基于PLC的机械自动化控制系统设计分析

引言：近年来，随着工业自动化水平的不断提高，机器的自动控制系统已越来越多地被应用于制造业和物流等行业。但在实践中，采用 PLC 进行机器自动控制系统的设计却遇到了许多困难。为设计出性能优良、可靠性高的自动控制系统，必须对其进行深入研究与分析。在此基础上，基于 PLC 的机床自动控制系统的设计与分析方法。

1.总体设计

在体系结构上，构建出分级的、分散的体系结构，将整个系统分为现场控制层、监测层、通信层三个层次。基于 PLC 和与之关联的多个系统来设计和开发新型输入/输出功能系统。监控管理部分包括上位机的监测程序和人机接口装置，它的作用就是实时地显示、分析和处理来自现场控制层的上传的数据，给操作者可视的操作接口，便于对整个系统进行监测和管理。通讯网络层主要是将现场控制层与监视管理层联系起来，以保证二者间的可靠通讯。

在各功能模块的设计中，针对生产过程中的特殊工艺要求，对整个系统进行详细地划分。某新型的汽车自动控制装置，它的主要特点是：汽车的启停控制，速度控制，定位控制，顺序控制，故障检测和预警等。开机及停机控制模组，主要是按生产要求及装置状况，使各机器在生产线上能正常、稳定地开机及停机。系统可以按照产品的实际需要，准确地调整电动机的转速，使之能适应各工序的需要。以某电动机为例，它的速度控制在 50～3000rpm 之间，速度控制的精度要每分钟 ±lrpm 定位系统利用精密的位姿传感器，以达到 ±0.01mm 的精密定位，保证工件在加工中的定位精度。程序控制模块根据预先设定的程序，对各装置进行连续的开、停操作，以确保整个过程的一致性与稳定性。其中，对设备进行故障诊断与预警，对设备的工作状况进行监控，当发现有异常情况时，会立刻向用户发送警报，同时在用户界面上给出具体的故障种类和具体的部位，方便工作人员进行快速的处置。

2.硬件电路设计

在以 PLC 为基础的机器自动控制中，硬件电路的设计是否合理、可靠，将对整个机器的工作效率产生很大的影响。在系统的硬件部分，重点介绍 PLC 控制系统中的输入、输出线路，以及传感器和执行器与 PLC 之间的连接方法。

在 PLC 的控制系统中，根据各种传感信号的种类，选择与之对应的信号调理线路。为避免外界的干扰，避免外界的扰动因素侵入 PLC，从而降低控制电路的可靠性，如按键、限位开关等。器件可以实现 2500V 的绝缘，并对外部电源和 PLC 内回路的电位差进行有效的隔离。在输入端增加滤波电容器，使其能够有效地去除高频率的干扰，从而改善系统的性能。滤波器的电容值为 0.1uV ，可对 10kHz以上的噪声进行高效过滤。针对温度、压力、流量等传感器所产生的 0\~10V、4\~20mA 等模拟量，高精密的数字调节模块，将其变换、放大。电路具有输入阻抗 >10MΩ ，输出阻抗 <100Ω ，保证高精度的数据获取与传送。改进的方法，即利用屏蔽线缆进行数据传输，并对其进行屏蔽。产品具有良好的抗 EMI 性能，其性能优于 90dB。

在 PLC 的输出线路上，针对诸如接触器、继电器等执行机构的数据输入，选择继电器输出或三极管输出。保护电路可以实现 250 伏/5A 和 30 伏/2A 的直流供电，适合用于高功率场合。三极管输出模组以其快速的响应速度和持久的使用寿命，可以达到 0.5 安培的高响应速度。为避免因线路的短路或超载而导致 PLC 的故障，在其输出电路中也增加熔断器和过流保护电路。保险丝的额定电流应按负荷电流而定，通常是负荷电流的 1.5\~2 倍。控制变频器、电动调节阀等的模拟式输出，使用高精度 D/A变换器，实现0\~10V或 4～20mA 的数字信号。D/A变换器的测量精度达到12 位，测量精度达到 ±0.1% ，达到精确的测量目的。为改善输入端的驱动性能，设计基于输入端的输入缓存电路。

