PLC 技術支持下電氣設備精裝控制系統設計研究

黃佑軍

（貴州潔仁達凈化科技有限公司，貴州 貴陽 550003）

0 引言

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為一種專用工業控制的電子設備，可根據用戶自編寫的程序，對輸入信號進行監測，并相應控制輸出，以實現自動化控制。其核心組成部分包括中央處理單元（CPU）、內存、輸入/輸出（I/O）接口和通訊接口[1]。其中，CPU 執行存儲在內存中的控制指令，處理輸入信號，并根據邏輯程序決定輸出信號。I/O 接口則負責連接傳感器、執行器等外部設備，將現場數據轉換為電子信號，供CPU 處理，并將控制命令傳遞給外部設備執行。并且，隨著工業4.0 的發展，PLC 技術也在不斷進化，集成了更多高級功能，如遠程監控、數據分析、云連接和物聯網（IoT）功能，使得PLC 不僅是一個簡單的控制器，而是成為智能制造和工業自動化系統中不可或缺的智能設備[2]。因此，本研究旨在在PLC 技術控制下，完成對電氣設備精裝控制系統的優化設計，以精準控制電氣設備，從而提高工作效率與質量。

1 基于PLC 技術的電氣設備精裝控制系統軟件設計

1.1 PLC 程序結構設計

本次系統的PLC 程序結構設計將采取層次化、功能驅動的方法，以支持電氣設備的精裝控制。程序將遵循嚴格的實時操作原則，以保障快速、準確的控制響應。其中，PLC 程序將分解為多個任務，包括實時控制任務、周期性檢測任務和異常處理任務。每個任務都將分配特定的優先級，確保關鍵控制任務可以優先執行，同時保證系統的響應性。同時，程序將采用模塊化編程方法，每個控制功能都封裝在獨立的功能塊或子程序中，便于測試和維護，也有利于未來的功能擴展和系統升級。

1.2 PLC 功能模塊設計

PLC 功能模塊設計涵蓋三個關鍵組成部分：核心主程序、I/O 處理例程和中斷處理例程。

1.2.1 核心主程序

核心主程序是整個PLC 操作的指揮中心，主要職責在于激活和同步各分程序的活動。核心主程序的有效運轉依賴于與從屬設備的通信連接及相應信息的收集，要求在設計時要特別注意通信協議的選取與參數配置。主程序采用梯形圖編寫，利用指令集來執行各種命令。例如，向PLC 傳遞“01”指令將導致其返回當前的時間和狀態變量，而“02”指令觸發計時器功能。其核心主程序編程示例如下：

上述編程示例中，第一個橫行表示當PLC 接收到指令“01”時，會觸發一系列操作，如激活一個輸出來返回當前的時間和狀態變量。第二個橫行表示當PLC 接收到指令“02”時，會啟動一個計時器（例如，為了執行延時操作或計量某個過程的持續時間）。第三個橫行表明當指令“01”未被激活時，可能會有一個默認的計時器在運行，對系統的其他功能進行計時。在實際的PLC 編程中，此類圖形化的梯形圖將會轉換為PLC 可以執行的低級機器指令。同時，梯形圖會通過PLC 的編程軟件進行更復雜的設置，如為計時器設置時間參數，為狀態變量和寄存器分配特定的地址等。此外，為適應不同的場景和需求，程序也包含邏輯來修改寄存器值或調整計時器的參數。

1.2.2 I/O 處理子程序

I/O 處理子程序的角色是接收傳感器和執行器傳來的信號，同時對信號進行適當的處理，將其轉換為數字信號以供其他系統部分使用。在設計I/O 接口電路時，為保障系統穩定性及可靠性，盡量減少資源消耗，使用光耦合隔離輸入信號線，保護PLC 內部電路免受高電壓或電流沖擊[2]。設計邏輯如下：

（1）初始化階段：在PLC 啟動時，I/O 處理子程序會初始化所有的I/O 端口，配置每個端口的模式（輸入或輸出），并根據需要設置初始值。

（2）循環掃描：PLC 程序會周期性地讀取輸入信號，并根據實際應用的邏輯處理這些信號。這些邏輯處理可能包括信號的縮放、轉換或映射。

（3）輸入處理：對于輸入信號，處理子程序會應用濾波算法去除噪聲，執行必要的信號調節，比如量程調整、線性化處理等。

（4）輸出驅動：對于輸出信號，子程序會將控制邏輯的結果轉換為適合執行器的信號，涉及PWM 生成、DAC 輸出等。

（5）故障檢測與報警：監測I/O 信號異常，如斷線、過載等，并將相關報警信息傳遞給故障處理模塊。

（6）數據交換與同步：確保I/O 數據與主控制邏輯同步，以便實時更新控制策略和系統狀態。

1.2.3 中斷服務程序

在PLC 程序中，中斷服務程序設計為當特定的外部事件發生時立即中斷常規處理流程，執行緊急的處理邏輯。其設計關鍵在于快速識別和響應那些需要即時處理的情況，如停機請求、安全警告或其他關鍵的系統事件。以下以結構化（ST）語言，截取本次中斷服務程序編程設計。

