冯建广
川北真空科技北京有限公司 北京 102200
摘要：在我国工业和信息化快速发展的背景下，现代企业生产越来越依赖于PLC自动化控制系统，而自动化控制系统的稳定可靠运行来自于科学合理的系统设计。基于此，本文主要探讨了自动化控制系统的实现方法，并对其设计进行了研究，以供参考。
关键词：自动化；PLC；控制；设计；方法
PLC自动化控制系统在现代工业化生产中具有显著的优势，已经得到了广泛的推广与应用。PLC自动化控制系统的主要优点是能够在不改变电气系统硬件的情况下按生产过程需要对PLC进行具体编程实现不同控制逻辑的自动化生产运行，减少了在生产过程中对电气系统的人工操作。
一、PLC自动化控制系统的接口类型
PLC自动化控制系统的作用相当人脑和神经的作用，它是通过控制电气系统实现驱动设备的。为了满足电气系统的不同需求，PLC配备了多种接口类型：数字输入（DI）模块，数字输出（DO）模块，模拟量输入（AI）模块，模拟量输出（AO）模块和通讯模块等。DI、DO模块常用的有直流24V和交流220V；AI、AO模块常用的有4~20mA，0~10V。为使电气自动化系统的查线与检修更加方便和快捷，在系统确立之初，应将PLC自动化控制系统与电气系统作为一个整体进行设计，着重考虑各种接口的配合，减少各种不必要的转换。最简单有效的办法是减少电气自动化系统信号接口类型，我们可以按以下方法实现。
1、PLC数字输入信号
电气系统提供无源触点信号（无源接点一般被称为干接点或无源开关，干接点是一种电气开关，具有闭合和断开的两种状态；两个接点之间没有极性，可以互换。例如：温度开关、脚踏开关、旋转开关、按钮等）和有源信号（具有有电和无电的两种状态；两个接点之间有极性，不能反向连接。例：将干接点信号跟电源连接，输出与电源的另一极，则为有源节点信号；还有NPN型或PNP型光电开关、接近开关等。）接口给PLC，由PLC柜统一提供满足DI模块需要的信号电源，数字信号引入PLC柜后通过端子直接可以直接接入DI模块，但对于有源点来说要分清楚电压和极性，选型设计时要考虑信号输入源是NPN型还是PNP型，若是NPN和PNP两种类型无法避免则可以通过中间继电器转换成无源接口信号即可。在一些环境复杂的场所建议用中间继电器进行信号隔离，从而保障整体设备的稳定性和可靠性。
2、PLC数字输出指令
PLC提供无源触点控制接口给电气系统，将这些无源触点串接入电气控制回路，PLC控制无源触点的吸合可以控制设备按程序运行，节省了电气柜的转换继电器。要根据PLC输出端子的负荷是直流型还是交流型，控制电流的大小和触点动作的频次等，确定输出端子是采用继电器输出，还是晶体管或晶闸管输出。不同的负载选用不同的输出控制方式，对系统稳定也是很重要的。对于一些复杂场所，我们通常采用“以小控大”的模式，加装中间继电器、交流接触、固态继电器等；我们也可采用中间继电器进行电气信号隔离。
3、PLC模拟量输入信号
仪表和电气系统提供4~20mA、0~10V等模拟量信号给PLC。其中4~20mA模拟量信号相对受电线阻抗与环境温度的影响很小，可以实现较远距离的信号传输，零点时为4mA有利判断信号是否正常，满量程20mA时通断产生的能量不足以引燃瓦斯，非常安全，适用于大部分用途。应该从设计角度优先使用。
4、PLC模拟量输出指令
PLC提供4~20mA、0~10V等模拟量信号给电气系统。模拟量信号通过模数转换，转换成设备可以识别的信号，例如输入信号4~20mA对应内部数值为6400~32000，输出信号6400~32000则对应 4~20mA。模数转换可以通过直线方程列出，例如：两点式：(y-y1)/(x-x1)=(y-y2)/(x-x2)（直线过定点(x1,y1)，(x2,y2)。
5、Modbus通讯协议
