PLC技术的发展、应用及前景展望

1、PLC技术的发展、应用及前景展望摘要：PLC具有多种功能和很高的可靠性，这使得它在工业控制中得到了广泛使用，成为现代工业自动化的支柱技术之一。本文简要叙述了PLC的发展历程，详细介绍了PLC的功能及应用领域，并列举了相应的应用实例。文章最后分析了PLC将来的发展，为其进一步应用和开发提供了参考。关键词：可编程控制器；工业控制；网络通信；应用实例Thedevelopment,applicationandprospectofPLCAbstract:TheProgrammableLogicController(PLC)hasvariousfunctionswithhighreliability,th

2、usmakingitbeenusedwidelyinindustrialcontrolfield.Asaresult,PLChasbecomeoneofthemostimportanttechnologiesinmodernindustria-lautomatization.Thisarticlebrieflynarratesitsdevelopmentcourses，detailedlyintroducesthefunctionsandapplicationofPLCandlistsafe-wofexamples.ThefuturedevelopmentofPLCisanalyzedinth

3、eend，whichcouldprovidesomereferenceforfurtherapplicationanddesignofit.Keywords:PLC;industrialcontrol;networkcommunication;applicationexample0引言可编程控制器(PLC)是一种数字运算与操作的控制装置1。它是作为传统继电器的替代产品而发展起来的。由于它采用软件来改变控制过程，并有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可靠性高等特点，已被广泛应用于机械制造、电力、造纸、化工、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支

4、柱之一。就功能方面而言，它已经完全超越了最初的逻辑控制、顺序控制的范围，具备模数转换、数模转换、高速计数、速度控制、位置控制、轴定位控制、温度控制、PID控制、远程通讯、高级语言编程等功能，因而给我们提供了广阔的应用前景。1PLC的主要特点1.1 通用性好PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，因而可通过编程来实现各种控制功能。而传统的继电控制系统在需改变控制功能时需重新设计和连线，耗时长、耗资大。1.2 可靠性高一方面，PLC在硬件上采用了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，对元器件进行了精心的

5、挑选；另一方面，它采用了诸如数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断技术，以及在系统一级的冗余配置等。因而它的可靠性很高，其平均无故障时间可达25万小时以上。1.3 功能强PLC不仅具有逻辑运算和控制，以及顺序控制等功能，而且还具有模拟转换、数模转换、高速计数速度控制、位置控制、模拟量调节（如PID控制）以及远程通讯、生产监控等功能。例如，它既可控制单台设备，又可控制一条生产线或全部生产工艺过程；它既可与相同或不同厂家和类型的PC联网，又可与上位机通信构成分布式控制系统，因而功能强大。1.4 编程简单，使用方便PLC编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图，它是一

6、种面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程方式，容易掌握。对于企业中一般的电气技术人员和技术工人，这种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比更容易接受。目前，尽管PLC也有用高级语言编程复杂的程序，但梯形图仍被广泛使用。2PLC的主要功能及应用领域2.1 开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。由于PLC设置了与（AND）、或（OR）、非（NOT）等逻辑指令，在很大程度上取代了传统的继电器控制系统，能实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制等等。如：汽车零部件装配线上的物件输送以及各工序的加工与动作、电动机的控制、高炉上料系统、

7、电梯控制、港口码头货物运输控制等，又如：它在注塑机、烟草机械、印刷机械、组合机床、包装流水线、电镀流水线等生产和物流控制方面都存在广泛的应用。2.2 过程控制早期的PLC只具有简单的逻辑控制功能，现代的PLC功能日益强大，大型PLC都具有模拟量控制单元，具有用于过程控制的各种专用模块或子程序（如PID控制模块等）。模拟量过程控制均采用由硬件电路构成的PID模拟调节器来实现开、闭环控制，而现在则选用模拟量控制模块，使得功能由软件实现，精度由位数确定，因而元件不受影响，可靠性高，它容易实现复杂的控制和先进的控制方法。如：A-B公司的1771-CEM可组态流量计模块，可用于电力管理、自动化、食品饮料

8、和石油与天然气中各种流量的测试和控制。止匕外，还有1771-QH力矩控制模块、1771-TCM温度控制模块等。另一方面，它也可以同时控制多个控制回路和多个控制参数，如：GE公司的PROLOOP过程控制器，可执行PID控制、比例控制和级联控制，且具有单回路、多回路和自动调试等三种方式。2.3 位置控制目前大都应用拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴控制模块进行位置控制。此模块功能现已广泛应用于各种机械，如：金属切削机床、金属成型机床、装配机械、机器人和电梯等。2.4 机器人控制随着工厂自动化网络的形成，工业机器人的应用领域越来越广，机器人的控制同样可用PLC来实现，如：美国JEEP公司焊接自动生产

