基于PLC的过程控制系统设计研究

白岩峰

摘 要：PLC控制系统与传统的微机控制系统和继电器控制系统相比，有调试工作量小、可靠性高、系统运行稳定、抗干扰能力强、故障率低等优势，并且其工作环境适应性强，已经成为了当下我国发展机床加工控制对象以及制造业自动化控制的首选控制系统。文章就基于PLC的控制系统过程进行研究，并分析了PLC的过程控制系统的设计方案。

关键词：PLC；过程控制；设计研究

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）17-0013-01

PLC即可编程控制器，在工业控制方面得到了广泛的应用和发展，其具有可靠性高、编程简单、易于修改等优点，广泛的应用于现代化的工业企业控制当中。PLC控制技术与当下信息通信网络组合，对现代化工业生产过程实现了有效的控制，极大地促进了劳动生产率的提升，对当下工业企业的发展具有重要意义。本文研究的主要议题是PLC以及特殊模块构成的下位机与完成SCADA功能的上位机结合，构成分布式控制系统，以完成对设备的监控。

1 PLC的结构与组成

本文对PLC建构的过程控制系统的研究，主要是针对于对四个双容水箱对象的液位监控，其设计结构主要是以EtherNet信息网络级为主，设计系统当中，PLC为下位机，PC机为上位机，通过RS—232C串口和PLC实现通讯，从而完成了PLC控制系统对现场的监控。这种监控是以PLC为控制系统，通过PLC与信息网络技术、计算机技术三者的结合，从而实现对工业现场的分散控制，集中管理的效果。关于PLC对四个双容水箱对象的控制系统设计，如图1所示。

1.1 网络级

网络级主要采取的是拓扑结构，其设计原理是以EtherNet信息网络级为主，通过对同轴电缆进行连接，并且与生产控制级进行操控，从而完成了PLC控制系统对整个生产现场的监控，实现了集中化的管理方式。网络级设计是PLC进行监控的关键，主要以PC机处理系统为主，对收集的信息进行采集和处理，以完成监控效果。

1.2 监控级

监控级的实现是计算机技术和PLC技术的结合，主要以PC机为上位机，PLC为下位机的方式，以组态王6.0实现系统SCADA功能。通过对四个双容水箱对象的液位监控设计，我们不难发现，上位机通过连接RS-232C串口与PLC实现通讯，并通过总线连接，对各个工业现场实现了实时监控。监控级是PLC与PC结合的一个关键部分，是针对工厂现场各个环节进行监控工作实施的关键设备。

1.3 控制级

控制级主要以PLC为下位机，对现场实现了控制职能。涉及到工厂现场的控制，PLC控制系统主要采用了A/D003模拟量输入模块和D/A004模拟量输出模块两种设备。A/D003主要是通过液位传感器传递过来的电流信号，将其转化为数字量，通过线路传播，并通过转化器进行数据转换，从而完成控制级工作。A/D003模拟量输入模块主要涉及了IR区域和DM区域的数据接收，以及相应数据的处理工作。至于D/A004模拟量输出模块，是将输入模块中的数据转化为4～20 mA的电流信号进行输出，并调整给水流量，从而完成控制级职能。

1.4 控制通道

就上图所示的控制通道来看，主要分为输入通道和输出通道两种。输入通道采用的是CY3011AA1N型投入式液位传感器，输出通道采用的是变频器和水泵，其输出由PLC进行控制，根据频率信号来进行输出量控制，从而达到调节水量的目的。

通过对四个双容水箱对象的控制系统设计，可以实现水箱在工业生产过程中的用水需求，通过变频器、变送器、手动操作器的自动化控制，完成对水流、水量的监控，以此对工业现场用水进行控制调节，实现自动化控制过程。

2 针对PLC技术的过程控制系统的设计研究

2.1 SCADA监控软件的设计

SCADA是基于组态王6.0软件基础上，用户可以进行监控系统的轻松构建，实现了控制系统良好的人机交互环境。SCADA监控软件，开发了过程流程画面、监控画面、调节曲线等内容，可以实现对现场的实时监控。

2.2 PLC过程控制系统下位机软件设计

关于PLC过程控制系统下位机软件设计，主要涉及到以下几个方面：

①上电初始化：上电初始化主要是指对系统的初始化，其包括对RAM、ROM以及这两个软件系统中的IR、HR、DM区域的清零，并且对控制参数的初始值进行设置。

②样本采集的实现：样本的采集受到被控制对象的特性影响，并且根据实际的监控参数和控制器的容量进行分析，通过PC机对模拟量进行相应转换，实现模拟量输入后对平均值的滤波。综上所述，一般来说，会根据OMRONC200HG提供的脉冲信号，近似值在200 ms，作为采样周期。

③信号处理：信号处理主要是针对于采集的原始数据，这些原始数据的信号处理会根据实际情况进行控制器的使用。信号处理主要包括以下几个方面的内容：滤波、零点迁移、量程变换、标度变换四个方面。

④算法设计：算法设计是PLC过程控制系统下位机软件设计的关键，其控制算法主要有PID控制、Ping-Pang控制、模糊控制三种方式。其程序设计方式为：

开始→上电初始化→开泵→初始化数据处理→采样时间→采样→信号处理→控制算法（控制模式数据切换过程）→输出数据→故障诊断→返回（程序结束）。

针对这一控制，首先要确定控制周期。控制周期的确定，主要是根据实际情况，也就是流量和液体的压力特征，进行周期控制确定。

⑤控制系统的故障诊断：PLC具有自动诊断功能，可以检查现场控制系统的不正常情况，并且通过相应线路连接，获取系统故障信息。PLC自动诊断功能涉及的范围较广，包括电池电压过低问题、端口通讯出错问题、PLC扫描周期错误、指令执行错误等方面故障。在进行故障诊断过程当中，传感器的故障诊断主要以AD003模拟量输入模块通过IR区的地址进行反馈。判断断线检测标志，主要在于电压信号的反应上，通过对电压信号的处理，若是电压信号<0.3 V，或者是电流信号在1.2 mA以下，则显示数据为“1”，如果信号恢复正常的话，显示数据为“0”，这种故障判断主要是根据2位16进制的错误代码反应，00代表正常，显示数据“1”则反映了传感器断线故障。

3 结 语

基于PLC的过程控制系统对于构建一个用户可以进行各种控制理论的研究平台来说，具有重要意义。通过对水箱水位控制系统的研究，将PLC与SCADA集于一体的控制系统实现，是对PLC过程控制系统的一个研究和尝试。通过研究和分析，我们不难发现，PLC控制系统具有可靠、灵活、适应性强等优点，在未来的发展中，PLC控制技术将获得长足的发展。

参考文献：

[1] 钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用（第3版）[M].广州：华南理工大学出版社，2010.

[2] 王锦标.过程计算机控制[M].北京：清华大学出版社，2010.