汪雅茹 金曉怡 秦安祺 蔣英光

上海工程技術大學，中國·上海 201620

隨著一系列工業(yè)革命的興起推動科學技術飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)趨于智能化，自動化控制的應用越來越廣泛并趨于成熟，PLC 技術在工業(yè)生產應用中起著越來越重要的作用。

PLC 技術；工業(yè)自動化控制；智能化；應用

1 引言

從以中石器時代為典型形態(tài)的游牧文明、大約12000年前新石器時代的農業(yè)文明，到16世紀——20世紀中期以工業(yè)化為主要標志的工業(yè)文明，再到今日方興未艾的高科技發(fā)展所形成的社會生產力極度發(fā)達的科技文明。[1]從最初疆域的變化，逐漸發(fā)展到宗教、道德倫理、社會組織意識的出現(xiàn)，再延續(xù)至科學技術的發(fā)展，以及經濟的增長、政治的變遷，這無數(shù)個分支共同推動著歷史的進步，使世界文明一點一滴演繹，成就了今天絢爛多彩的世界。

2 PLC 的發(fā)展歷史

民族、人口、語言組成歷史發(fā)展的主動承擔者，物質生活的逐漸豐富，人們價值觀的開始形成，宗教信仰對人們的精神寄托起到非常重要的作用，成為窮人的精神支柱、富人的道德準則?？茖W精神起源于古希臘文明時期，緊接著，中世紀的科技進步，隨之而來一系列的科學技術革命，逐漸促進人類發(fā)展到現(xiàn)代科學技術高度發(fā)達的全球化時代。18世紀中后期，瓦特改良蒸汽機，從此開啟機器代替人工的工業(yè)浪潮。隨之而來工業(yè)革命序幕的拉開，機器的普及和發(fā)展，人類社會進入“蒸汽時代”，以至工業(yè)的高速進步發(fā)展，蒸汽、水力已經不能滿足當時的需要。更廣泛有效的需求推動著人類智慧的發(fā)掘，新的能源動力的開發(fā)、內燃機的發(fā)明，以及電的應用，使得汽車、輪船、飛機等交通工具的功能越來越多樣化。電氣化伴著第二次工業(yè)革命促使電器得到廣泛使用，西門子發(fā)明發(fā)電機，內燃機的出現(xiàn)更是推動了世界石油工業(yè)飛速發(fā)展。二十世紀五十年代開始，第三次工業(yè)革命則發(fā)生了更加翻天覆地的變化，航空航天、原子能、計算機等等高科技產品技術的發(fā)展和應用讓世界越發(fā)廣闊，裝備歷經機械化、自動化，現(xiàn)今工業(yè)已經達到高度數(shù)字化、智能化、甚至最高級無人化的階段[2]。

社會各行各業(yè)的快速進步革新要求人類的生活更加智能化，從而提高生產生活效率，節(jié)約人們的時間。智能化技術是人工智能理論與計算機技術全面融合后的重要產物，它是21世紀才興起的一項高新技術，廣泛應用于與傳統(tǒng)裝備的結合升級轉型，既彌補了傳統(tǒng)技術中的不足，又對工業(yè)持續(xù)的發(fā)展提供了有力的技術支撐。一方面，因為智能化技術以信息處理技術為基礎來鋪墊，從而降低機械工程生產的成本，延長機械工程生產周期，從而進一步從整體上真正優(yōu)化產品質量。另一方面，智能化技術將勞動力資源從繁重的工作中解脫出來，推動機械工程自動化發(fā)展的步伐，積極促進機械工程行業(yè)的改革。[3]因為智能化技術不需要創(chuàng)建控制模型，又省略掉了對象模型設計的模塊，再通過對魯棒性以及響應時間的精準調控，這樣一來，就從源頭避免了大量的不可控因素，進而提升了設備的性能要求，使整個系統(tǒng)的工作效率較傳統(tǒng)大幅度提高?？偟膩碚f，借助其本身的強大分析診斷功能與計算機對系統(tǒng)故障進行精準的預測和分析，使智能化技術應用于電氣自動化控制系統(tǒng)的故障診斷和電氣設備的進一步優(yōu)化設計中[4]。