9、线上使用了29个机器人。2.5 PLC的网络特性PLC网络经过多年的发展，已成为具有34级子网的多级分布式网络2。加上配置强有力的工具软件，使它成为具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生成显示、各类报表制作的多功能的系统，在MAP规约的带动下，可以方便地与其它网络互联。所有这一切使PLC网络成为CIMS系统非常重要的组成部分之一。3PLC的应用实例本节从问题分析、硬件选择、软件设计和运行效果的评价几个方面详述了PLC的几个典型应用实例，为读者展示PLC强大的功能。3.1 PLC在桥式旋转起重机中的应用3变频器和PLC在桥式起重机控制中的应用是一种随着科学技术的发展应运而生的，适应现代工业生产

10、规模的扩大和自动化水平提高的电气控制系统。3.1.1硬件基本结构1 .系统硬件控制方面采用一套西门子S7-200系统PLC控制器、主令操作台进行控制，克服了原控制系统中绕线式异步电机切电阻易烧损和断裂等故障，造成电机触头烧损，电刷冒火影响现场生产和安全，及其调速方式机械特性较差的缺点。在调速方面采用西门子MM440变频器驱动大车、小车、旋转和主钩电动机，变频器和PLC之间进行RS-485通信，并配置相应的制动单元，实现制动能耗消耗，以保护电器元件。起重机操作人员可通过联动台，用程序控制取代继电器一接触器控制，以梯形图语言为编程工具，执行PLC预先编写的程序指令，通过主令控制台完成变频器正反转和

11、调速切换等。2.PLC选型根据桥式旋转起重机的电控制系统的传动要求，从经济性、可靠性等方面来考虑，由于桥式旋转起重机电气控制系统涉及较多的I/O端口，其控制过程相对简单，因此采用CPU226作为该控制系统的主机，具有24点DC输入/16点DC输出点。起重机控制系统中使用的数字量输人点比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需扩展一定数量的I/O扩展模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块，16点DC输入/16点DC输出型，如图1所示控制系统输入输出点的要求。3.1.2软件系统设计桥式旋转起重机控制系统由四个基本独立的机构组成：大车控制系统、小车控制系统、旋转控制系统和主钩控制系统。用

12、交流变频调速技术取代绕线式异步电机转子回路用电阻箱的调速方式。整个系统有5台变频调速电机。由于大车同步运行，因此两台变频调速电机共用1台变频器控制。小车、旋转和主钩电动机分别由3台变频器单独控制。根据系统的控制要求，控制过程全部在人工控制下运行，每个设备可单独运行，也可同时运行，具体PLC梯形图程序如图2所示。患脖一启动J1J大+:旗鹿一1大午后退一10。10-1102103大M匐加迷一:K车T用心S火军停止一小车左移,b-1小向漱10.410.5iO.6IL0itjai、QO.QQOJ小年期如建-IAiA-一0脑后跑fWY3小车停止一帼号左旗一脚转Ei旋旋忖墩拓速j-!：.：,浦1j.111

13、.3IL4l(,$3LtIIJ12.0111时二12.312.412.51工看以713.0Bt132B.3B.4115134117K014.1Hg金Q0.4：Q0.5Q0.fiQ0.7Ql.O就林植川蝶般钟停止升降上升J廨卜降一t国纯用速-升降停止一大本询谢赚E-太平吊建限位一小车左晔位小1片i秫限位一.瓣局;赖班1正一底酒心旋瞅位”到单陶第Z一上的下雌他一大七娱谶复检小车变辅鼎复位.费审阖型位上曲感振腓货值一ST-200CPU22&+RS小车反向运转触据.旋转正向达诲储4需晚忖反向运转礴!器t.K时他转接触S怕反向的转找触常小平翊旋发密1黑IMIL10.iMOlO海、JHHII*Jl$iUl

14、U.S.0HHTHMI-CHHITTTHZI图标式旋转起重机控制累统的硬件接线图ai*咽wvIJJ二二-vh/h/h/HIJ3.1.3运行效果12i*MU4WUU.J-MU4W.UU.J上eiH/H/H/1-CjTH卜VD5DIHiADOsiSOMtbqwrvwLQ5镇17MI.DIXTHCUTrHr.stlnwtMdTM-IN,UDRvio曲一切HOk.7WO|J4型h/hftKIhhU.2LM-JMOO11.5ffHH/H23TvTIM图2PLC控制梯形图程序综上所述，对于棒线厂原料跨电磁桥式起重机PLC的设计是切实可行的PLC控制变频技术应用到桥式旋转起重机中，通过控制台控制各变频电机的

