试论PLC技术及其在工控现场方面的应用

摘要：可编程逻辑控制器简称PLC，主要用来代替继电器实现逻辑控制。文章介绍了PLC的基本构成，提出了未来PLC技术的发展方向，同时以自来水现场工业控制为例，实现了该系统的PLC自动化控制。

关键词：可编程逻辑控制器；PLC技术；逻辑控制；自来水系统；工控现场

中图分类号：TP311

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)14-0055-03

可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计的。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，在自动控制领域有着极其广泛的应用。

一、PLC构成及其发展

(一)PLC的构成

用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。输入输出变换和物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，而输入输出变换实际上就是信息处理。物理实现要求PLC的输入应当排除干扰信号适应于工业现场，而输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求FO系统电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算机结构，主要是CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路等组成，如图1所示：

因为PLC是工业环境应用而设计制造的计算机，它和一般计算机一样由中央处理器、存储器、输入接口电路、输出接口电路等组成。

(二)PLc的发展

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通迅技术的不断进步。PLC也迅速发展。其发展过程大致可分为三个阶段：

1.早期的PLC(60年代末～70年代中期)。早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。早期的PLC的性能要优于继电器控制装置。其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言――梯形图一直沿用至今。

2.中期的PLC(70年代中期～80年代中、后期)。在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程FO模块、各种特殊功能模块，使PLC的应用范围得以扩大。

3.近期的PLC(80年代中、后期至今)。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

PLC是一门综合技术，其发展与微电子技术和计算机技术密切相关。随着可编程序控制器应用领域的不断扩大，它本身也在不断发展。目前PLC主要朝两个方向发展：

(1)小型化方向。目前的小型PLC大都局限在开关量的输入输出，而且CPU和FO部件组装在一个箱体内，今后的小型PLC也将增加模拟量的处理功能，而且也将有灵活的组态特性，并且能与其它机型连用。小型PLC的基本特点是价格低廉、经济可靠，适用于回路或设备的单机控制，便于“机电仪”一体化。但免不了要牺牲一些用户使用的方便性。既要简单经济，又要不断增强功能和使用的方便性是小型PLC的发展方向。

(2)大型化方向。主要包含以下几个方面：1)功能不断加强：不仅具有逻辑运算、计数、定时等基本功能，还具数值运算、模拟调节、监控、记录、显示、与计算机接口、通讯等功能；2)网络功能是PLC发展的一个重要特征。各种个人计算机，图形工作站、小型机等都可以作为PLC的监控主机或工作站，这些装置的结合能够提供屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能。大量的PLC联网及不同厂家生产的PLC兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能轻易地实现；3)应用范围不断扩大：不仅能进行一般的逻辑控制，还能进行中断控制、智能控制、过程控制为、远程控制等；4)用于过程控制的PLC往往对存贮器容量及速度要求较高，为此，开发了高速模拟量输入模块，专用独立的PID控制器，多路转换器等，使得数字技术和模拟量技术在可编程序控制器中得到统一；5)编程软件的多样化和高级化：采用多种编程语言，有面向顺序语言和面向过程控制系统的流程图语言；还有与计算机兼容的高级语言，如BASIC、C及汇编语一言；另外还有专用的高级语言，例如三菱的MELSAP采用编译的方法将语句变为梯形图程序；也有采用布尔逻辑语言的。PLc也将具有数据库，并可实现整个网络的数据库共享。还将不断发展自适应控制和专家系统；6)构成形式的分散化和集散化：PLC与I/O口分散，PLC本身也可分散，分散的PLC可以连用，这样可将集中控制存在的“危险集中”化为“危险分散”。分散的PLC与上位机结合构成集散系统，分散地进行控制，这就便于构成多层分布式控制，以实现整个工厂或企业的自动化控制和管理。

三、PLC在自来水工控现场的应用实例

(一)控制需求分析

自动供水系统结构组成示意图，如图2所示。该系统通过2台抽水泵(另外2台备用)分别将#1和2#两口水井中的井水抽到清水池中，加药处理后由2台(另外1台备用)和1台(另外1台备用)加压泵分别向左岸和右岸水塔自动供水，以保证左、右两岸居民的用水需求。

自动控制供水系统主要是控制4台抽水泵和5台加压泵的启停，保证用户供水。控制系统设“手动”和“自动”两种工作方式。手动方式是一种备用方式，它是在自动方式不能正常运行的情况下启用。自动方式可以实现无人值班，无需人为干预，正常情况下自动供水，保证用户有水可用。

自动供水系统控制要求：

1.1#或2#冰井液位低于最低水位时，自动停止相应的抽水泵，在操作台显示液位值，并向上位机发出报警信号。

2.清水池水位低于下限水位时，1#和2#两口水井中的各自 一台水泵向清水池送水，同时根据设定值自动启动加药泵进行加药处理；当高于上限水位时，两台水泵和加药泵同时停止。要求各台备用水泵在相应水泵出现故障时，自动投入运行。

