摘要：针对ＰＬＣ自动化控制系统优化设计，首先概述了ＰＬＣ控制流程，并结合当前ＰＬＣ的应用环境，概括了ＰＬＣ自动化控制系统优化设计原则并分析了ＰＬＣ自动化控制系统优化设计步骤，最后从软件和硬件两个方面，提出了一些设计优化上的具体方法和措施。
关键词：ＰＬＣ；自动化控制系统；系统优化；系统设计
０引言
ＰＬＣ具有很强的逻辑控制能力。由于其体积小、功耗低、配置容易，随着技术的不断进步，当前已经可以实现大规模的分布式控制。由于ＰＬＣ的硬件结构大多是由模块化组件构成，软件程序是可编程，运用于工业控制时有非常强大的灵活性，必要时还可编写多套或多组程序，依需要调用，很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。目前用ＰＬＣ应用不仅仅满足于完成控制，更需要完成控制的优化，通过对ＰＬＣ控制系统、控制方式、控制逻辑的软硬件优化，从而实现一个最优的控制效果。
１ＰＬＣ自动化控制概述
ＰＬＣ通过将控制程序化，大大降低了操作人员的负担。随着微处理器与微型计算机的出现，为了进行区别并更好地反映其功能特点，将其定名为ＰＬＣ，从２０世纪到２１世纪ＰＬＣ发展迅猛，出现了大型机、中型机以及小型机的分化，各类通信单元、交互界面以及功能模块的相继出现，使其功能更加强大，进行工业控制也更加容易。而优化控制则是在实现基本控制功能的基础上，实现最优控制、边缘控制、节能控制的方式。
当前的ＰＬＣ中普遍都集成了存储器、运算器、定时器以及中央处理单元，部分ＰＬＣ中还针对模拟信号与数字信号的转换处理而添加了ＡＤ转换模块。ＰＬＣ的工作流程如下：用户将控制需求以程序的方式进行体现，目前ＰＬＣ中常用的编程语言可以分为五类，即梯形图语言、指令表语言、功能模块图语言、顺序功能流程图语言以及结构文本化语言，其中结构文本化语言应用较为广泛，通过利用ＢＡＳＩＣ、Ｃ或ＰＡＳＣＡＬ等高级语言编写代码，通过编译器将代码编译为二进制机器码，随后机器码存入ＰＬＣ内置的指令存储器中。ＣＰＵ是整个ＰＬＣ的控制中枢，其内部集成了控制器、运算器以及各类功能或数据寄存器，ＣＰＵ通过地址总线和数据总线进行指令读取，并在定时的控制下按照一定的时钟节拍完成指令的执行。由于ＰＬＣ芯片的输出信号大多为ＴＴＬ电平，无法驱动大型机械或电气设备，通常在后端会搭配功率以及信号放大设备，或者直接为继电器开关提供控制信号。
２ＰＬＣ自动化控制系统优化设计原则
随着工业控制需求的不断提高，ＰＬＣ控制系统设计也在不断优化。目前ＰＬＣ系统可以分为硬件系统和软件系统两个部分，硬件系统主要包括嵌入式ＣＰＵ、电源电路、通用输入输出接口、通信模块、驱动模块。软件系统主要包括嵌入式操作系统以及应用线程。
为了提高生产效率，在进行ＰＬＣ系统优化时应当遵循一定的原则：
（１）ＰＬＣ系统应当足够安全可靠。保证其长时间稳定运行，且应当具有一定的容错性。
（２）应当最大限度地满足被控系统的控制需求。
（３）在满足安全性和控制性的需求前提下，力求系统的简单性和经济性。
（４）保证ＰＬＣ系统具有良好的可拓展性，考虑到工业和技术的发展留下一定的设计裕度。
（５）保证ＰＬＣ良好的实用性和可维护性。
３ＰＬＣ自动化控制系统优化设计步骤
在进行ＰＬＣ控制系统优化的时候，通常遵循一定的设计步骤：
（１）分析被控对象，确定控制需求，制订系统设计的总体方案，绘制控制流程图。
（２）确定系统硬件设计方案，合理选择ＰＬＣ芯片型号以及相关外围电路器件。
（３）进行系统软件设计，确定嵌入式主系统、应用子程序、中断程序以及相关辅助保护程序的运行流程，简单的控制程序一般只有一个主程序，比较复杂的多控制对象或实时性要求较高的控制对象，需要运行在特定的嵌入式实时操作系统（ＲＴＯＳ）环境下。
（４）模拟调试，在ＰＣ上利用软件进行系统调试，不同公司生产的ＰＬＣ芯片一般都会配有对应的仿真软件，例如西门子的Ｓ７－２００或三菱的ＧＸＳｉｍｕｌａｔｏｒ，针对一些简单的设计系统，可以使用Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真软件。
（５）模拟调试通过之后，表明系统的软硬件设计方案可以满足控制需求，此时可以进行实物电路原理图以及ＰＣＢ图绘制。