3 PLC 在工業(yè)自動化中的應用

近年來，隨著電氣自動化的迅猛發(fā)展，更加細化、穩(wěn)定、高效的PLC 技術使自動化管控水平進一步提高，同樣，這也使其擁有更多工業(yè)自動化控制投入。所以現(xiàn)今階段，PLC技術的大規(guī)模推廣和使用，切實改善了眾多系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調和實際運作能力。

Programmable Logic Controller 就是可編程邏輯控制器，微處理器是其發(fā)揮功能的核心，同時與計算機等技術融合在一起，構成一種控制裝置設施，繼而可以對程序開展預編譯、存儲等工作，讓系統(tǒng)軟件可以順利發(fā)布連接輸入端與輸出端操作的控制命令，進一步合理布置控制系統(tǒng)的具體運行[5]。

PLC 是20世紀70年代以來，在計算機技術、集成電路基礎上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設備，和以往常見的自動化控制系統(tǒng)功能相比較，PLC 技術又增加了對圖像和文本信息的采集功能。其可靠性高、功能強、配置靈活、使用方便，第一代僅能邏輯控制、定時、計數(shù)，第二代CPU 采用8 位微處理器，已經可以實現(xiàn)傳送、數(shù)字運算、比較的功能，第三代CPU 采用片式Central Processing Unit 或16 位微處理器，開始具有通信聯(lián)網能力和自診斷功能，工作速度提高。隨著微電子技術的發(fā)展，PLC 已經發(fā)展到以16 位和32 位微處理器的全面使用，多處理器的多通道處理，遠程通信網絡、數(shù)據處理方便，一系列的優(yōu)點讓它成為工業(yè)自動化的支柱之一。

PLC 技術在工業(yè)自動化控制中的具體運用已經十分廣泛成熟。（1）在自動化控制系統(tǒng)裝置的實際運行中，控制變量很難控制，所以充分結合 PLC 技術模擬量控制的特性，運用組合功能模塊組裝，充分增加控制模塊的靈活性，將變量進行合理的控制和預估，對變量的控制更精確，這有效提高了系統(tǒng)運行的效率，促進數(shù)字和模擬的所有有效的轉換效果，從而可以確保系統(tǒng)環(huán)境安全穩(wěn)定。（2）PLC 技術充分優(yōu)化機電系統(tǒng)的開關質量，對邏輯開關的變量進行調整，與此同時，PLC 技術可以運用中間繼電器進行控制系統(tǒng)的動作，在 PLC 技術中采用環(huán)節(jié)順序控制公式，使各個系統(tǒng)的邏輯開關控制發(fā)揮效果，完成開放邏輯的建立。（3）在運動模塊中，PLC 技術可以將每個運動模塊中的運行數(shù)據都反饋到系統(tǒng)裝置的板塊設置中，脈沖位置的固定也就促進實現(xiàn)了準確的位置，確保了自動化系統(tǒng)控制運行的準確性和運行效率，從而準確實現(xiàn)系統(tǒng)運行的直線運動和圓周運動。（4）PLC技術的工作內容為反復循環(huán)，進行一定的檢測，其應用可以實現(xiàn)對某個控制區(qū)域進行單一調整，而不影響整個系統(tǒng)的繼續(xù)運行[6-7]。

