLC是一種數字運算控制器，具有存儲和執行控制指令的功能。PLC通常包含CPU、內存、輸入接口、輸出接口、轉換器等模塊。最早的PLC只能實現邏輯控制的功能，隨著自動化技術和計算機技術的不斷發展，如今的PLC控制系統已經可以實現時間控制、 模擬控制、多機協同控制等功能，在機械自動化控制中得到了進一步的運用。

1.2 PLC控制技術的原理

PLC控制技術采用循環掃描的工作原理，用戶程序按順序存儲在PLC中，處理器從第一個命令開始執行程序，與最終機制相遇后返回第一個程序，完成一次循環掃描。在PLC的掃描過程中，核心是程序的輸入、執行及輸出這三個階段，內部處理和通信則是程序運行過程的助力，也是PLC掃描過程必不可少的兩個階段，PLC按照順序執行這五個階段命令所花費的時間，就是一個掃描周期。PLC有停止和工作兩種狀態，只有在工作狀態下，PLC才會執行按順序循環掃描的指令；在停止狀態下，PLC只執行內部處理和通信的指令。輸入抽樣是PLC工作的第一階段，在輸入抽樣中，PLC將序列讀取系統所有端口的一般狀態，并將讀取的數據存儲到輸入顯示存儲器中［1］。第二階段是方案執行階段，在程序運行期間，輸入顯示寄存器不接收外部的信息，在這個階段，即使輸入信號發生了變化，映射寄存器的內容也保持不變，只有在下一個掃描周期才能讀取信息。第三個階段是程序執行，PLC根據標準PLC圖掃描原理，按從左到右然后往下的順序掃描，當用戶程序處于I/O狀態時，PLC將讀取上一階段顯示寄存器中輸入端口的狀態，然后讀取輸出寄存器中對應的顯示寄存器，遵循一定的邏輯對用戶輸入的程序進行計算，并將結果放入相應設備的寄存器中，在程序執行過程中，設備顯示的內容也會隨之更改。最后一個階段是輸出處理，程序執行完成后，將程序執行的結果轉化為信號傳輸到需要控制的設備上，實現對設備的控制。

2 在機械自動化控制中運用PLC控制技術的優勢

2.1 操作方便靈活

PLC具有良好的靈活性，特別是模塊式的PLC。模塊式PLC主要由CPU模塊、輸入/輸出模塊、能源模塊和具體的功能模塊組成。在機械自動化控制系統中運用模塊式PLC，可以根據系統不同的需求選用不同功能的PLC，對機械自動化控制系統的功能擴展有著重要的作用。不僅如此，模塊式的PLC還具備裝配方便、操作靈活的特點。

2.2 可以實現更為復雜的功能

在機械自動化控制系統中運用PLC控制技術，可以實時采集機械自動化系統的運行數據，并對數據進行整理分析，提前識別機械運行異常，保證機械能夠持續有序地運行。此外，PLC還可以采集機械自動化系統運行期間的圖片或是視頻，并將相關的數據傳輸到輸出顯示器中，技術人員根據圖片或是視頻，可以直觀地了解和分析機械自動化系統的運行情況，根據這些數據，技術人員可以調整機械自動化系統運行的參數，確保系統能夠運行順暢。此外，PLC具備良好的抗干擾性能，將這一性能運用到機械自動化控制系統中，可以降低外部因素對機械自動化系統運行的影響，提高機械設備運行的穩定性［2］。

2.3 具有良好的適用性

PLC控制技術的適用性特點包括以下四個方面。第一，單機控制，常被用于一些功能簡單的機械自動化控制系統中，單機控制系統不需要與其它設備協同控制。第二，集中控制，適用于需要協同控制多個對象的機械自動化控制系統，由同一臺PLC完成對多個對象的控制。第三，遠程I/O控制，該系統主要用于龐大的機械自動化控制系統中，龐大的機械設備需要控制的對象多且分散。第四，分布式PLC控制系統主要用于多對象控制系統中，分布式PLC控制系統由多個PLC組成，PLC之間通過網絡進行連接，每臺PLC控制一個或相對集中的幾個對象，PLC和控制對象之間組成一個相對獨立的單元，網絡將這些單元連接在一起，構成機械自動化控制的網絡系統，這些單元可以由統一的控制中心管理或是調度。在機械自動化系統中，一些大型的自動化生產線或是柔性加工系統常會用到這種控制技術。