（６）当硬件产品样件生产出来之后，需要进行软硬件
联合调试，将系统软件烧录到ＰＬＣ芯片之中，进行控制操作测试。
（７）整理相关操作文件和技术文件，并交付使用。
４ＰＬＣ自动化控制系统优化设计具体内容
４．１ＰＬＣ硬件优化设计
ＰＬＣ硬件部分主要包括主控ＭＣＵ（微控制单元，单片机）和电源时钟、电源电路、通信电路、相关驱动电路、辅助和保护电路。
ＰＬＣ自动化控制系统的数据处理能力主要集中在主控ＭＣＵ上，而主控ＭＣＵ的选型十分重要，目前绝大部分嵌入式控制领域都采用ＡＲＭ微处理器架构，其具有功耗低、成本低性能强等优点，而且目前市面上绝大多数ＡＲＭ芯片都集成有Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ转换模块、定时器系统、多路中断以及ＳＰＩ、Ｉ２Ｃ、ＵＳＡＲＴ以及ＣＡＮ等通信接口，针对控制信号的多少和控制程序的大小，需要合理选择ＭＣＵ内存储器的容量以及ＭＣＵ上通用Ｉ／Ｏ端口的数量。
电源电路设计时，首先要保证设计满足电路的电平要求以及功耗要求，目前市面上大多数ＭＣＵ控制芯片的驱动电平大多为５Ｖ或３．３Ｖ，功耗不超过２００ｍＷ。而且ＭＣＵ控制芯片对各类电磁噪声比较敏感，所以在电源布线时通常要进行强弱电之间的隔离，在ＰＣＢ单路图绘制时常采用大面积敷铜以降低噪声。直流电源在接入ＭＣＵ之前一般都需要经过滤波电路，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ的输入参考电平通常要与电源电路相隔离。
时钟电路以及通信电路设计时，虽然目前ＭＣＵ都内置了时钟，但由于内置时钟容易受温度等环境影响，所以一般我们利用外部晶振作为系统时钟。通信电路要根据控制信号、控制距离以及控制数据流量进行选择，同时要注意预留下数据烧录的端口和调试端口。
由于ＭＣＵ输出信号功率较低，无法直接驱动大型的机械设备，因此ＰＬＣ控制系统通常还搭配有驱动输出电路，驱动输出电路通常要求强弱电之间的有效隔离，通常采用继电器、光耦等器件。对于一些对于频率响应要求较高的控制场合，会使用晶闸管或高速继电器。
４．２ＰＬＣ软件优化设计
通过ＰＬＣ软件优化可以使程序代码简洁明了，增强代码的可读性，降低芯片存储器负担，提高程序运行效率。
首先，要根据工程需要，合理划分程序结构，编写功能性子程序，同时在子程序的编写过程中要注意高内聚、低耦合的编程原则，根据数据和控制字段的长度合理进行数据结构封装。
其次，合理运用中断。中断可以运用在多种场合之下，例如在系统发生故障或工作状态异常时，通过中断可以实现系统关闭或紧急复位并可以在中断中编写报警程序。在多路控制或多通道采集时，也可以使用中断实现数据的处理，而一些精确的延时操作也可以通过变现定时器中断程序完成。通过合理配置中断可以极大地提高系统的响应速度，适应控制任务的复杂性需求，但滥用中断有时也会使程序运行不稳定。
再次，合理运用嵌入式实时操作系统。目前，比较经典的嵌入式操作系统有μＣ／ＯＳ－Ⅱ和μＣ／ＯＳ－Ⅲ，嵌入式实时操作系统允许系统采用特殊的硬件指令实现高效的任务调度，为设计师提供设计基础和软件框架，复杂的线程可以线程的方式运行在操作系统之中，很好地适应了工业控制中的实时性和复杂性需求。
５结语
随着网络技术、通信技术与电子技术的发展，当前ＰＬＣ已经可以实现与个人计算机之间的高效通信，可用计算机参与编程及对ＰＬＣ进行在线管理，而各类智能仪表、智能执行装置（如变频器），在ＰＬＣ的控制下也可以实现联网通信，交换数据，相互操作，这适应了当今计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）及智能化工厂发展的需要。它可使工业控制从点（Ｐｏｉｎｔ）到线（Ｌｉｎｅ）再到面（Ａｅｒｏ），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。面对不断提高的控制需求，相关设计人员要做好ＰＬＣ设计优化工作，加强自主创新和技术融合，不断拓宽ＰＬＣ的应用领域。
参考文献：
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