PLC在機械電氣控制裝置中的運用研究

周燕

摘要：本文深入研究了可編程邏輯控制器（PLC）在機械電氣控制裝置中的運用。通過詳細介紹PLC的定義、組成、工作原理及編程語言，本文展示了PLC如何有效地提高數控機床、工業機器人和自動化生產線的控制效率和準確性，探討了PLC在機械電氣控制系統中的應用以及隨著技術發展PLC在未來自動化控制領域的發展趨勢，指出了PLC技術在提高生產效率、降低成本、增強系統靈活性方面的重要性。

關鍵詞：PLC；機械電氣控制裝置；數控機床；工業機器人

引言

隨著工業自動化標準逐步提升，原有的機械電氣控制系統已無法勝任現代工業高效精確的需求，借助可編程邏輯控制器（PLC）的高度靈活性、穩定性和便捷編程功能有助于提升機械電氣控制系統的性能。

一、機械電氣控制裝置概述

（一）機械電氣控制裝置的定義

機械電氣控制裝置是指應用在機械設備上的電氣控制系統，它利用電氣元件按照一定的邏輯關系對機械設備進行控制和監視，實現機械設備自動化運行。機械電氣控制裝置主要由控制部分和執行部分兩大部分組成。控制部分負責按照預定的程序對執行部分進行指令控制，執行部分則根據控制指令驅動被控對象（如電機、氣缸等）完成相應的動作。傳統的機械電氣控制裝置采用繼電器、計數器、定時器等元器件構成邏輯控制電路，工作可靠但布線復雜、調試困難、擴展性差。

（二）機械電氣控制裝置的作用

機械電氣控制設備在當今工業生產領域扮演著關鍵角色，自動化控制具備提高生產效率及產品質量、以及緩解人工勞動壓力的優勢，能根據工藝要求對設備進行監測與防護，確保設備處于穩定、安全的運行狀態，程序化和規范化的生產工藝也有利于質量控制和生產管理，更為重要的是一些先進的控制系統還增設了數據采集與工藝優化等功能為企業決策提供有力支持。

二、PLC的基本概念及工作原理

（一）PLC的定義及組成

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱“PLC”）是一種專用于工業生產環境的數字運算操作電子系統，它采用一種類似于電腦的操作方式以指令語句為程序依據，通過循環掃描的方式對輸入量進行邏輯運算處理，然后將處理結果輸出到被控對象，實現對生產過程的自動化控制，PLC主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入／輸出（I/O）接口、編程終端等部分組成，CPU負責執行控制程序和處理指令，存儲器存儲用戶程序和數據，I/O接口與被控對象連接實現信號傳輸，編程終端用于編寫和修改控制程序。

（二）PLC的工作原理

PLC控制系統的工作原理主要包括四個步驟：首先，經由輸入接口將現場的工藝參數和設備狀態以開關量或模擬量的形式輸入到PLC系統；其次，PLC的CPU根據用戶預先編寫并存儲在存儲器中的程序對輸入量進行邏輯運算，產生相應的輸出結果；然后，PLC通過輸出接口將輸出結果轉化為相應的開關量或模擬量輸出到控制對象，最后現場的控制對象（如電機、閥門等）按PLC的控制指令工作，在PLC的自動化控制下實現預期的工藝生產任務。該過程周而復始，形成一個反饋閉環控制系統。

（三）PLC編程語言

PLC編程語言是完成PLC控制程序編寫的專用語言，主要有梯形國（Ladder Diagram，LAD）、指令列表（Instruction List，IL）、功能塊圖（Function Block Diagram，FBD）等幾種標準語言。

三、PLC在機械電氣控制系統中的應用

（一）數控機床控制系統

1.PLC在數控機床中的作用

數控機床作為現代工業加工業中的主力軍，其自動億控制系統則是確保其高效穩定運行的核心，在該系統中PLC起著舉足輕重的作用，PLC負責數控機床各類輔助功能的控制包括主軸啟動、冷卻液供給、工件裝夾以及機床安全防護等，這些都是數控加工至關重要的補充環節，需要以極高的精確度和可靠性來執行，PLC還承擔著對裝置組件的運行狀態監測和故障診斷工作若發現異常狀況或故障，它將會立即采取系統保護措施并發出警報力求避免造成嚴重損失，PLC還負責控制數控機床與其他配套設備間的聯鎖操作，如機床與車床料架、機械手的協同作業均由PLC負責協調及掌控。

