PLC控制系统在电气设备中的设计与应用

近年来,随着PLC技术的不断发展,PLC控制系统的功能不断增强和完善,甚至于在一些电气设备中,PLC已经开始作为其主控制器。毫无疑问,PLC在电气设备中占据着越来越重要的地位。

    1PLC控制系统的结构和配置

    PLC由电源、中央处理器、储存器、I/O(输入输出接口电路)、通信模块和功能模块六个部分组成,其结构属于总线开放型结构,用户可以利用I/O接口对PLC的功能进行扩展。一般来说,PLC有整体式和模块式两种类型,整体式PLC相对于模块式PLC来说,I/O接口的价格较低,其普遍用于一些小型电气设备的控制系统中;而模块式PLC的扩展能力更为优异,而且维修比较方便,因此复杂的电气设备中一般使用模块式PLC。

    2PLC控制系统在电气设备中的设计问题

    PLC在电气设备中的设计有三个部分的设计：一是对控制系统的流程设计;二是I/O地址的设计;三是控制系统的设计。

    2.1PLC控制系统的流程设计

    整个设计过程首先要明确PLC在电气设备所要完成的控制目标,然后在此基础上确定PLC在电气设备中的控制范围,根据选取的控制系统电路来确定相对应的主机,最后根据所选的主机选择相应的配套模块。

    2.2PLCI/O接口地址的设计

    I/O接口地址设计是PLC系统设计中非常重要的一部分。一方面,从软件方面来说,只有确定了I/O接口的地址后才能进行相关的软件编程工作;另一方面,对于硬件及PLC外围来说,只有确定了I/O接口地址后才能进行绘图、接线以及装配等工作。为了方便查看和处理,一般的输入/输出地址确定过程中的各项技术指标和代码都会用清晰明了的方式展示出来,比如使用EXCEL表格的形式。

    2.3PLC控制系统的设计

    PLC控制系统完整的设计分为两个大部分,分别是软件系统设计和硬件系统设计。对于软件系统设计来说,一般是指对PLC控制系统程序的编写,PLC程序可分为主程序、子程序和中断程序,其被用于对电气设备的软硬件进行控制;而对于硬件系统设计来说,一般有抗干扰措施的设计、电气设备控制元件的选用以及电气设备控制系统设计等。

    (1)PLC控制系统的软件设计：PLC控制系统的软件设计并没有固定的方法,即编写一个最优化的PLC软件程序并没有捷径,只能依靠编程人员自身的能力和经验。因此,编程人员个人的能力和经验是完成好这项工作的关键所在。当然,PLC的软件设计还是有基本的设计方法,包括流程图法、逻辑代数法以及功能图法等。PLC程序设计的一般有五个步骤：首先确定控制系统的启动条件、关断条件等;第二步是判断控制程序中的输出对象是否存在启动或者关断的制约条件;第三步是输出对象按照标准方程进行编程。无制约条件时,使用方程：,有制约条件时,使用方程：;然后将已知条件代入,设计出程序的梯形图;最后是对所编写程序的检查修改。另外一个需要注意的问题是,一般的控制系统设计的编程方式最好采用梯形图,因为梯形图相对于语句编程来说更为直观形象。

    (2)PLC控制系统的硬件设计：在电气设备的PLC控制系统的硬件设计过程中,最核心的就是电气设备的控制系统设计,其用于控制整个电气设备的硬件运行。电气设备的控制系统设计的好坏与否对于电气设备能否正常使用具有十分重要的影响;电气设备中的抗干扰措施设计主要是用于提高控制系统软硬件工作的稳定性以及对外界环境影响的适应能力。一般的PLC抗干扰设计包括三个部分,一个部分是电源的抗干扰设计,主要是为了控制电网的干扰。另一个部分是输入输出的抗干扰设计,主要是为了控制输入输出的电流干扰。最后一部分是外部配线的抗干扰设计,主要是为了防止外部配线之间的干扰;元件的选用在硬件设计中也占据非常重要的位置,如果选用的元件不合适,对于整个控制系统的硬件设计影响很大。

    2.4PLC控制系统的调试

    PLC控制系统的调试有两个部分的调试,首先是模拟调试,然后再在模拟调试无问题的前提下进行联机调试。

    (1)模拟调试：硬件进行模拟调试的前提是控制系统与主电源断开,以此将硬件独立出来进行模拟调试。在模拟调试过程中,软件部分的调试主要是利用各种输入控制和观察信号指示灯的变化来实现的,即使用开关、电位表以及万用表等模拟输入信号,在观察PLC的输出逻辑关系来验证软件部分能否正常运作。如果模拟测试软件部分出现了逻辑错误,要反复修改测试,直至输出逻辑正确的位置。

