PLC在工业自动化控制中的应用研究

摘 要：本文对PLC进行了概述，介绍了PLC的特点、基本结构以及PLC的工作原理。以西门子公司PLC为例介绍了S7-200、300、400系列PLC的特点以及适用场合。以S7-300系列PLC介绍了PLC的选型方法，最后通过案例介绍了PLC在工业自动化控制中的应用。

1 PLC概述

1.1 PLC概述

PLC自二十世纪70年代问世以来，即在工业领域得到了广泛的应用和不断的发展进步，从最初的仅仅具有简单的逻辑运算能力和开关量输入输出功能到现如今的功能丰富强大，在工业技术领域占据了不可替代的一席之地。PLC具备的特点主要有：

①编程方法简便、易学、易上手;②可靠性强，具有较强大的抗干扰能力;③功耗低、体积小;④前期安装、使用、调试以及后期维护、维修、更改等操作简便，工作量小;⑤功能强大，扩展模块丰富，扩展能力强大[1]。

1.2 PLC基本结构

PLC基本结构如图1所示，主要由中央处理器（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入输出接口（I/O）、通讯接口、电源模块、以及其他扩展模块组成。CPU是PLC的最重要的核心。

图1  PLC基本结构

1.3 PLC工作原理

PLC工作过程如图2所示，其工作过程主要分为输入采样、执行用户程序以及刷新输出三个階段。完成这三个阶段所用时间即为PLC的一个扫描周期。

图2  PLC工作过程

①输入采样阶段。PLC的CPU将读取到的输入端子的输入信号输入至输入映像寄存器。

②执行用户程序阶段。CPU对用户编写的程序进行从上到下，从左到右逐行扫描执行，根据输入、输出映像寄存器以及内存数据寄存器的数据进行处理，并将处理结果存储到输出映像寄存器。

③刷新输出阶段。根据程序执行后的结果，将输出映像寄存器的输出信号送至输出端子上，完成刷新输出阶段[2]。

2 PLC的选型

2.1 常用PLC及特点

以西门子公司生产的PLC为例，西门子公司的S7-300系列的PLC属于中型PLC。它可以处理的开关量输入/输出点数能够达到256到1024个，同时它对模拟量处理的能力远远大于S7-200系列的PLC。S7-300系列PLC的处理数据速度、数字计算能力、网络通信能力要优于S7-200系列，并且相对于S7-200系列拥有更加完善、更加丰富的指令，比如在处理模拟量输入时，S7-200系列需要编写大段程序才能将从传感器采集到的4-20mA电流信号转为数字量然后再转化为人们能够直观看到的实际值，需要用到超过6个以上的数学运算及传送指令，而S7-300系列只需要调用一个已经由软件本身自带的功能模块，简单的设置几个参数便可以轻松读取传感器测量到的实际值;再比如S7-300系列对高速脉冲计数的处理能力比S7-200系列更加简洁及完善。S7-300系列相对于S7-400系列来说，价格相对低廉，不会造成功能上的过度浪费。

西门子公司的S7-400系列PLC属于大型PLC。它能够处理1024个开关量输入/输出点数，网络通信能力非常强大，因此比较适合分布式控制领域或者是规模比较大的过程控制领域。

2.2 PLC选型

以西门子公司S7-300系列PLC为例，简单介绍PLC选型。

2.2.1 CPU选型

S7-300系列PLC的CPU型号繁多，有适合普通用户的普通型、适合在恶劣条件下使用的户外型及紧凑型等，能够适合于各种场合的要求。我们需要选取适合要求的CPU，然后搭配相应的通信及功能模块。S7-300系列与上位机通信一般可以采用MPI多点接口、Profibus总线以及工业以太网等，MPI协议适合属于对通信速率要求不高，通信距离较短的一种简单的经济的通信方式。Profibus是一种开发的通信协议，可以使得PLC能够与西门子产品之外的设备进行通信。工业以太网则是适合传输速度要求极高，传输距离远的场合。314C-2DP紧凑型CPU为一款应用较多的CPU。314C-2DP紧凑型CPU本身自带一个最大传输速率为187kbit/s，传输距离为50M的MPI多点接口及一个可用于Profibus总线的DP端口，满足了系统的通信要求。