3 機械自動化控制的其他系統

在機械自動化控制系統中，除了PLC系統，常用的還有DCS控制系統和FCS控制系統。

3.1 DCS控制系統

DCS是一種集散型的控制系統，該系統可以分散控制自動化系統中的風險元素，達到降低風險、提高系統設備運行穩定性的目的。DCS控制系統主要運用了PLC混合技術，將PLC控制技術和計算機技術結合在一起，收集設備運行的各項參數，并對數據進行整合與分析，通過數據判斷設備的運行狀態，然后對設備發布指令，調整設備的運行狀態，使設備始終處于最佳的運行狀態中，降低故障發生的概率。當設備發生故障時，DCS系統的分散控制技術可以對設備故障的發生點進行快速定位，并對故障的原因進行初步的分析，方便技術人員技術處理故障，降低對設備運行的影響。

3.2 FCS控制系統

FCS控制系統是一種現場總線控制系統，該系統具有雙向性的特點，控制現場的設備之間可以實現雙向數字通信。數字智能裝置是FSC控制系統的主要硬件支持。FSC控制系統可以實現信息處理現場化，減少了信息傳輸的時間，提高了數據處理的效率。將該系統應用于機械自動化控制系統中，技術人員可以及時獲取有效的數據，更好地開展對機械設備的自動化管理工作［3］。

4 PLC控制技術在機械自動化控制中的應用

4.1 在機械自動化系統中處理數據與通信

數據是機械自動化控制系統運行的重要依據，系統良好的數據處理功能，是實現系統設備運行精準度的保證。PLC控制技術具備良好的數據監測、運算和處理功能，不僅可以采集機械設備的運行數據，還能對采集的數據進行精準的運算，既可以采取矩陣類型運算，也可以采取函數類型或是邏輯類型的運算。PLC將運算的結果傳輸到控制系統中，轉換后與系統存儲器內預先設定的參考數據對比，進而對系統發出控制的指令，實現自動化控制的功能。PLC的通信功能可以實現數據的快速精準傳輸，該功能與現代有線通信技術和無線通信技術相結合，則可以完善機械自動化系統的通信功能，確保系統的通信功能既能滿足機械自動化控制的需要，又能滿足管理人員對設備進行管理所需的通信要求。運用PLC技術的數據處理功能，系統可以及時識別機械設備的故障并對故障進行分析，同時啟動報警系統，通知系統管理人員。管理人員根據PLC的數據，及時處理故障。

4.2 對系統中設備運動和生產過程的控制

PLC技術可以實現對機械運動零部件的運動控制，這是機械自動化的基礎。PLC控制技術掌握機械自動化系統中各類型運動零部件的狀態，在實際的控制過程中，根據程序的輸出命令，控制零部件的運動軌跡，實現自動控制的功能。例如，在數控機床的控制系統中，利用PLC技術和位置傳感器，就可以控制數控機床的運行方向和機械手的運動軌跡。又如，在自動化生產線上，利用PLC技術的位置檢測功能，就可以控制零部件在傳送帶上的運行軌跡。在生產過程控制方面，利用PLC技術，可以實時監測生產的全過程。PLC還可以監測生產過程的可變參數，根據參數變化對設備發出調整的指令，提高設備運行的安全性［4］。石油化工行業經常需要面對一些易燃易爆的氣體或是液體，在生產過程中，可以采用PLC控制技術監測氣體或是液體的相關參數，如壓力參數等，系統根據參數調整設備的運行參數和控制設備的運行動作，確保生產能夠安全運行。

4.3 在機械自動化系統中進行開關的編輯和控制

在機械自動化控制中，需要利用繼電器的功能完成開關狀態的設置。與傳統的需要人為控制繼電器的開關相比，PLC技術可以實現繼電器開關的自動化操作。利用PLC技術監測生產線或是設備的運行狀況，根據設定的程序，當檢測到生產線或是設備需要開時，PLC輸出“1”的信號，驅動控制模塊，繼電器接通；當檢測到生產線或是設備需要停止時，PLC輸出“0”的信號，繼電器斷開。對一些特殊的設備，“0”和“1”的設定可以保護設備和設備操作人員的安全，當PLC系統檢測到設備有異常狀況時，及時輸出“0”的控制信號，切斷設備的電源，暫停設備的運行，直到異常情況解決后，才輸出“1”的控制信號，接通設備的電源。