15、速度和制动都可以从实际运行中设定，而且十分快捷。从运行效果来看，设备的故障率大幅下降，变频电动机烧损明显减少，同时减少对车间一号高配电网的冲击。更重要的是在设备检修时，给检修人员分析、判断和排除电气故障提供了方便，而且检修排查故障的效率明显提高，同时现场使用设备维护量减少，提高了起重机的长周期运行时间。此外由于不使用电阻箱启动，也对节能降耗起到了积极的作用。3.2 PLC在注塑机电气控制中的应用43.2.1 注塑机的工艺要求注塑机生产一个产品一般要经过闭模、合闸、稳压、整进、注射、保压、预塑、解压、开闸、起模，顶出产品等工序。这些动作的完成均由电磁阀控制液压回路来完成。注塑机的工作方式有手动和

16、自动循环两种形式。其自动循环时的工艺流程如图3所示。从图中可以看出，注塑机的控制过程是顺序控制。它的工作是从闭模开始rH少步有条不紊进行的，每个工步执行指令使电磁阀动作，用行程开关SQ3SQ8和工艺过程时间（T1、T2、T3）来判断每一步是否完成，且只有当前一个工步完成后才能进入下一工步。除了自动工作方式之外，为了方便设备的调整及单件产品生产，注塑机还设有手动工作方式。所谓手动，是为注塑机的每一个工步都设置一个按钮，当某个按钮按下时，机器就执行该按钮对应的工步动作。士S0L、S0?闻们今阐一4S&iL注射I保延十豆螂压些模，:千SQ.|起镇结束YViYVzYYVbYVsYViYVdVjW4XI

17、X2需X4J(耳演17KLOKL1XI2XHX16X17必切K22123鹿4壮5注6COMJ%Y1YViYbISPLCFK第7即R图3工艺流程图图4PLC输入、输出电路图3.2.2 PLC硬件设计根据对注塑机自动循环时工艺流程图的分析，其输入信号有安全门开关SQi、SQ2,行程开关SQSQ8,压力继电器触点KP,自动循环起动按钮SBi和停止按钮SB2：,工作方式选择开关SA（闭合时为自动循环状态，断开时为手动状态），以及各工步手动按钮SB3SB12。该注塑机的执行器件有YViYV8共8个电磁阀。根据输入输出口的数量，可选择三菱FX2N-48MR型PLC,交流供电，继电器输出（24点输入、24点

18、输出）。其输入、输出电路如图4所示。3.2.3 PLC程序设计采用可编程序控制器时，如控制系统按动作的先后顺序进行，就非常适宜使用顺序控制设计法编程。顺序控制设计法就是将一个较复杂的生产过程分解成若干工步，每一步都对应生产过程中一个控制任务，都应有完成相应控制任务的输出执行机构和转移到下一工步的转移条件。根据控制要求,首先绘制用状态来描述控制过程的状态转移图，然后把状态转移图转换成梯形图。注塑机的状态转移图如图5所示。采用步进指令编程，只要启动、停止及运行的方式处理得当，则在较短时间内定能编制出适合控制要求且简练易懂的程序。该控制方案方便控制系统的设计，缩短产品的开发周期，同时提高了系统的可靠

19、性。3.3PLC在自动分拣系统中的应用5OY132自节3-OtsIW-r-OTIY3T3K10图5状态转移图图6PLC物料自动分拣系统模型随着电子商务的发展，人们的消费习惯产生了巨大的影响，推动着物流自动化水平的不断提高，各种自动分拣机对提高物流自动化水平、提高物流流通效率起到了重要作用。例如图书配送部的图书自动分拣系统，物流配送系统输送线、分拣中心的机械化流水线，大量包裹将通过输送机在运送过程中通过分拣传感器实现自动分拣,大型枢纽机场行李处理系统，对客户行李自动进行分拣处理，这些应用大大降低了劳动力成本，提高了分拣的准确性和效率。由于PLC优良的控制性能，在自动分拣系统中得到广泛的应用。PL

20、C物料自动分拣系统的原理图见图6。表1自动分拣系统I/O分配表输入地址输出地址序号地址备注序号地址备注1XO停止按钮SB41Y0料盘电机2XI启动按钮SB52Y2机械手左转驰动线圈3X2白检启动5H63Y3机械手右转要动线圈4XJ机械手左转限位佶感器4Y4机械手缩网姿渤线圈5X4机械手白转限位传感器5Y5机械伸出驱动线圈6X5出料11材厂H6Y6机械尹上升驱动经圈7X6落料口材料检器栈感甥7Y7机械FF机械手下附8X7合属物料检测传器WY10气笊松开驱动线阖qN10白色物料悔君传感器gYU气瓶夹紧驱动线圈10XL1黑色指料检测传感器1012气缸口伸出骡动蛀的11Ml机械手缩回限位传感耨11Wi