2.2.2 数字量输入模块的选型

S7-300系列根据输入电压、点数等因素的不同生产了各种不同规格型号的SM321数字量输入模块，各个型号的参数如表1所示。

表1  数字量输入模块

[型号＼&输入电压＼&点数＼&电流消耗＼&6ES7 321-1BH02-0AA0

6ES7 321-1BL00-0AA0

6ES7 321-1CH00-0AA0

6ES7 321-1CH80-0AA0

6ES7 321-1EL00-0AA0

6ES7 321-1FF01-0AA0＼&24V DC

24V DC

24-48V AC/DC

48-125V DC

120V AC

120/230V AC＼&16

32

16

16

32

8＼&10mA

15mA

100mA

40mA

16mA

100mA＼&]

2.2.3 数字量输出模块的选型

各种不同规格型号的SM322数字量输出模块的参数如表2所示。

2.2.4 模拟量输入模块的选型

模拟量输入类型有4-20mA、0-10V、0-5V等多种类型，S7-300系列的模拟量输入的模块能够是同时输入多种类型兼容的模块，这在S7-200系列是不可能的，S7-200系列的一个模块上仅允许同时接入同一种类型的模拟量，但在S7-300系列的模拟量输入模块中可以实现，可以在硬件组态时，进入该模块的属性中修改测量范围。模拟量输入模块种类如表3。

表3  模拟量输入模块

[型号＼&点数＼&0-10V电压输入＼&4-20mA电流输入＼&分辨率＼&6ES7 331-7KF02-0AB0

6ES7 331-7HF01-0AB0

6ES7 331-1KF02-0AB0

6ES7 331-7PF01-0AB0＼&8

8

8

8＼&不允许

不允许

允许

不允许＼&允许

允许

允许

不允许＼&15位

14位

13位

16位＼&]

3 PLC在工业自动化控制中的应用

3.1 顺序控制 相比于传统以继电器为顺序控制核心，使用PLC进行工业中的顺序控制，大大简化了電路的复杂程度， 降低了劳动力成本以及后期维修的难度。在PLC编程软件中，通过简单修改梯形图即可完成对设备顺序控制动作的建立以及修改，而不需要对外部电路进行修改。传统继电器控制方法，如果控制动作需要稍作修改，则需要有大量的线路需要随之更改。这也是PLC最基本的优势所在。

3.2 过程控制 PLC具有丰富的模拟量采集扩展模块，能够根据工业过程控制的不同要求，对温度、电流、电压、流量等模拟量进行实时采集，并通过强大的数据处理器转换为PLC能够识别的数字信号，指导PLC对工业过程控制的外部执行机构进行控制。基于PLC的过程控制在化工、冶金等领域有着广泛而不可替代的应用。

3.3 运动控制 大部分PLC的 CPU中均集成有高速脉冲输出接口，能够完成工业领域的运动控制任务，其丰富而强大的高速脉冲输出扩展模块更加能够拓展PLC运动控制的轴数。以西门子公司的小型PLC S7-200 SMART为例，其CPU本身即带有3轴 100kHz的高速脉冲输出接口，可以通过简单设置向导实现PWM或运动控制输出，从而控制伺服电机以及步进电机的速度、位置，足够满足工业运动控制的精度要求。

3.4 远程控制 PLC提供了丰富的数据通讯接口，如以太网接口、RS232以及RS485接口等等，具备了强大的数据通讯能力以及满足不同通讯要求的各种通讯协议。在较远的通讯传输距离时，PLC可以使用工业以太网协议，与上位机进行通讯组网，在较近的通讯传输距离时，PLC可以使用PPI协议和HMI或其他PLC分站进行通讯，PLC可以使用MODBUS协议、Profibus-DP总线以及其他总线将数量庞大的传感器网络、执行机构群和上下位机进行组网，实现实时互联通讯。

参考文献：

[1]杜磊.PLC在工业自动化控制中的应用[J].仪器仪表用户，2015，02：21-22.

[2]张明光.PLC在工业自动化控制中的应用研究[J].吉林工程技术师范学院学报，2012，07：61-62.

作者简介：刘晋玮，1985.02.10，南京炮兵学院，计算机科学与技术，第二学位：辽宁工程技术大学，机械工程与自动化，职称是程序员。