基于PLC 的工业自动化控制系统优化设计与应用

引言：

在工业 4.0 与智能制造背景下，PLC 凭借高可靠性与易编程性优势，被广泛应用于工业领域中，已经成为了工业自动化核心。而伴随 PLC 自动控制系统的持续应用，系统设备性能问题日益凸显。在传统 PLC 自动控制系统应用中常会出现数据延迟，因而导致生产线节拍失衡，故障频发等问题。而伴随工业自动化的应用与发展，市场环境越发复杂，同时对工业场景的实时性与扩展性提出了更高的要求，而传统 PLC 在硬件结构、软件编程与通信能力方面却存在一定局限性，无法满足当前工业领域发展需求，由此体现基于 PLC 对工业自动化控制系统优化设计迫在眉睫。

一、PLC 控制系统现状分析

（一）硬件架构局限

在传统的 PLC 控制系统硬件架构设计中，主要采用的是集中式架构，而这一设计架构在大规模控制场景中经常会出现问题。例如，在冶金企业轧钢生产线中正是采用了集中式硬件架构。在这一架构中，中央 CPU 需要同时处理数百个温度、压力传感器数据及执行器控制指令，因 CPU 负载长期超 80% ，轧辊温度调节响应延迟达 300ms ，影响钢材成型精度。另外，I/O 模块集中部署也使现场信号传输距离过长，使得印染车间因模拟量信号传输衰减，造成染液配比误差率大大提升。

（二）软件编程短板

在传统 PLC 控制系统软件编程设计中，主要以梯形图为主，而这一软件编程方式在复杂逻辑控制中效率较低。例如，在数控机床的刀具路径规划中，正是运用了梯形图，在编写时需嵌套多层跳转指令，因此程序调试周期因此增加；此外，在制药企业冻干机的温湿度曲线控制中，也因缺乏模块化设计，导致修改工艺参数时需重新编写大量关联程序，导致停机维护时间大大增加。

（三）通信能力不足

在传统的 PLC 自动控制系统中存在通信能力不足的问题，其中较为常见的为多协议通信问题，这类问题在汽车总装车间出现较为多。PLC与德国伺服电机、日本传感器通信时，需配置专用网关，导致通信延迟，且故障率较单一协议系统较高。此外，在光伏电站的远程监控系统因通信速率限制，实时功率数据上传间隔长达10 秒，导致无法满足电网调度的实时性要求。

二、基于PLC 的工业自动化控制系统优化设计与应用

（一）硬件架构优化与应用

在传统的 PLC 自动化控制系统中主要以集中式硬件架构为主，而这一架构设计在大规模控制场景中常会出现问题，正因硬件架构设计不合理导致其在实际应用中经常出现故障，引发生产线节拍失衡等问题，影响生产效率与进度。对此，需要基于这一问题对硬件架构进行优化设计。首先，进行分布式架构改造。例如，在进行新能源电池生产线设计时，就可以采用分布式 I/O 模块，将电芯注液工序传感器与执行器就近接入本地 I/O 站，有效解决信号传输延迟问题，同时提升注液精度。而远程 I/O 模块通过 Ethernet/IP 协议连接涂布机，实现 200 米距离高速数据交互，大大缩小涂布厚度波动范围。其次，对核心部件升级。例如，在针对注塑企业硬件架构设计时，可以更换高性能 PLC - CPU，以此大大提升模温控制PID 算法运算速度，缩短注塑周期；并通过配备16 位高精度 A/D 模块，将压力传感器数据采集误差率从原始的 1.5% 降至 0.3% ，有效降低产品不良率。最后，冗余电源应用。例如，在对半导体洁净车间硬件架构优化设计时，通过冗余电源设计使PLC 系统在市电瞬时中断时仍能持续运行15分钟，避免光刻工序因断电导致晶圆报废，避免单次故障损失。基于上述方式实现硬件架构的优化设计，切实提高 PLC 自动化系统性能，避免因硬件架构局限导致设备系统延迟，保证自动化系统稳定运行[1]。

（二）软件编程优化与实践

在传统 PLC 自动化控制系统中还面临软件编程短板，这主要是因为传统PLC 软件编程方式以梯形图形为主，而在复杂的逻辑控制中效率相对低较低，因此制约了自动化控制系统的运行效率。对此需要针对这一问题，对软件编程进一步优化设计。首先，设计模块化编程应用。例如，在进行工程机械装配线编程设计时，可以将其设计成为模块化的编程应用，将拧紧控制、视觉检查、码垛搬运等功能设计成为不同的模块，在调试卷可以对各模块进行单独测试。如，通过优化码垛模块，可以使节拍缩短 12% ，同时新车向导入时程序复用率达 70% ，开发周期降低至 50% 。其次，高级语言融合。例如，在化工反应釜温度串级控制编程设计中，可以采用文本编程，实现自适应模糊 PID 算法，改变以往梯形图编程设计形式，借此大大降低控制超调量，缩短反应时长，提高产品转化率。最后，供需结构优化。例如，在针对自动化立体仓设计时，可以优化堆垛机调度程序，借此减少不必要的循环判断，将任务的相应时间从 800ms 降低到 300ms ，借此提升出入库效率[2]。

（三）通信系统优化与实施

在传统通信系统中频繁出现多协议通信问题，体现了通信能力不足的问题，这主要是因为多协议通讯时需配备专用网，因而引发通信延迟问题。为此，应对通信系统进行优化设计。首先，统一协议部署。例如在智能工程中通信系统设计时，可以采用 Profinet 协议整合生产线设，促进 PLC 与机器人、AGV 的实时协同。例如，在焊接工作站中，通过统一部署，将 PLC 与 6 台焊接机器人进行协同，从而增强通信效率，同时提升焊接点合格率。其次，冗余通信架构。例如，在港口起重机远程监控系统设计中，采用双网冗余设计，在朱网络出现故障时，仅运用 0.5 秒实现与备用网络的无缝衔接，在上述工程中运用冗余通信架构，有效解避免了因断网引发的吊装事故，同时 大大降低的因断网故障停机的概率。最后，数据传输优化。例如，在风电监控系统设计中中通过引用数据压缩技术，将风机振动、温度等数据传输量减少至 60% ，通信带宽占用从10Mbps 降至 4Mbps，数据更新频率从 1 次 / 分钟提升至 1 次 /10 秒，凸显了通信系统优化的重要价值，有效降低了故障率，提高的运行效率与生产质量。

结束语：

综上所述，基于 PLC 对工业自动化系统进行优化设计是推动工业自动化技术高速率应用的有效措举。而对当前 PLC 自动化系统在工业领域中的应用实例分析发现，其存在硬件架构局限、软件编程短板以及通信能力不足等瓶颈，为此可以通过改造硬件分布式架构、软件编程模块化设计以及统一通信架构优化等方式，解决上述 PLC 自动化系统应用瓶颈，助力工业领域自动化生产，为制造业高质量发展提供支持。

参考文献：

[1] 张宝栋, 薛丽英. 工业自动化生产过程中PLC 控制系统设计分析 [J].石化技术 , 2021, 28 (12): 13-14.

[2] 雷静 , 王俊娜 . 分析 PLC 自动化控制系统优化设计 [J]. 河北农机 , 2020, (10): 50.

作者简介：周征（1984.10），性别：女，民族：汉族，职称：工程师，学历：研究生，从事电工，电路、plc 研究。