    (2)联机调试：在模拟调试合格的前提下,就可以进行系统的联机调试了。联机调试的目的主要是测试PLC控制系统软件和硬件之间的兼容性,即将模拟测试合格的软件程序载入到PLC控制电路之中进行实际情况下的运行。如果联机调试结果不符合预期的要求,则要重新对控制系统修改和调试直至达到相关要求为止。

    3PLC控制系统在电气设备中的应用

    PLC在电气设备的控制系统中被广泛应用,下面就两个实例来说明PLC在电气设备中的应用,其中一个典型的例子是利用PLC改造老式的采用的继电器控制的电气自动化系统,从而实现实时对电气化设备状态变化等;另一个是PLC轧钢厂加热炉上料系统中应用。

    3.1PLC在电气自动化系统的改造方面的应用

    (1)系统硬件的设计：首先是选择机型和相关配套的模块。机型的选择要综合考虑其性能、可靠性、价格以及配套的各种功能模块等因素,从中选出最适合的机型。其次是选择I/O接口。一般来说。I/O的选择有四个步骤：一是选择I/O的数量,选择时必须考虑留出一定的接口数量作为备用;二是确定离散和模拟输入输出;三是确定特殊的输入输出,由于有些特殊类型功能模块不能使用I/O接口通信,因此要特别注意厂家是否提供了相关模块;四是确定智能输入输出,智能输入输出模块可以提高PLC对数据的处理和反应速度,因此在选用时要特别注意.

再次是电源的选择。电源模块的选择没有什么特殊的要求,只需要电源模块提供的电流能够大于PLC控制系统工作时所需电流即可。然后是考虑抗干扰措施设计。由于PLC的电路对于环境湿度、温度等比较敏感,工作性能受环境因素影响比较大,因此在PLC硬件系统的设计过程中一定要考虑其考干扰措施的设计,优先选用抗干扰措施设计较好的硬件。最后是控制元件的设计。主要任务有两个,分别是存储器空间的分配和专用存储器的确定。

    (2)系统软件的设计：首先是进行系统程序的初始化设计。综合考虑电气自动控制系统程序的启动条件、关断条件以及其制约条件等,从而从整体上确定PLC程序的结构形式。

其次是选用合适的编程方法和编程语言对PLC程序进行编写,并对编写好的PLC程序进行检查。最后是进行系统的调试。首先进行系统的模拟调试,将控制系统同主电源断开,单独对电气自动化控制系统进行模拟调试。若模拟软件测试过程中发现问题,需要对软件进行修改。若在此过程中未发现问题,则通过系统的模调试,进入系统的联机测试。将合格的程序载入电气自动控制系统中,进行现场的运行,反复修改调试直至达到通过利用PLC改造老式的电气自动控制系统的预期目的。完成以上工作后编写相关技术文献交付使用后利用PLC改造老式电气自动控制系统的工作就完成了。

    3.2PLC在轧钢厂加热炉上料系统中的应用

    (1)系统硬件设计：PLC在轧钢厂加热炉上料系统中的硬件设计,主要的考虑因素是对于轧钢厂内钢材的长度控制和钢材运输辊道的速度控制以及停车控制。可以根据相关要求选取合适的PLC作为主控制器,譬如,可以选择华光SZ4型PLC作为轧钢厂加热炉上料系统的主控制器。然后,再选择相关的配套功能模块组成硬件系统,如针对钢材的长度控制,我们可以选择日本光洋TRDJ1000S型旋转编码器,SZ系列PC的ZCTIF计数器接口模块以及OMRON的EJR5E4型光电感应器,而对于钢材运输辊道的速度控制以及停车控制,我们可以一般采用75kw的变频器即可。

    (2)系统软件设计：系统的控制系统的设计主要是依据轧钢厂加热炉上料系统的工作原理,即轧钢厂加热炉上料系统的控制系统根据所需加热的钢材的长度控制电机的工作。在PLC的整个控制过程中,PLC首先对钢材的长度进行测量,然后再通过反馈的脉冲信号控制变频器进行调速,从而对电机进行控制。在依据以上原理编写完PLC控制程序后,还需要进行软件的模拟调和联机调试。

    随着人类的发展需要,人们对于电气设备工作的精度、可靠性以及稳定性等要求越来越高,将PLC用于电气设备的控制,可以显著简化系统的控制结构,同时也能大大增加系统的可靠性、稳定性和精确性,并且PLC控制系统的操作简单,故障率低。毫无疑问,电气设备自动控制系统采用PLC是未来电气设备控制系统的发展趋势。