基于PLC的机电设备自动控制系统设计与应用

邹雯 孔祥振

（滕州市中等职业教育中心学校 山东省滕州市 277500）

PLC 是一种具备微型处理器的适用于自动化控制中的一种数据化的运算控制器，通过将控制指令输入到控制器的内存当中进行存储和执行，完成对设备的自动化控制[1]。机电设备目前在人们的日常生活中的应用逐渐增多，从交通工具到各类家用电器、电子设备等，已经成为了人们生活中不可或缺的机电产品。通过合理的引入不仅可以有效提高生产效率，减轻工人的劳动强度，改善原有的生产环境，从而完成更多人力无法做到的工作，同时机电设备作为国家工业领域中的基础设施，对整个国家的国民经济发展以及科学技术的创新，都有着更大的影响力度[2]。对此，本文将综合当下市场科技调研的力度，结合PLC 具备的显著优势，提出一种机电设备自动控制系统设计方法，分别从系统硬件结构与软件功能两个层面展开设计和研究，保证控制系统在实际应用中可发挥其最高价值。

1 基于PLC的机电设备自动控制系统硬件设计

1.1 PLC可编程逻辑控制器选型

将PLC 作为设计的核心部分，对系统进行硬件设计。PLC 可编程逻辑控制器是本文提出的机电设备自动控制系统的核心硬件设备，该控制器的主要组成包括主控制芯片、电磁阀、传感器以及电动泵等。在对芯片的型号进行选择时，应根据主控制芯片的功能需要、接口处资源、机电设备的工业性、尺寸大小以及功率消耗等相关因素选择[3]。针对上述要求，本文选择将型号为ZW245V25-27的主控制芯片引入到PLC 当中。

PLC 可编程逻辑控制器中的电动泵主要用于为机电设备提供驱动，其主要电路是由MOSFET 金属-氧化物半导体场效应晶体管和高速光耦共同构成，驱动形式为脉冲宽度调制驱动，从而让电动泵获得自由的调速。高速光耦作用是将PLC 中发出的控制信号与电动泵的电路进行连接，从而通过将控制信号转换为控制当量，对机电设备进行自动控制。

1.2 系统电源选型

电源的主要功能是为了给PLC 及其他外部控制部件提供电力，PLC 的工作状态为弱电状态，因此在系统运行过程中产生的电压较低，而系统中的其他外部控制部件为强电工作状态，因此产生的电压差会影响系统的运行效果，为解决这一问题在布设电源时应将外部其他控制部件的电源与PLC 的供电电源隔离。

2 基于PLC的机电设备自动控制系统软件设计

2.1 机电设备控制数据自动采样

图1：控制当量计算顺序图

将本文基于PLC 的机电设备自动控制系统与数据采集装置相连接，将控制数据直接传输到系统服务器当中，利用计算机自动获取机电设备每一个端口当中的控制数据信息，完成对机电设备控制数据的自动化采样。在本文系统实际运行过程中，控制数据中存在一部分无效的数据样本，为了避免系统出现无效控制，采用PLC控制器首先通过扫描的方式，按照实际控制顺序应接受的控制数据进行采样，并通过过滤将数据中无效的控制数据剔除，将有效数据保存在存储器当中。

在上述提出行为的基础上，应持续进行机电设备自动控制系统控制端电源最大承受负荷量，并考虑如何将超负荷行为值平均转移并分配到系统其他控制节点上。基于提出的分析内容，本文选择采用云端在线分析的方式进行机电设备控制数据的获取。并结合不同控制层在多种状态下行为数据，计算控制系统每个数据节点的平均自动采样量。计算公式如下。

公式（1）中：K 表示为机电设备控制系统的约束条件；λ 表示为系统在常规运行环境下的频率参数；D 表示为系统在采样过程中控制节点的数据负荷量；R 表示为控制节点占比；j 表示为i 级的系统层的数据量；L 表示为扰动系统的相关敏感因素。根据上述计算公式，监控机电设备自动控制系统在自动获取数据过程中的平衡运行能力，并通过网间连接设备，将获取的控制参数数据节点，采用单片机传输方式转化为传输控制协议/互联协议的传输方式。