21、气缸B伸出驱动线圈12XI3机械手伸出限位传博舞12VL4，缸（：怦出驱动好阁13XI4机械手上升限位低感器13YI5状态指示灯illJ14XI5凯械手下环限位传感器)4Y1fi状态指示灯山215XI6气爪央紧限位传给券15YI7捱鸣器XI7气缸注缩回限位传博器16Y20红色报警灯17X20气缸人仲出限位传能排17Y21绿色报警灯lhX2I气缸H缩回限位传慢圈23STF19X22气Mb伸出限位传感蹲19Y24STK20S气缸C缩回限位伤感翳20V25RII2JX24气缸：伸出限位传感器21Y26HM22X25方式选择At122Y27RL白茹料PLC自动分拣系统3.3.1 控制系统硬件电路设计可

22、编程控制器（PLC）按输入输出点数以及CPU功能分为大、中、小三种类型，按其结构又可分为整体式和模块式PLC。PLC的种类彳艮多，有灵活多变的系统配置，还有许多特殊功能模块可以选用。根据系统需要的外部输入、输出设备的数量及功能要求，选择了小型整体式三菱PLC控制器,型号为FX2N-48MR。物料自动分拣系统硬件电路设计I/O分配表如表1所小。3.3.2 程序设计分拣仓储工作方式一的顺序功能图设计采用选择序列顺序图，如图7所小。3.3.3 应用效果通过表2我们得出结论：PLC自动分拣系统运用电气控制原理改变了以手工操作为主的传统物料分拣方式，使供料。送料更加便捷，并且大幅度缩短了分拣时间，提高了

23、作业效率nr-R懒I.卜万明式|干|（中国北科1之0+白4厂）n-i*,）鱼叫0=fAMjllSlO|梅I。)!藐|#2l|lL_传统分拣方法系统_A分拣仓储搬运废次品处理废品检出率分拣方式时间150件/小!自动时间7000件/小时借助简单的机械设备进行旋运凭经验手工检出95%100件/小90秒/件自动100%6000件/小时5秒/件图7分拣仓储方式顺序功能图表2传统分拣系统与PLC自动分拣系统应用效果对比表4PLC存在的问题PLC存在的缺点主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、结构不一致，使各

24、种PLC互不兼容。国际电工协会（IEC）在1992年颁布了IEC1131-3可编程序控制器的编程软件标准，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路60目前，国际电工委员会制定了工业控制5种标准编程语言（IEC1131-3）,它们是：梯形图（LD）,适合于逻辑控制；功能块图（FBD）,适合于典型固定复杂算法控制如PID调节等；顺序功能图（SFC）,适合于多进程时序混和型复杂控制；指令表（IL）,适合于简单文本自编专用程序；结构化文本（ST）:适合于复杂自编专用程序。5PLC的发展分析近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势。

25、在某种意义上来讲，PLC增长速度渐缓确有其一定的必然性。因为随着当今工业控制要求的日益复杂化和精确化，PC等其它一些新的工业控制技术的发展，PLC确实将逐渐失去原有的一些市场份额。但是另一方面，当今的工业控制市场上一些PLC生产商早在十年前就已经开始利用IT业的一些最新的软硬件成果不断完善和扩充PLC的功能，使现代意义上的PLC远远超越了“逻辑控制”的功能和概念。因而新型PLC的市场潜力是不可估量的，发展前景广阔。主要表现在：（1）向高速度、大容量方向发展。随着PLC运算能力的不断提高，PLC在数据交换方面的能力和需求也在不断提高，另一方面，IT技术的飞速发展使得微型高速存储设备的容量越来越大

26、，价格越来越低，可靠性却越来越有保障。越来越多的PLC控制系统已经在使用64M、128M甚至更大容量的Flash存储设备。（2）品种多样化。目前中小型PLC较多，为适应市场的需要，PLC要向多品种的方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。(3)编程语言高级化、多样化。随着PLC系统机构的不断发展，PLC的编程语言也在朝着多种语言方向发展。目前，中小型PLC编程语言比较流行的是梯形图语言，但是新的编程语言还是不断涌现7。现在已有部分PLC采用高级语言(如BASIC、C语言等)，如A-B公司的PLCBASIC模块，可独立于PLC处理器运行用户编写的BASIC语言和C语言。现阶段，面向过程的编程语言将是一个重要的发展方向。(4)智能模块将更加丰富多彩。为了适应各种特殊功能的需要，各种智能模块将层出不穷。智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它可以与PLC的主处理器并行工作，大大减少占用