PLC自动控制系统论文
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一、plc和智能模块的发展现状及趋势
PLC是一种在继电逻辑控制之后迅速发展起来的计算机工业自动控制装置，其强大的抗干扰能力和可靠度被广泛运用于多种工业自动化设备中。随着对PLC研究的深入和技术的发展成熟，越来越多的复杂自动控制系统纷纷将PLC作为了首选技术。与多年前的PLC功能相比，如今的PLC厂商已开发出各种各样的配套功能模块，智能化的处理能力也在不断增强，完全能够适应各类工艺生产流程，如输入输出模块，便是现今应用范围最广的PLC自动控制系统智能模块，其实现了采集外部模拟量和控制内部数字量的两种功能，甚至有一些品牌的输入输出模块已完全嵌入了A/D和D/A的功能，满足了市场的需要。然而，随着旧工艺旧设备的改造和工业控制系统的复杂程度提高，原厂配套的智能模块出现了功能性瓶颈，具有一定的滞后性，且因定制造价过高的原因，国内外开始对自动控制系统智能模块展开了更深层次的研究。
二、基于PLC自动控制系统的设计
1、PLC自动控制系统的结构构成PLC自动控制系统是通过PLC对工业生产中的储位、压力、流量和温度等生产要素进行控制的一种智能化系统，在此过程中，需进行PID的运算，通常在PLC厂家可以采购到配套的PID控制程序和过程控制模块，对于生产要素的采集和输出都有较为方便的控制方法，但基于价格和操作性的原因，不少PLC自动控制系统还是采取自己编程的方式，这对于复杂的PLC自动控制系统实现更多需求和工艺调整的控制策略，具有成本更低和操控性更强的特点。PLC自动控制系统的工作流程主要是：通过测量感应元件对信号进行反馈输入，进入A/D模块转变为系统能够识别的数字信号，再与控制参数进行比对，接着进入PID运算单元，得到偏差结果的计算，最后由D/A模块转变信号输出至执行元件，开始动作的执行。
2、PLC自动控制系统的智能化实现本文以储料储存和输送控制为例子，采用三菱公司生产的FX2N-48MR-001PLC对PLC自动控制系统的智能化实现过程进行具体介绍。
（1）储位的采集：寄存器M21闭合检测储位并选择输入通道读取储位值信号，A/D模块开始工作，再经缓冲存储器读取进入辅助继电器中，最后将数字信号储存入寄存器，等待PID的运算。
（2）PID的运算：首先，我们要初始化设定PID的固定指令参数表，即设定检测时间、增益滤波、微积分增益等参数。其次，设置独立的PID指令寄存器，当PID出现运算错误时，及时调整寄存器的ON和OFF状态，中断指令，而实际采集储位值信号时，也是通过中断和跳转指令和子程序调用指令来运算的。
（3）电动阀的输出：电动阀主要作为进出料控制的手段，是通过PID的控制和D/A模块的转换，将PID运算的模拟量结果进行输出工作，其输出值会储存在辅助继电器和缓冲储存器中，触发输出通道进行D/A转换的过程。
三、基于PLC自动控制系统的上位监控设计
1、上位监控介绍基于PLC自动控制系统的上位监控是由组态软件对上下位的通信进行衔接，且实时监控并记录PLC自动控制系统运行情况的管理方法。其采用组态软件对PLC、智能模块以及设备仪表等进行采集现场信号的工作，当系统运行到报警参数设置范围内的状态时，组态软件会以监控界面和移动终端设备等途径提醒工作人员。同时，该上位监控软件对历史数据能够进行统计和储存，便于对数据变量配置进行优化和完善。
2、上位监控界面设计上位监控界面设计分为两个步骤，一是画面的开发，通过组态软件对工业流程图的图形图表绘制，根据各设备的位置、规格和连接方式，通过缩小比例的显示方式表示在计算机屏幕中；二是工程变量的设置，监控界面中的工程变量往往用于集中进行生产监控和预警控制，因画面的直观效果，自动控制系统能够在监控界面中随时发现工业生产各个环节的运行状态，简而言之，设置工程变量即是在画面开发之后对各生产要素和连接方式的属性定义。