2.2 机电设备控制当量计算

获取机电设备控制数据后，利用PLLC 控制器对数据计算，获取机电设备控制系统中控制器、变频器、机电设备以及外部环境的控制当量。控制当量的计算顺序如图1 所示。

由图1 可知控制当量的计算顺序，改变PLC 控制器的控制参数会影响到变频器、机电设备以及周围环境的控制参数。计算时，首先给PLC 控制器一个已知的数值，利用该数值，机电设备自动给出一个原始恒定的运行速度，待机电设备运行一段时间后，通过改变这一定值，计算相关当量对机电设备自动控制。当量的计算公式为：

表1：实验组与对照组实验结果对比

公式（2）中，W 表示为机电设备控制系统的控制输出频率当量；Ki 表示为机电设备在实际运行过程中的比例系数；Kj 表示为机电设备在实际运行过程中的积分系数；f（x）表示为当系统第x 次自动采样时与实际定量之间的偏差。利用上述公式计算出机电设备控制系统对PLC 控制器、变频器、机电设备以及周围环境参数的当量数值。

2.3 控制当量映射

得到各机电设备的控制当量后，利用计算机接口实现深度控制当量的映射，映射出两个4 位数的8 进制数，最终获得在每个控制点位上的控制数据，再利用特定的变量数据对机电设备控制数据映射，形成区域性的映射。控制当量映射是将用户在系统当中输入的机电设备运行控制信息转换为具体的参数控制，用户只需事先将规定的各项机电设备控制限制输入到系统当中，通过系统自动检测是否进行控制参数的改变。再利用计算机的端口状态对控制数据及控制信息进行存储，并将其输入到相应的映射区域当中，通过在区域映射中对应的控制语义、词义等分析得出正确的控制结果。

3 实验

为了检验所设计的基于PLC 的机电设备自动控制系统对机电设备控制的同步率是否与传统控制系统相比有所提高，提出一个简单的对比实验，将本文设计的系统与传统的系统进行对比检验，以市场内某机电设备生产厂址作为此次实验的试点场所，将设计的控制系统应用到场内工作与生产流程中，以此验证本文设计系统的有效性。下面将进行该系统与传统控制系统的对比实验的详细设计。

3.1 实验准备

建立实验环境，利用虚拟软件，将本文控制系统中涉及的所有机电设备、控制器、变频器等以及传统控制系统中的相关设备的参数输入到软件中。分别利用两种控制系统对同一机电设备进行控制，设置本文控制系统对机电设备控制为实验组，传统控制系统对机电设备为对照组，分别对两组系统输入相同的机电设备运行限制，利用本文系统自动完成，利用传统系统手动完成，将两组实验的实验结果记录。

3.2 实验结果与分析

按照上述提出的实验准备，计算出两种控制系统的同步率，每组实验输出五次，去掉一个实验结果中的最高值和一个最低值，取中间三个数值，求取平均值。输出实验结果，并将其绘制实验结果表。如表1 所示。

从表1 中的数据结果可以看出，实验组的同步率明显高于对照组的同步率。且随着控制次数的增加，实验组控制系统的同步率呈逐渐上升的趋势，而对照组控制系统的同步率呈逐渐下降的趋势。因此，通过仿真对比实验进一步证明，本文提出的控制系统具有更高的同步率，更适用于实际工业生产中对机电设备控制。

4 结束语

结合PLC 可编程逻辑控制器具备的自动化优势，将其引入到机电设备的控制系统当中，通过实验证明系统实现了初步自动化，同时同步率得到提高。通过该控制系统的建立对提高生产质量、技能水平的自动化都有巨大的推动作用，能够为社会和经济带来巨大的效益，具有较大的发展潜力。在后续的研究中还将基于PLC 对各个领域中的控制系统进行全面的设计，并尝试将本文设计的基于PLC 的机电设备自动控制系统在市场内投入应用，通过系统在市场的不断实践，掌握本文设计系统在实践运行中存在的隐性问题，进一步解决问题，完善系统功能，以此发挥系统在应用中的最大价值，从而实现机电设备的自动化、可持续发展。