PLC在工业自动化控制方面的应用

摘　要：本文可编程器PLC进行了简要介绍，并结合某卷烟厂的产品选型、设计思路两个方面，分析PLC系统在工业自动化控制中的实际应用。

关键词：PLC；工业自动化；应用
概述
　　可编程控制器(Programmable Logic Controller，即PLC)是一种数字运算和操作的控制装置，它是代替传统继电器发展起来的，集计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的电子系统。PLC 的开发是为了实现工业环境下单台设备控制到整个工厂流程的自动化，其特点是体积小、编程简单、组装灵活、抗干扰能力高、可靠性强。随着硬件、软件设计和开发技术的进步，PLC 的编程过程变简单了，功能和系统的开放性却大大增强。现在，PLC 广泛应用于机械制造、造纸、化工、轻工、电力、冶金等领域，是现代工业控制的支柱之一，大大推进了机电一体化进程发展。
　　PLC实质上是一种专门用于工业控制的计算机，它的硬件结构与微型计算机基本上是一样的，其组成构件有：
　　①电源：PLC的电源为整个系统提供工作电源，保证PLC各模块的集成电路能够正常工作，它在整个系统中有着非常重要的作用。
　　②中央处理单元(CPU)：CPU是PLC的控制中枢和核心部分，每套PLC至少有一个CPU，其主要工作是进行逻辑和数学运算，对整个系统进行控制，起到协调工作的重要作用。
　　③存储器：存储器可分为系统程序存储器和用户程序存储器，主要是用来存放系统的监控程序、用户程序、逻辑变量以及其他相关信息。
　　④输入输出接口电路(I/O模块)：I/O模块是PLC与现场设备输入输出的接口电路连接通道。在工作时，可以按照I/O的点数来确定模块的规格及数量，但其最大数仍受限于PLC系统底板或机架的槽数。
　　 在卷烟配料系统中的应用
　　2.1系统概述及工作原理
　　配料控制系统主要由配料输送流水线、高低料位仓监控、 配方计量控制、 混合搅拌控制及成品仓料位控制等组成。根据生产工艺要求, 烟丝成分配料控制和流量计量均由PLC 控制。在生产控制过程中,以烟丝主要成分(叶丝) 的计量流量为依据, 按配方比率掺配其他各料。配方计量控制是计量偏差与变频调速的结合,如图1 所示,由 PLC、触摸屏、变频器、电子皮带秤等实现。

　　当秤架上有烟丝流过时,由称重变送器输出一正比于烟丝重量的计量电平信号, 经A/D 转换成重量码Mp；由旋转编码器发出跟踪皮带速度的脉冲信号, 经计数器转换成速度码 Mv。再由 CPU计算得实时流量Qn= K n × Mp× Mv 及累计产量W= ?Qn dt , 两值经串口送显示屏显示。实时流量 Qn 与预置给定流量Qp相比较得配料偏差e = Qp - Qn , 经PID 调节改变DP A输出接口电平, 以控制变频器对输送电机的速度调节,即反向调节Mv 值,从而实现定量给料。
　　各配料同时混合计量,并按配方工艺要求加香、加水等,经均匀搅拌后送烟丝成品柜,以待后用。配料生产控制流程如图2 所示。

　　2.2 系统硬件设计
　　配料控制过程是一个多输入、多输出、滞后特性明显的特定对象, 除要求现场生产具备一定工艺条件外, 更要求系统硬件配置高可靠。基于系统设计要求,选用罗克韦尔A—B Contrologix 5000 PLC可编程序控制器为工作主机, 并配以相应的接口模块: DI/O 模块选用1746-IB16/ OW16, AI/O 模块1746-NI8V/NO4V,计数模块为1746 -HCSE。该系列PLC 采用模块式结构, 配置灵活, 功能齐全,运行可靠,具有良好的环境适应性和抗干扰能力；且软件编程简单, 指令丰富,易于学习和使用。PLC 负责配料工艺的算术运算及逻辑控制, 包括设备的状态检测、烟丝检测；执行逻辑、算术运算；输出执行指令(参数) ,完成级联控制、电机速度调节、配料启停等功能。控制系统硬件配置如图3 所示:

　　在人机交互的操作、显示界面上,采用GP370 彩显智能触摸屏,实行全程汉化人机对话触摸工作方式,性能稳定,操作灵活。以串行通信方式完成与PLC 之间通信,在线运行配比参数设定和信息查询,实现监控配料过程。
　　2.3 系统软件设计
　　2.3.1 PLC 软件设计
　　根据烟丝各原料在计量运算、配制控制方式上具有一定共性的特点,采用模块化结构方式设计系统控制程序,以提高程序的编程效率和可读性。设计时首先按工艺流程确定配料系统中各运行状态的先后次序及联锁关系；画出PLC 各输出信号与输入信号的逻辑、运算关系；再由关系转化为梯形图。该程序分别由烟丝计量、PID 运算、过程监控、故障诊断等程序段组成,采用模块化结构方式编制后, 程序流程有序、逻辑清晰。烟丝配料过程时间短, 条件多,运算复杂,为此,将系统的运行和故障联锁等全部由 PLC 控制,以提高系统的可靠性；在软件设计中适当添加联锁条件, 使各电子秤严格确保相互约束或定时关系；建立合适的状态标志位,并准确应用于各控制状态的设计中；设置识别及处理故障的能力,对系统中的烟丝料位、变频器异常等采用延时确认方式。
　　2.2.2 人机交互界面设计
　　系统人机交互操作、显示界面是基于Windows XP环境下设计, 选用Digital 公司的ProTool 软件编程, 该组态软件具有较高的稳定性和兼容性, 直观的图形界面便于学习和使用。软件编制时以填入式对话建立目标；将功能模块在策略编辑器中按工艺要求所需逻辑将其连接；分别对各功能文档进行配置,即在相应对话框中选择参数, 再定制最终的动态显示画面, 用于显示设备状态、参数设置、报警信息等。各显示画面可由“主菜单”自由切换, 在进入参数设置、配比调整等重要画面前设有口令管理, 使合法操作员才可进入对其实时监视,有效防范了系统重要数据的泄密和修改。系统运行主画面如图4 所示。

　　2.4系统优化
　　2.4.1 烟丝重量检测采用球头拉杆装置,由球头拉杆承载于计量支架与重量传感器间。由于储柜喂料对皮带经常产生颤动及秤架工作运行时的震动, 使传感器检测失真。改用垂直受力的拉杆结构后, 可减少检测误差。
　　2.4.2添加皮带纠偏装置。在秤架两侧安装皮带导轮及跑偏调整托辊, 实现皮带运行时自动纠偏,以利于电子秤运行稳定、计量准确。
　　2.4.3控制电机选用进口SEW 电机, 它动态性能好,运行平稳,转矩大,变速反应迅速、准确,有效消除配料因执行机构反应滞后产生的误差。
　　2.4.4为抑制电源及变频调速器对控制系统的噪声干扰,采用线路滤波器、 隔离变压器及分离开关单独供电。线路滤波器安装时尽量靠近 PLC 电源,用最短双绞线连接,且将其输入、 输出配线分开；变频调速器及其配置的滤波器尽量置于柜体底部,缩短柜内线段,滤波器外壳接地。
　　2.4.5对检测开关、PLC I/O 信号、重量变送器、速度编码器等采用专用净化电源供电, 以提高信号线路的抗干扰能力及整套设备的电磁兼容性。
　　2.4.6采取合理的配线方式。控制线路、电源线路和信号线路分别独立配线, 且相互间保持一定距离, 设法避免长距离平行配线,采取垂直交叉走线方式,以及输入、输出信号线分槽布置。对速度调节、流量计量、测速脉冲等信号采用双绞屏蔽电缆传送, 并将信号线屏蔽层一端可靠接地。
　　3 PLC 在工业控制应用中的注意事项
　　3.1 温度
　　对于PLC 而言，它所要求的环境温度是0～55 ℃，那么，在进行安装时，不可以把它放在发热量较大的元件下面，周围要有足够大的通风和散热空间，在基本单元和扩展单元之间必须确保其间隔要大于30 mm，在开关柜上，不应设置通风百叶窗来避免太阳光的照射，一旦周围的环境比55 ℃高，就必须安装风扇强迫通风。
　　2.2 湿度
　　空气的相对湿度要保持在小于85%的范围内，并且没有凝露，目的是对PLC 的绝缘性进行保证。
　　2.3 震动
　　PLC 不应该靠近强烈的振动源，要尽可能的远离，防止振动频率为10～55 Hz 的频繁振动或者连续振动，如果在使用环境中不可避免会有震动时，就必须采取相应的减震措施，如使用减震胶等等。
　　2.4 电源
　　PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。
参考文献：
[1] 魏雪松.浅谈工业自动化控制中PLC 的应用［J］.民营科技，2008(12).
[2] 邓高寿，潘宏侠.PLC 在工业自动化控制领域中的应用［J］.机械管理开发，2006(6).