3、远程监控设计随着互联网的高速发展，远程监控与PLC自动控制系统结合起来，成为了PLC自动控制系统的一个很重要的智能模块。组态软件中内嵌有B/S结构，可以让自动控制系统的监控手段脱离现场的监控，随时随地对工业生产进行监控和管理，亦可设置纯浏览权限，只能访问监控界面，进行实时数据观察，该方式已成为了上位监控的重要发展方向。
四、基于PLC自动控制系统的智能模块设计
为满足PLC应用于各种自动控制系统的要求，配套输入口的模块购买成本十分高昂，而且相对固定的性能和无法扩展的弊端对于小型自动控制系统和老工艺改造项目具有较差的灵活性。针对于此，本节将阐述智能输入输出口模块在PLC应用中的二次设计过程。
1、智能输入输出口模块的设计方案智能输入输出口的设计主要通过编程来自定义种类各异的逻辑功能，实现与PLC联通信息，输入输出模拟量，并于上位监控界面中显示的功能。其中，智能输入输出口模块核心控制器采用单片机作为主机来完成通信的传输和数据的控制，PLC作为辅机来对两者进行联通。而单片机逻辑电路设计交由CPLD来完成，所有模块和输入输出外设都经过CPLD与单片机利用总线连接，实现抑制容易、兼容性强等特点。
2、硬件模块设计
（1）单片机模块单片机是智能输入输出口模块的核心部分，本文对单片机的选择为兼容8051指令代码的单片机，该类型单片机的功耗、速度和抗扰性能都得到了市场的良好反响。其次，该类型的单片机采取外部晶振模式并内置2个30pF电容对波特率的把握较为稳定和快速。由于STC12LE5A60S2和CPLD的供电电源为3.3V，所以可以直接进行总线连接。同时，本文将单片机的ALE引脚、中断、P2和WR/RD接口与CPLD连接，易于控制矩阵式键盘的操作。
（2）CPLD模块CPLD是自定义逻辑编程开发的专用集成电路，其利用配套的输入软件、开发软件和仿真软件对内部逻辑烧写实现电路设计、仿真和优化的制作过程。在CPLD的选择上，首选电源电压为3.3V的CMOSEPLD，满足管脚数量大于144个、I/O口大于116个的高性能和高密度要求。
（3）D/AC和A/DC模块D/AC模块的主要作用是输出0~5V的模拟量，为满足不同电路的设计要求，其输入方式应满足市面常见的直接数字和单、双缓冲并存的输入方式，至于模拟信号是否在转换后通过电流形式输出还是电压输出，本文对此不作要求；A/DC模块的主要作用是转换数字量信号，并经单片机发送至PLC进行PID运算。按照常见的自动化控制系统的要求，A/DC模块必须具备8路采集通道，且采集精度应符合8位分辨率的要求。
3、软件模块设计
（1）CPLD程序的编写CPLD程序的编写主要是对总线地址译码、读写时序、数码管扫描、键盘自动扫描的操作，通常采用AHDL语言来完成工作。其编程流程为：首先，进行总线地址译码，获取单片机对A/DC和D/AC模块的读写时序，通过读写时序判断A/DC和D/AC模块的转换状态；其次，传输采集数据给单片机，通过对数码管的1KHz信号扫描模式，将数据显示与LED上；最后，根据键盘自动扫描200Hz信号的结果，判断单片机中断的按键动作，输出至总线。
（2）单片机程序的编写单片机程序的编写主要是对主程序、功能菜单程序、显示程序和模块通信和控制进行设计。此过程是对智能输入输出口模块人机交互界面的设计，应以简单便捷的操控设计为原则，满足通信和控制模块的功能性需求。
4、PLC和智能输入输出口模块的串行通信实现PLC和智能输入输出口模块的串行通信实质上是模拟量和数字信号的传输通信，其通讯数据以每帧10个字符为单位进行传输工作，并采用STX作为起始标志，ETX作为结束标志，中间部分为命令码和校验码，通讯模式通常使用9600bps串口波特率和相同的传输数位，此过程中数据的读写工作均交由单片机完成，即将单片机作为编制通信程序的主机，以实现数据通信的需求。
作者：马婷单位：江苏省连云港财经高等职业技术学校