3.左岸或右岸水塔水位低于下限水位时，如果清水池中的水位不低于下限水位，各主加压泵同时向水塔送水；当水塔水位高于上限水位时，主加压泵停止送水。要求各台备用加压泵在相应加压泵出现故障时。自动投入运行。

4.通过上位机监控系统运行状态和报警，并实时显示水井、清水池、水塔的液位。

5.本系统要求运行安全可靠，手动操作、自动操作转换方便、可行。

(二)PLC控制系统设计

本系统采用德国西门子公司57 200系列中的57-226控制器及其STEP7/WNI软件作为系统的软硬件设备。该型号的PLC有良好性价比，同时提供了良好的开发平台以及大量的相关参考资料，在小型PLC控制系统中得到了广泛的应用，并在WNIDOWS2000完成了系统软件的编制和调试。上位机采用北京杰控Fameview5.5实现对PLC的监控，上下位机间通信采用MODBUS通信。

根据控制系统要求，PLC控制器主要是对两个取水泵站的四台水泵和两个液位传感器、加药站的加药泵、加压站的五台加压泵进行控制及向上位监控机传送各种信息。由此，自来水工程PLC控制系统的流程图，如图3所示：

由自来水工程PLC自动控制系统原理框图工艺组成可得：电气控制系统要求5个液位传感器分别检测两个水井液位、清水池液位、右岸生活水池液位和左岸生活水池液位；5个出水辅助电接点压力表来控制五台加压泵电动阀门的开启和检测五台加压泵电机运行是否正常，除此之外，电气控制系统还要求一些水泵电机运行指示灯和按钮等元器件，由控制系统参数以及对PLC输入输出点数、性质的要求，对控制系统的关键元器件：PLC、液位变送器和变送器传送屏蔽电缆线，进行必要的选型。

考虑到PLC控制系统的可靠性问题，电源是控制系统引入干扰的主要途径之一，特别是对于系统中存在大接触器、大电机等的场合，更易引入干扰信号。在系统设计过程中，采用了隔离变压器对PLC供电，并在一次侧采用380VAC供电。对系统中，要求有常用和备用、手动和自动两种运行状态不容许同时运行，由连锁可靠性要求，除了在PLC内部进行软件连锁外，同时还利用接触器的辅助触点进行了必要的电气连锁，以提高系统的可靠性。

从系统要求出发，系统要求在PLC不能正常工作时，能够利用手动按扭，进行正常供水控制，故在系统设计时，对手动控制没有采用PLC控制，而是采用继电器触点控制。系统电动阀控制器，由电动阀生产厂家配套生产，在此只对其进行改装，以实现远程控制。

上位机监控系统可以监测各个点水位变化的实时状况、各个电机的运行情况、各条管路的状况、查询历史水位的变化和历史报警信息以及电机历史运行状况。

上位机监控系统程序采用了Modbus通信协议的方式完成数据采集。采集的内容包括模拟输入AIU、数字输入DI口以及保存信息的内部字节信息。根据PLC控制系统需要，选定系统参数，在第一循环扫描中初始化Modbus从站协议，得到初始化梯形图。

组态软件的实现采用FameView5.5软件，它提供了许多通讯驱动程序与各种控制设备进行数据交换，要使用某个驱动程序，必须要进行安装，才能被工程使用，可以同时安装多种驱动程序；每种驱动程序都有一个独立的、与众不同名称来标识自己。驱动程序被安装后，并且选择驱动程序，并在系统启动过程中，启动驱动程序。运行数据库提供了A1/AO/ARIDI/DO/DR六种外部变量，与设备数据表进行各种方式的数据交换，运行数据库还提供了三种内部中间变量VMVD/VT，可以不加限制的使用。本系统使用了8个AR(模拟输入，出变量)，用来读取和修改设备数据表中的#1井水位仪，2#水位仪，左岸水位仪，右岸水位仪，右岸流量仪，水池水位仪的数据。Fame View系统提供了一个被称为设备数据表的存储缓冲区，把与外部控制设备通讯的数据经过整理存放在其中，通过设备通讯驱动程序，设备数据表的内容根据要求进行更新和输出，运行数据库所需要的过程数据都从数据表中取得。

四、结论

在工业自动化领域中，随着自动控制理论、计算机技术和PLC技术的发展，PLC以其高性价比、高可靠性、广泛的适用性和组成控制系统的简洁性等诸多优点，得到越来越广泛的应用。本论文在论述PLC结构及其发展的基础上，以自来水工业控制系统为例提出了一套PLC在工业现场控制中的设计步骤和方法，达到了设计要求，取得了理想的效果。