2.PLC控制系統的設計

數控機床PLC控制系統的設計通常遵循模塊化、分層次的原則，系統硬件主要包括CPU模塊、電源模塊、輸入，輸出模塊等，其中I/O模塊負責與現場設備的連接和通信，軟件系統則由底層的硬件驅動程序、系統基本功能模塊、用戶自編應用程序等組成，在具體的控制程序設計中要對機床系統的功能需求進行分解，將輔助功能單元、安全防護單元、監控診斷單元等按功能模塊進行劃分。然后針對每個功能模塊，按照梯形圖等PLC語言形式編寫相應的控制程序，實現相關的邏輯控制算法，設計人員要根據現場接線情況，對PLC的I／O點進行適當的分配和地址映射，為提高控制系統的可靠性、安全性和友好性設計時還需要增加相應的冗余備份措施、故障診斷功能和人機交互界面等。

（二）工業機器人控制系統

1.工業機器人控制系統的組成

工業機器人控制系統是一種精密復雜系統，主要由三大部分構成，即機器人本體控制系統、示教編程裝置及外圍功能控制系統，其中機器人本體控制系統是主體，負責實現機器人的運動控制，其結構包含數字式伺服驅動系統、運動控制器及機器人控制器，伺服驅動系統驅動關節運動，運動控制器執行運動規劃和軌跡插補運算機器人控制囂實施整體動力學分析和控制算祛的實現。示教編程裝置是人機交流的關鍵接口，主要由示教囂、編程單元等硬件設備和編程軟件系統所組成該裝置預設了機器人工作的先決條件。外圍功能控制系統負責實施除機器人本體控制外的所有輔助控制功能如自動上下料系統、夾具／手爪控制、安全防護系統等，確保整個工作流程能夠安全且高效地運行。

2.PLC在工業機器人控制中的應用

數控機床PLC控制系統設計依從模塊化、分層級原則，硬件設施主要包括CPU模塊、電源模塊及輸入/輸出模塊等，其中I/O模塊用于現場設備集成及通訊。軟件系統則包括底層硬件驅動程序、系統基礎功能模塊以及用戶自編應用程序等，控制程序需依據機床系統功能需求進行分解將輔助功能單元、安全防護單元、監控診斷單元等劃分為獨立功能模塊。針對每個功能模塊，采用梯形圖等PLC編程語言編寫相應控制程序，實現相關邏輯控制算法，設計人員需依據現場接線情況對PLC I／O點進行妥善分配并地址映射確保系統可靠性、安全性及友好性，增加冗余備份措施、故障診斷功能及人機交互界面亦是必要。

（三）自動化生產線控制系統

1.自動化生產線控制系統的特點

自動化生產線是指在生產過程中，采用自動傳遞、自動操作、自動檢測和自動控制等技術手段，使生產過程實現自動流轉和連續化作業的生產線系統，相比普通生產線，自動化生產線具有以下幾個顯著特點：

自動化生產線的自動化程度很高，生產過程中絕大部分工序都由自動控制系統完成，人工干預較少，這極大地提高了生產效率和產品質量的一致性。自動化生產線的靈活性很強，通過控制系統的參數設置和程序調整，可適應不同品種和規格產品的生產需求實現戶戶通技術提高設備利用率。自動化生產線生產過程可實現全過程監控，系統可自動采集關鍵工序的參數數據，并對異常情況實施報警和自動處理，確保生產過程可視、可控、可追溯。

2.PLC在自動化生產線中的應用

在自動化生產線控制系統中，PLC扮演著十分重要的角色，由于生產線需控制的對象種類繁多，且各工序之間存在復雜的聯鎖、串行和并行邏輯關系，這些特點都很適合交由PLC來承擔控制任務。

四、PLC在機械電氣控制系統中的發展趨勢

PLC本身的硬件性能將持續提升，未來PLC將采用更快、更大容量的處理器和存儲器，提供更多的編程指令集和功能庫，同時還會支持更多種類的現場總線接口，實現與更多設備的無縫連接，硬件平臺的升級將大幅提升PLC的控制性能和適應能力。PLC軟件系統將更加智能化，實現更為智能的過程控制和優化決策功能，同時軟件系統也將更加人性化，操作界面更友好，遠程維護更使捷。

結論

展望未來，隨著智能制造和工業4.0的進一步發展，PLC的功能將更加強大，應用范圍將更加廣泛，未來的PLC技術將更加注重與信息技術的融臺如云計算、大數據、物聯網（loT）等新興技術的結臺以實現更高級的數據分析、遠程監控和智能控制，隨著人工智能技術的進步，PLC的決策能力和自適應能力也將得到顯著提升為實現更加智能化、靈活化的生產梳程提供強有力的支持。