4.4 可以實現機械自動化系統的閉環控制

PLC的閉環控制技術，在泵類設備中得到了廣泛的應用，特別對多個泵組成的泵組系統，PLC控制技術更具備優勢。泵類設備在運行過程中對密封有較高的要求，傳統的泵組系統多采用分布式閉環控制系統，在對每一個設備都設置了獨立的密封結構的基礎上，控制泵類設備的運行狀態。復雜的泵組系統給管理、維護和維修帶來了很大的困難。利用PLC技術對泵組系統進行控制，可以在不用給每個設備都設置獨立密封結構的情況下實現閉環控制。PLC控制系統將泵組設備連接在一起，統一密封，同時對泵組的數據進行共享和管理。在實際的生產過程中，如果系統內的設備出現了故障或是閉環控制失去了作用，控制系統可立刻檢測到相應的情況并識別故障設備，切斷故障設備的電源。PLC控制技術還可以監測閉環系統內設備運行的各項參數，包括壓力、流量等，根據參數判斷設備的運行狀況，如果設備的運行狀況出現了問題，可及時做出調整，必要時可以切斷設備的電源［5］。

4.5 在機械自動化控制中用作順序控制

機械自動化生產過程必須按照程序設定的步驟進行，順序一旦出錯則無法完成生產。在傳統的控制系統中，一旦自動化生產流程的某個機械設備出現了問題，生產只能停止，待設備維修完成再重新運行，對生產效率影響較大。有時還會出現設備出現了故障，但是技術人員沒有及時發現并采取措施，導致產品質量出現問題的現象。PLC控制技術可以對生產流程進行順序控制，實時監測生產系統設備的運行情況，發生設備出現問題時，PLC計算后會調整運行參數，在不叫停生產線的情況下修復問題。PLC還可以對生產系統整體設備進行控制和分析，當某個設備出現故障時，PLC從整體出發，通過調整設備的運行順序、變更設備的參數或是采取替換操作等功能，盡量保障生產線能夠持續運行。

4.6 PLC技術在機械自動化控制中的應用發展方向

隨著PLC技術的發展和應用理論的完善，PLC控制技術在機械自動化控制中的應用優勢也越發明顯，隨著PLC技術在機械自動化控制系統中的深入應用，未來在機械自動機控制中應用PLC技術，需要關注以下幾點。第一，基于機械自動化控制的需求，對PLC技術進行深度的開發，形成一套為機械自動化控制所用的PLC控制技術體系。第二，制定PLC技術在機械自動化領域中的應用規范，建立相關的應用標準，使機械自動化行業能夠規范、標準地應用PLC技術。第三，開發更多的PLC自動控制的標準模塊，提高標準模塊在機械自動化控制中的適應性，使機械自動化控制可以實現更多模塊化的控制模式。第四，提高PLC模塊的抗干擾性能，使PLC模塊能夠適應更惡劣的環境，并保持運行的穩定性。

5 結語

機械自動化控制是現代工業發展的基礎和方向。PLC控制技術通過其強大的運算功能和數據處理功能，對機械自動化控制系統進行整體或局部的監測、控制，可以提高機械自動化生產的效率、提升產品的精密度、延長設備的使用壽命、降低生產過程中的能耗。目前PLC控制技術結合計算機技術，已經可以實現多系統、遠距離的控制功能。隨著PLC技術和計算機技術的進一步發展，相信在不久的將來，PLC控制技術在機械自動化控制中，將會得到更廣泛的應用，推動我國機械自動化控制技術的飛躍。

參考文獻

［1］宋陽. PLC技術在機械電氣自動化控制中的應用［J］. 造紙裝備及材料，2022，51（11）：43-45.

［2］陶丹丹. 探究PLC技術在機械電氣自動化控制中的應用［J］. 機械設計，2021，38（10）：160-161.

［3］李強. 機械自動化控制中PLC技術的應用探討［J］. 電子世界，2021（11）：13-14.

［4］王超. 機械自動化控制系統中PLC控制技術的應用分析［J］. 現代工業經濟和信息化，2021，11（5）：80-81，108.

［5］聶小娟. 機械自動化控制系統中PLC控制技術的應用分析［J］. 南方農機，2020，51（24）：148，158.