其中，EmergencyStopActivated 和SafetySensorTriggered 變量模擬外部硬件設置的中斷觸發條件。當此類條件為真時，相應的中斷服務例程會被執行。而PERFORM_EMERGENCY_SHUTDOWN 和HANDLE_SAFETY_SENSOR_TRIGGER 函數包含了應對不同中斷事件的具體邏輯。LOG_EVENT 函數用于記錄中斷事件。

2 實驗測試

2.1 實驗環境

為了全面評估基于PLC 技術的電氣設備精裝控制系統的性能，實驗在一個特定的試驗環境下進行，該環境將模擬CAK6163 型號電動通用車床的實際工作條件。

（1）實驗設施配置：實驗設立在一個模擬車床操作的工業實驗室內，該實驗室具備必要的電源管理系統、溫濕度控制設備以及聲學隔離措施[3]。CAK6163 車床將與PLC 控制系統集成，控制系統的輸入/輸出接口將直接連接到車床的驅動單元、傳感器和執行器。同時還配置一個中央控制臺，配備計算機和HMI 界面，以便操作人員實時監控實驗狀態并調整控制參數。

（2）網絡和通信設置：實驗室內部署一個局域網絡，確保PLC 控制系統可以無縫連接到上位機軟件，以便于數據記錄和分析。網絡配置應支持高速以太網通信，確保文件傳輸和數據交換的高效率。

（3）數據采集與監測系統：為衡量控制系統的精確度，實驗將利用高精度的數據采集設備記錄車床操作時的延遲數據，包括啟動、停止和響應等操作的延遲時間。數據采集系統還將監測和記錄控制指令的傳輸時間和執行效果，以驗證系統的實時性能。

（4）安全措施：為保障實驗安全，實驗室配備緊急停止按鈕、火災報警器和安全隔離區域，確保在任何緊急情況下都能立即采取措施。且所有操作人員都將接受專門的安全培訓，并穿著適當的個人防護裝備。

2.2 實驗方法

延遲測試：從控制命令發出到車床動作響應的整個過程中，使用高速數據采集系統（如示波器或邏輯分析儀）測量精確的時間延遲。

響應時間測量：通過在PLC 程序中嵌入時間戳記錄功能，測量處理各種控制命令的時間。例如，使用高分辨率計時器來標記指令接收、處理和執行的確切時刻。同時對于文件傳輸任務，測量傳輸開始、完成和確認的時間點，確保系統在數據處理上的效率。

2.3 實驗結果分析

實驗在10 次測試之后，統計了機床啟動、暫停、文件傳輸的延時數據，測試結果見表1。

表1 實驗結果

通過對表1 數據的深入分析，得出以下結論：

（1）啟動延遲分析：啟動延遲時間在18.28～20.21 ms 的范圍內，平均值約為19.51 ms。表明控制系統對啟動命令的響應時間較為一致，顯示出系統在啟動過程中的高度穩定性和可靠性，可適應大多數工業應用。

（2）暫停延遲分析：暫停延遲時間介于10.18～13.03 ms 之間，平均值約為11.78 ms。說明控制系統能夠迅速執行暫停命令，進一步證明了系統的反應速度和執行效率，對于確保操作安全和防止設備損壞具有較大優勢。

（3）文件傳輸延遲分析：文件傳輸延遲時間在27.65～30.31 ms 之間，平均值約為29.11 ms。考慮到文件傳輸涉及數據處理和網絡通信等多個步驟，此范圍內的延遲時間顯示了系統在處理數據和維持通信效率方面的良好性能。

試驗結果顯示，基于PLC 技術的電氣設備精裝控制系統在啟動、暫停和文件傳輸方面均表現出了優秀的性能和較低的延遲時間，滿足了設計初衷和工業應用的要求。且系統的響應時間和執行效率在實驗條件下證明了其可靠性和穩定性，符合現代工業自動化對控制系統的高標準要求。此外，控制系統的一致性和可預測性對于提升生產效率和保障設備安全運行具有重要意義。

3 結語

通過將西門子SIMATIC S7-1500 作為控制系統的核心，結合SICK WT2S-P211 系列光電傳感器，完成對電氣設備精裝控制系統的優化設計，實現了對對電氣設備操作執行時間的精準控制。經試驗驗證，基于PLC 技術的電氣設備精裝控制系統在實際應用中具備高效、穩定且可靠的控制性能，能夠滿足復雜工業環境中對精確控制的需求。因此，該系統非常適合應用于要求高精度和快速響應的電氣設備控制場所，具有較高的應用推廣價值。