PLC 技術已經成熟廣泛應用于鋼鐵、建材、輕紡、石油、化工、電力、交通運輸、環(huán)保以及文化娛樂設施各個領域。通過開關量的邏輯控制取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)單個設備或多機聯(lián)動，以及各種組合機床、自動化流水線最基本的順序、邏輯控制。在工業(yè)生產中，類似壓力、液位、溫度、流量、速度等一系列變量會連續(xù)變化，所以利用轉換模塊實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的控制轉換；同時，也應用于各種電機的單軸和多軸運動控制方面，機器人、多功能機床、電梯的發(fā)展就得益于PLC 技術發(fā)揮的巨大作用?，F(xiàn)今PLC 可以編制多種多樣的算法程序去實現(xiàn)過程控制，在冶金、鍋爐等控制場合實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而安全精準實現(xiàn)各個過程的有的放矢；智能化、無人控制數(shù)據存儲、運算、轉換、傳送等分析處理，實現(xiàn)一個設備與其他智能裝置之間的通信傳輸，其所控制的出入點數(shù)幾乎不受控制，聯(lián)網性能優(yōu)越，實現(xiàn)跨地域大范圍的控制已經駕輕就熟。

現(xiàn)如今，基于PLC 全自動的各種裝置已經隨處可見，全自動洗衣機、煮飯機、飲水處理器等等，商用大型自動咖啡機在學校、公司、商場無處不在，給廣大消費者提供了不由分說的便利。為具體更深入了解學習該類設備的控制原理、機械結構等等，利用國家級大學生創(chuàng)新項目進行實踐學習。

PLC 的一般分類為：

（1）根據PLC 的硬件結構，PLC 可分為整體式和模塊化。

（2）根據PLC 的不同功能，PLC 可分為三類：低級，中級和高級。

（3）根據輸入和輸出點的數(shù)量，PLC 可以分為三種：小型，中型和大型。

（4）按制造商分類，有美國GE 生產的PLC 和德國西門子生產的PLC。日本歐姆龍公司的C 系列PLC，日本松下電工公司的FP1 系列PLC，還有日本三菱公司（Mitsubishi Corporation）的PLC，該公司較早來到中國。

該項目是基于PLC 的全自動咖啡機的設計與生產，因此PLC 的選擇是該項目的基礎?？紤]到成本和性能，最終的選擇是最終選用選用三菱FX（Ridley J．Mitsubishi FX Programmable Logic Controllers||Special Mcoils:2003）系列小型PLC，具體型號為FX2N-32MR。FX 系列PLC 的特點是機器集成，高處理能力，最多365 點的開關控制。三菱FX 系列PLC 控制器在實際工業(yè)應用中，可以較為容易地實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制功能，并支持信號采集和智能控制等操作，同時支持手動控制與自動控制的自由切換。在其應用過程當中，通過合理設計控制方案、主電路和控制程序，可以確?？刂乒δ艿耐暾麑崿F(xiàn)；在系統(tǒng)運行過程中，可以確保參數(shù)傳遞和參數(shù)控制的準確性，從而為系統(tǒng)運行穩(wěn)定性提供保障。[8]FX2N-32MR-001 輸入16 點，繼電器輸出16 點，具有以下優(yōu)點：1）系統(tǒng)配置既固定又靈活；2）編程簡單；3）備有可自由選擇的豐富類型；4）穩(wěn)定安全的高性能；5）可實現(xiàn)高速運算；6）可用于多種特殊用途；7）外部機器通訊簡單；8）擁有共同的外部設備。

該基于PLC 實現(xiàn)自動控制的咖啡機設計，通過梯形圖的編程實現(xiàn)輸入信號控制執(zhí)行元件進行預期的動作，從而實現(xiàn)咖啡機的全自動控制。通過可編程邏輯控制器作為主控單元，在特定的控制操作中，光電傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器等多種傳感器用作PLC 輸入信號使用，并與PLC輸入端子相連接，作為檢測裝置并將處理完成后的信號輸入可編程邏輯控制器，控制器經過相對應的程序處理，電磁閥則作為輸出信號連接到PLC 輸出端子，同時，電磁閥控制著執(zhí)行元件的運動，輸出對應的信號給氣缸、電動磁化杯等執(zhí)行元件[9]。