电气控制和PLC不是两个完全分开的体系, 它们之间的关系可以被看作是执行逻辑动作的那一层, 和负责做出控制决策的那一层。只有弄明白了这种层次关系, 才能打好理解整个自动化控制系统的基础。
这篇文章会从原理是什么、具体怎么选型, 以及实际动手操作这三个方面入手, 把电气控制和PLC里面最核心的内容全部整理一遍, 让大家一次性就都能看清楚。
01电气控制与PLC的核心关系
过去那种传统的电气控制做法, 通常是得去依靠继电器、接触器还有时间继电器这么一些硬件设备, 把这些东西连接成逻辑回路, 从而来完成开关状态的转换, 还有时间的延迟以及动作的顺序这一类控制任务, 说到底这么做, 其实就是利用物理上的那些触点, 把它们进行串联或者并联的组合方式搭建出来, 最后形成一种符合数学规则里那种布尔逻辑的结构。
PLC把这套逻辑弄到CPU里面, 用软件写好的程序去代替那些实打实的硬件接线。
它和外面的设备进行打交道的时候, 还是依靠数字量的输入输出还有模拟量的输入输出这些方式, 而在它自己的内部来说, 它是用一个叫做扫描周期的过程来工作的, 这个周期典型的时间范围大概是2毫秒到20毫秒这样一个区间, 在这个过程中循环往复地做着三步事情, 第一步是把输入的信息都读进来, 第二步是去执行写好的那个程序, 第三步是把最终的结果写到输出端里去。
可以这样来对两者的那种相互连接和对应的关系, 做一个简略的概括。
关于输入侧, 这是一个具体的部分。PLC数字输入模块在这里起作用。它会去接收信号。这些信号来自按钮。也会有限位开关提供的信号。也可能有接近传感器发出的信号。
在输出侧这个地方, PLC的数字输出模块这个设备的任务, 是用来驱动接触器里面的线圈的, 还要用来驱动电磁阀, 另外也要负责驱动指示灯。
模拟量环节, 这个部分是由PLC的模拟输入模块以及模拟输出模块来进行处理的。它主要是用来处理4到20毫安的电流信号, 还有0到10伏的电压信号。通过这种方式去对接变频器, 同时也是用来配合PID控制回路的运行的。
所以说, 想要把电气控制还有PLC这个事给搞明白, 真正的核心重点, 其实就是去弄懂这么个过程, 就是那个信号是怎么从我们生活的物理世界里面进入到PLC里面的, 然后, 再靠着PLC发出的指令去驱动那边的物理世界动起来。
02PLC在电气控制中的关键应用场景
1. 顺序控制指的是比如电机的星三角启动, 还有 conveyor 线里面的多工位联动。
这个可以用梯形图, 也就是 LAD, 或者是用 SCL 里面的步进功能块来描述, 这样做的一个结果就是接线的数量能比传统的继电器逻辑节省超过百分之七十, 这是一个非常明显的好处, 而且这种描述方式是符合现在的实际情况的。
2. 运动控制指的是, 这个做法是通过输出脉冲信号, 或者是借助于EtherCAT总线以及Profinet总线来驱动伺服系统, 从而去顺利完成定位动作, 还有插补操作的事情, 电气控制的部分主要负责管理主回路的电源情况, 以及急停回路的状态, 而PLC则专门负责进行轨迹的计算工作。
3. 过程控制（PID）, 这个技术是用来对温度、压力以及流量进行闭环管理的, PLC系统内部有一个周期调节机制, 它会通过自身的PID模块来调整模拟量的输出信号, 这样做的目的是要配合变频器或者电动调节阀共同工作, 从而最终实现控制上的稳定效果。
4. 通信与数据层这里头涵盖了诸如Modbus RTU、Modbus TCP、Profibus以及OPC UA这些个常用的协议。通过这些协议, PLC就变成了整个电气控制系统里的那个数据中枢。它把收集到的信息往上报, 去和SCADA系统与MES系统进行对接和沟通。
03选型与实操要点
实操提醒：
在进行接线工作的时候, 一定要把DI端子、DO端子、AI端子以及AO端子区分得非常清楚, 坚决不能出现接错的情况。
在设备第一次接通电源之前, 需要拿万用表对每一个点进行逐个检查核对。这样做的目的, 是为了防止出现短路的情况把模块给烧毁掉。
程序在完成下载操作之后, 先以监视模式的状态进行运行, 在确认其逻辑没有错误之后, 再切换到运行模式。
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04高频疑难速答
Q：PLC能否完全替代所有电气控制元件？
A: 是不可以的。对于急停回路、安全继电器以及主电源熔断器等属于安全级别（也就是SIL或者PLe级别）的这些回路, 相关的规范要求必须使用相互独立的硬件来进行实现, 是绝对不能仅仅依靠PLC软件中的逻辑去承担的。
Q：梯形图与SCL/ST语言如何取舍？
在工业现场, 采用混合型编程方法是目前的主流做法。其中, 顺序控制以及I/O分配, 使用梯形图来进行处理, 这种方式显得既直观又高效。
对于复杂算法、矩阵运算和字符串处理等任务, 使用SCL或ST语言进行编写, 能够使程序更加紧凑。此外, 在OB或FB中嵌套SCL代码的方式, 也广泛地应用于实际工程当中。
Q：同一系统内PLC与变频器"打架"怎么排查？
先确认好信号的方向是什么, 具体就是PLC发往变频器属于控制信号, 而变频器发往PLC属于反馈信号, 之后使用示波器或者万用表对中间的各个节点进行逐个测量, 从而定位出问题是接线出现松动、还是没有做好共地处理, 亦或是滤波效果不足。
电气控制与PLC是一个完整的体系, 这个体系的特点就是硬件负责搭建骨架, 并且软件来赋予逻辑, 只要能把信号链路、保护等级以及通信协议这三件事情彻底理清, 那么绝大多数在现场遇到的问题, 基本上都是有对应的解决办法的。