Modbus通讯协议是应用于电子控制装置的数据传输协议，通过该通讯协议，能够在控制器之间和控制装置之间进行数据的实时通信。在实际应用中，PLC通常与不同的仪器仪表进行通讯，但大部分仪器制造商都采用Modbus通讯协议。
Modbus协议是属于串行通讯的应用层报文传输协议，主要传输模式是：ASCII、RTU、TCP，在使用Modbus通讯协议进行数据传输的情况下在主站确定传输模式后（ASCII或RTU）相应的从站参数设置也需要匹配，包括有奇偶校验方式、波特率、从站响应时间等，需要注意的是每个从站的地址标志位为唯一对应的，不可有重复现象发生。
6、PROFIBUS–DP通讯
PROFIBUS–DP具有速度快、成本低的特点，它用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。PROFIBUS–DP通讯在工业控制通讯中占有非常重要的位置，目前，国内外大多数设备都开发了PROFIBUS–DP通讯用的通讯模块和对应通讯协议内容。
有关西门子的Profibus DP通讯着重分为3种形式:1、主站与远程I/O之间的通讯;2、主站CPU与从站CPU之间的通讯;3、主站CPU与主站CPU之间的通讯。
二、PLC自动化设计需要考虑的因素
PLC技术在基础自动化控制系统中较为成熟，产品品牌品种繁多，市面上有倍福、AB、施耐德、西门子、北京和利时、无锡信捷等等。通过市场和技术实践，同档次的PLC技术性能基本相当，因此在设计PLC系统时要符合当前社会的发展背景，做到合理化、系统化。
1、合理化
PLC分为大、中、小三档，每档可配置的模块数量不同，内存容量不同，程序运行响应时间不同。一般来说，大型PLC在这些方面有很大的优势，但大型PLC的成本相对较高，通常用于大型生产过程控制、自动化网络控制，I/O点数超过512以上，才需选择西门子S7-1500系列等大型PLC即可。如果不是一个连续协调性很强的大系统，建议将大型系统分解成多个中小型PLC子站通过通信协调来完成，在节约成本的同时也可以分散控制系统的风险，布线也相对简单明了。中型PLC主要是应用于生产过程复杂逻辑控制闭环控制，I/O点数超过128~512之间，选用西门子S7-1200系列等中型PLC。其他比较简单，主要有条件控制、顺序控制、开关控制等，I/O点数小于128，选用西门子S7-200等小型PLC智能系列。
2、系统化
有很多的项目需要分阶段设计和实施，有助于减少备品备件的种类和数量，降低操作人员和管理人员的工作强度和难度，建议前期设计时不考虑即将换代的产品，后期工程设计应根据前期自动化系统选择推荐同品牌同系列产品。现在各个厂家对这种前后期工程也有相对应的解决方案，如果后期工程设计时，前期工程的PLC已经退市了，设计人员应主动和前期工程PLC产厂联系，合时合理配置PLC。
三、PLC自动化控制系统的优化设计
在PLC系统实际应用中，有些维护管理人员并不具备全面的专业素养。为方便维护管理人员能够检修维护电气自动化系统，设计时应优化电气自动化系统。
1）简化控制系统，采取集中分散控制系统。可以多设子站，使控制功能分散，并将显示操作数据集中，也就是管理集中、控制分散、危险分散。
2）自控仪表产品尽量推荐选用中文界面的产品，并优先推荐选用平均故障间隔时间大的产品。
3）全厂采用同一款PLC，在方便组网的同时也减小了维护人员检修的难度系数。
4）设计时明确自控系统上位软件应提供专家系统：要求在上位软件上罗列故障，并详细说明故障原因，提出解决方案。当自控系统出现故障时上位软件弹出和这个故障有关的几个原因，并显示解决方法，方便维护人员解决问题，提升上位软件的实用性。
四、结束语
随着工业生产进入数字智能化时代，工业生产对自动化系统的要求是日渐提高。因此，本文提出了自动化系统设计时的几点想法，总结出来与大家探讨，希望能有所帮助。
参考文献
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