PLC 技術(shù)支持下電氣設(shè)備精裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃佑軍

（貴州潔仁達(dá)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(yè)控制的電子設(shè)備，可根據(jù)用戶自編寫的程序，對輸入信號進(jìn)行監(jiān)測，并相應(yīng)控制輸出，以實(shí)現(xiàn)自動化控制。其核心組成部分包括中央處理單元（CPU）、內(nèi)存、輸入/輸出（I/O）接口和通訊接口[1]。其中，CPU 執(zhí)行存儲在內(nèi)存中的控制指令，處理輸入信號，并根據(jù)邏輯程序決定輸出信號。I/O 接口則負(fù)責(zé)連接傳感器、執(zhí)行器等外部設(shè)備，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子信號，供CPU 處理，并將控制命令傳遞給外部設(shè)備執(zhí)行。并且，隨著工業(yè)4.0 的發(fā)展，PLC 技術(shù)也在不斷進(jìn)化，集成了更多高級功能，如遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、云連接和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）功能，使得PLC 不僅是一個(gè)簡單的控制器，而是成為智能制造和工業(yè)自動化系統(tǒng)中不可或缺的智能設(shè)備[2]。因此，本研究旨在在PLC 技術(shù)控制下，完成對電氣設(shè)備精裝控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以精準(zhǔn)控制電氣設(shè)備，從而提高工作效率與質(zhì)量。

1 基于PLC 技術(shù)的電氣設(shè)備精裝控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.1 PLC 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)的PLC 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將采取層次化、功能驅(qū)動的方法，以支持電氣設(shè)備的精裝控制。程序?qū)⒆裱瓏?yán)格的實(shí)時(shí)操作原則，以保障快速、準(zhǔn)確的控制響應(yīng)。其中，PLC 程序?qū)⒎纸鉃槎鄠€(gè)任務(wù)，包括實(shí)時(shí)控制任務(wù)、周期性檢測任務(wù)和異常處理任務(wù)。每個(gè)任務(wù)都將分配特定的優(yōu)先級，確保關(guān)鍵控制任務(wù)可以優(yōu)先執(zhí)行，同時(shí)保證系統(tǒng)的響應(yīng)性。同時(shí)，程序?qū)⒉捎媚K化編程方法，每個(gè)控制功能都封裝在獨(dú)立的功能塊或子程序中，便于測試和維護(hù)，也有利于未來的功能擴(kuò)展和系統(tǒng)升級。

1.2 PLC 功能模塊設(shè)計(jì)

PLC 功能模塊設(shè)計(jì)涵蓋三個(gè)關(guān)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(gè)PLC 操作的指揮中心，主要職責(zé)在于激活和同步各分程序的活動。核心主程序的有效運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于與從屬設(shè)備的通信連接及相應(yīng)信息的收集，要求在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意通信協(xié)議的選取與參數(shù)配置。主程序采用梯形圖編寫，利用指令集來執(zhí)行各種命令。例如，向PLC 傳遞“01”指令將導(dǎo)致其返回當(dāng)前的時(shí)間和狀態(tài)變量，而“02”指令觸發(fā)計(jì)時(shí)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(gè)橫行表示當(dāng)PLC 接收到指令“01”時(shí)，會觸發(fā)一系列操作，如激活一個(gè)輸出來返回當(dāng)前的時(shí)間和狀態(tài)變量。第二個(gè)橫行表示當(dāng)PLC 接收到指令“02”時(shí)，會啟動一個(gè)計(jì)時(shí)器（例如，為了執(zhí)行延時(shí)操作或計(jì)量某個(gè)過程的持續(xù)時(shí)間）。第三個(gè)橫行表明當(dāng)指令“01”未被激活時(shí)，可能會有一個(gè)默認(rèn)的計(jì)時(shí)器在運(yùn)行，對系統(tǒng)的其他功能進(jìn)行計(jì)時(shí)。在實(shí)際的PLC 編程中，此類圖形化的梯形圖將會轉(zhuǎn)換為PLC 可以執(zhí)行的低級機(jī)器指令。同時(shí)，梯形圖會通過PLC 的編程軟件進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)置，如為計(jì)時(shí)器設(shè)置時(shí)間參數(shù)，為狀態(tài)變量和寄存器分配特定的地址等。此外，為適應(yīng)不同的場景和需求，程序也包含邏輯來修改寄存器值或調(diào)整計(jì)時(shí)器的參數(shù)。

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(zhí)行器傳來的信號，同時(shí)對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以供其他系統(tǒng)部分使用。在設(shè)計(jì)I/O 接口電路時(shí)，為保障系統(tǒng)穩(wěn)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(hù)PLC 內(nèi)部電路免受高電壓或電流沖擊[2]。設(shè)計(jì)邏輯如下：

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

（2）循環(huán)掃描：PLC 程序會周期性地讀取輸入信號，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)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(zhuǎn)換或映射。

（3）輸入處理：對于輸入信號，處理子程序會應(yīng)用濾波算法去除噪聲，執(zhí)行必要的信號調(diào)節(jié)，比如量程調(diào)整、線性化處理等。

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

（5）故障檢測與報(bào)警：監(jiān)測I/O 信號異常，如斷線、過載等，并將相關(guān)報(bào)警信息傳遞給故障處理模塊。

（6）數(shù)據(jù)交換與同步：確保I/O 數(shù)據(jù)與主控制邏輯同步，以便實(shí)時(shí)更新控制策略和系統(tǒng)狀態(tài)。