在对硬件进行抗干扰设计时，采用屏蔽电缆和光电耦合器隔离的方法，并在 PLC 外壳、信号调理模块、传感器和执行器等设备的金属箱上设有牢固的接地，其接地电阻不超过 4Ω 为防止因各装置间的地电势差异而引起的相互影响，采用功率滤波技术对功率源进行功率滤波，实现 10km-100MHz下的功率滤波，实现功率源的功率输出。

3.软件程序设计

在编制梯形图编程过程中，先按照起、停的要求，进行起停控制方案的编制。装置由按键控制，启动、停机命令由 PLC 自动锁定、联锁等控制，保证装置的启动、停机安全。如，在起动程式中，若按压起动按键，则相应的输入讯号成为高电平，并借由阶梯状逻辑设定输出电讯号，从而带动触点吸∵ ，从而起动马达。采用自锁式接触器来维持输出点的位置，从而在释放起动按键后，电动机仍然可以持续工作。在终止过程中，若按压终止键，则相应的输入信号成为高电平，且输出点的信号经由阶梯状逻辑被重置，从而切断触点，从而停止马达的运转。

速度控制方案对准确调整电动机的速度至关重要，可基于仿真技术的数控机床完成控制，将尺度因子 Kp 设置为 0.8、积分时间 Ti 设置为 10s、差分时间 Td 设置为 0.5s，对实际进行的调整和最优，可以将电动机的速度保持在设置的数值左右，并且速度的变化在每分±1rpm 以内。将所获得的定位信息与所设置的位置相对比，若二者有差异，则利用梯形图逻辑来驱动执行机构操作，从而将所述机器零件运动至所设置的位置。在系统中，利用闭环的方法对执行机构的运动进行连续调节，直至各机构达到预定的位置，并使其具有 ±0.01mm 的定位精度。根据预先确定的工序序列，对各装置进行起、停操作。利用状态寄存器，将当前装置的工作状况进行登记，并结合预先设定的加工条件，确定下某装置的开机或停机。比如，在某自动流水线上，装置 A 工作完毕后，它的输出信号引起对应的位置比特，而在此情况下，程序就会启动装置 B。这样就保证制造过程的一致性和稳定性[1]。

在发现异常后，能及时给出相应的报警提示，并在计算机上以直观的方式显示故障的种类及所在。比如，在电动机超载情况下，发热保护装置工作，它的常闭接点是打开的，PLC 对此进行探测之后，会在人机接口中出现电动机超载错误，使有关装置停机，并有声音和声音报警，提示工作人员立即进行维修。对 PLC 进行在线监测，可以对其工作状况及各参数的改变进行实时监测。针对软件存在的逻辑错误和参数设定不合理等问题，提出相应的解决方案。比如，在进行调速方案的调试过程中，出现电动机的速度响应缓慢等问题，对 PID 控制算法中的参数进行调节，使得比例因子 Kp 增加至 1.0，积分时间 Ti 降低至 8s，从而显著地改善电动机的速度特性[2]。

总结：综上所述，以 PLC 为核心，对机床自动控制系统的设计做了较为全面和深入的研究。结合实际情况，对采用PLC 进行详细的设计，有效提高机器自动制造的效率与品质，减少制造成本，提高系统的可靠性与可维护性。但是，随着工业生产的发展，对机器的自动控制系统提出了更高的要求。还需深入探讨新型控制方法，对其进行结构优化，提升其智能程度，使其能够满足日益复杂多变的工业生产需要。

参考文献：

[1] 刁光谱. 基于 PLC 的电力机械手自动化控制系统设计及试验分析[J]. 造纸装备及材料,2025,54(05):13-15.

[2]刘华斌.基于 PLC 的造纸机械自动化控制系统设计研究[J].华东纸业,2025,55(04):25-27