1.2.3 中斷服務(wù)程序

在PLC 程序中，中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)為當(dāng)特定的外部事件發(fā)生時(shí)立即中斷常規(guī)處理流程，執(zhí)行緊急的處理邏輯。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于快速識別和響應(yīng)那些需要即時(shí)處理的情況，如停機(jī)請求、安全警告或其他關(guān)鍵的系統(tǒng)事件。以下以結(jié)構(gòu)化（ST）語言，截取本次中斷服務(wù)程序編程設(shè)計(jì)。

其中，EmergencyStopActivated 和SafetySensorTriggered 變量模擬外部硬件設(shè)置的中斷觸發(fā)條件。當(dāng)此類條件為真時(shí)，相應(yīng)的中斷服務(wù)例程會被執(zhí)行。而PERFORM_EMERGENCY_SHUTDOWN 和HANDLE_SAFETY_SENSOR_TRIGGER 函數(shù)包含了應(yīng)對不同中斷事件的具體邏輯。LOG_EVENT 函數(shù)用于記錄中斷事件。

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了全面評估基于PLC 技術(shù)的電氣設(shè)備精裝控制系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)在一個(gè)特定的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行，該環(huán)境將模擬CAK6163 型號電動通用車床的實(shí)際工作條件。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)施配置：實(shí)驗(yàn)設(shè)立在一個(gè)模擬車床操作的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)室具備必要的電源管理系統(tǒng)、溫濕度控制設(shè)備以及聲學(xué)隔離措施[3]。CAK6163 車床將與PLC 控制系統(tǒng)集成，控制系統(tǒng)的輸入/輸出接口將直接連接到車床的驅(qū)動單元、傳感器和執(zhí)行器。同時(shí)還配置一個(gè)中央控制臺，配備計(jì)算機(jī)和HMI 界面，以便操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)狀態(tài)并調(diào)整控制參數(shù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)置：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部署一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，確保PLC 控制系統(tǒng)可以無縫連接到上位機(jī)軟件，以便于數(shù)據(jù)記錄和分析。網(wǎng)絡(luò)配置應(yīng)支持高速以太網(wǎng)通信，確保文件傳輸和數(shù)據(jù)交換的高效率。

（3）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)：為衡量控制系統(tǒng)的精確度，實(shí)驗(yàn)將利用高精度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄車床操作時(shí)的延遲數(shù)據(jù)，包括啟動、停止和響應(yīng)等操作的延遲時(shí)間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還將監(jiān)測和記錄控制指令的傳輸時(shí)間和執(zhí)行效果，以驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

（4）安全措施：為保障實(shí)驗(yàn)安全，實(shí)驗(yàn)室配備緊急停止按鈕、火災(zāi)報(bào)警器和安全隔離區(qū)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(xùn)，并穿著適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)裝備。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

延遲測試：從控制命令發(fā)出到車床動作響應(yīng)的整個(gè)過程中，使用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如示波器或邏輯分析儀）測量精確的時(shí)間延遲。

響應(yīng)時(shí)間測量：通過在PLC 程序中嵌入時(shí)間戳記錄功能，測量處理各種控制命令的時(shí)間。例如，使用高分辨率計(jì)時(shí)器來標(biāo)記指令接收、處理和執(zhí)行的確切時(shí)刻。同時(shí)對于文件傳輸任務(wù)，測量傳輸開始、完成和確認(rèn)的時(shí)間點(diǎn)，確保系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理上的效率。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在10 次測試之后，統(tǒng)計(jì)了機(jī)床啟動、暫停、文件傳輸?shù)难訒r(shí)數(shù)據(jù)，測試結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對表1 數(shù)據(jù)的深入分析，得出以下結(jié)論：

（1）啟動延遲分析：啟動延遲時(shí)間在18.28～20.21 ms 的范圍內(nèi)，平均值約為19.51 ms。表明控制系統(tǒng)對啟動命令的響應(yīng)時(shí)間較為一致，顯示出系統(tǒng)在啟動過程中的高度穩(wěn)定性和可靠性，可適應(yīng)大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用。

（2）暫停延遲分析：暫停延遲時(shí)間介于10.18～13.03 ms 之間，平均值約為11.78 ms。說明控制系統(tǒng)能夠迅速執(zhí)行暫停命令，進(jìn)一步證明了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和執(zhí)行效率，對于確保操作安全和防止設(shè)備損壞具有較大優(yōu)勢。

（3）文件傳輸延遲分析：文件傳輸延遲時(shí)間在27.65～30.31 ms 之間，平均值約為29.11 ms?？紤]到文件傳輸涉及數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信等多個(gè)步驟，此范圍內(nèi)的延遲時(shí)間顯示了系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)和維持通信效率方面的良好性能。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，基于PLC 技術(shù)的電氣設(shè)備精裝控制系統(tǒng)在啟動、暫停和文件傳輸方面均表現(xiàn)出了優(yōu)秀的性能和較低的延遲時(shí)間，滿足了設(shè)計(jì)初衷和工業(yè)應(yīng)用的要求。且系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行效率在實(shí)驗(yàn)條件下證明了其可靠性和穩(wěn)定性，符合現(xiàn)代工業(yè)自動化對控制系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，控制系統(tǒng)的一致性和可預(yù)測性對于提升生產(chǎn)效率和保障設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。

3 結(jié)語

通過將西門子SIMATIC S7-1500 作為控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合SICK WT2S-P211 系列光電傳感器，完成對電氣設(shè)備精裝控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對對電氣設(shè)備操作執(zhí)行時(shí)間的精準(zhǔn)控制。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于PLC 技術(shù)的電氣設(shè)備精裝控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具備高效、穩(wěn)定且可靠的控制性能，能夠滿足復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中對精確控制的需求。因此，該系統(tǒng)非常適合應(yīng)用于要求高精度和快速響應(yīng)的電氣設(shè)備控制場所，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。