黄佑军
（贵州洁仁达净化科技有限公司，贵州 贵阳 550003）
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为一种专用工业控制的电子设备，可根据用户自编写的程序，对输入信号进行监测，并相应控制输出，以实现自动化控制。其核心组成部分包括中央处理单元（CPU）、内存、输入/输出（I/O）接口和通讯接口[1]。其中，CPU 执行存储在内存中的控制指令，处理输入信号，并根据逻辑程序决定输出信号。I/O 接口则负责连接传感器、执行器等外部设备，将现场数据转换为电子信号，供CPU 处理，并将控制命令传递给外部设备执行。并且，随着工业4.0 的发展，PLC 技术也在不断进化，集成了更多高级功能，如远程监控、数据分析、云连接和物联网（IoT）功能，使得PLC 不仅是一个简单的控制器，而是成为智能制造和工业自动化系统中不可或缺的智能设备[2]。因此，本研究旨在在PLC 技术控制下，完成对电气设备精装控制系统的优化设计，以精准控制电气设备，从而提高工作效率与质量。
1.1 PLC 程序结构设计
本次系统的PLC 程序结构设计将采取层次化、功能驱动的方法，以支持电气设备的精装控制。程序将遵循严格的实时操作原则，以保障快速、准确的控制响应。其中，PLC 程序将分解为多个任务，包括实时控制任务、周期性检测任务和异常处理任务。每个任务都将分配特定的优先级，确保关键控制任务可以优先执行，同时保证系统的响应性。同时，程序将采用模块化编程方法，每个控制功能都封装在独立的功能块或子程序中，便于测试和维护，也有利于未来的功能扩展和系统升级。
1.2 PLC 功能模块设计
PLC 功能模块设计涵盖三个关键组成部分：核心主程序、I/O 处理例程和中断处理例程。
1.2.1 核心主程序
核心主程序是整个PLC 操作的指挥中心，主要职责在于激活和同步各分程序的活动。核心主程序的有效运转依赖于与从属设备的通信连接及相应信息的收集，要求在设计时要特别注意通信协议的选取与参数配置。主程序采用梯形图编写，利用指令集来执行各种命令。例如，向PLC 传递“01”指令将导致其返回当前的时间和状态变量，而“02”指令触发计时器功能。其核心主程序编程示例如下：
上述编程示例中，第一个横行表示当PLC 接收到指令“01”时，会触发一系列操作，如激活一个输出来返回当前的时间和状态变量。第二个横行表示当PLC 接收到指令“02”时，会启动一个计时器（例如，为了执行延时操作或计量某个过程的持续时间）。第三个横行表明当指令“01”未被激活时，可能会有一个默认的计时器在运行，对系统的其他功能进行计时。在实际的PLC 编程中，此类图形化的梯形图将会转换为PLC 可以执行的低级机器指令。同时，梯形图会通过PLC 的编程软件进行更复杂的设置，如为计时器设置时间参数，为状态变量和寄存器分配特定的地址等。此外，为适应不同的场景和需求，程序也包含逻辑来修改寄存器值或调整计时器的参数。
1.2.2 I/O 处理子程序
I/O 处理子程序的角色是接收传感器和执行器传来的信号，同时对信号进行适当的处理，将其转换为数字信号以供其他系统部分使用。在设计I/O 接口电路时，为保障系统稳定性及可靠性，尽量减少资源消耗，使用光耦合隔离输入信号线，保护PLC 内部电路免受高电压或电流冲击[2]。设计逻辑如下：
（1）初始化阶段：在PLC 启动时，I/O 处理子程序会初始化所有的I/O 端口，配置每个端口的模式（输入或输出），并根据需要设置初始值。
（2）循环扫描：PLC 程序会周期性地读取输入信号，并根据实际应用的逻辑处理这些信号。这些逻辑处理可能包括信号的缩放、转换或映射。
（3）输入处理：对于输入信号，处理子程序会应用滤波算法去除噪声，执行必要的信号调节，比如量程调整、线性化处理等。
（4）输出驱动：对于输出信号，子程序会将控制逻辑的结果转换为适合执行器的信号，涉及PWM 生成、DAC 输出等。
（5）故障检测与报警：监测I/O 信号异常，如断线、过载等，并将相关报警信息传递给故障处理模块。
（6）数据交换与同步：确保I/O 数据与主控制逻辑同步，以便实时更新控制策略和系统状态。
1.2.3 中断服务程序
在PLC 程序中，中断服务程序设计为当特定的外部事件发生时立即中断常规处理流程，执行紧急的处理逻辑。其设计关键在于快速识别和响应那些需要即时处理的情况，如停机请求、安全警告或其他关键的系统事件。以下以结构化（ST）语言，截取本次中断服务程序编程设计。
其中，EmergencyStopActivated 和SafetySensorTriggered 变量模拟外部硬件设置的中断触发条件。当此类条件为真时，相应的中断服务例程会被执行。而PERFORM_EMERGENCY_SHUTDOWN 和HANDLE_SAFETY_SENSOR_TRIGGER 函数包含了应对不同中断事件的具体逻辑。LOG_EVENT 函数用于记录中断事件。
2.1 实验环境
为了全面评估基于PLC 技术的电气设备精装控制系统的性能，实验在一个特定的试验环境下进行，该环境将模拟CAK6163 型号电动通用车床的实际工作条件。
（1）实验设施配置：实验设立在一个模拟车床操作的工业实验室内，该实验室具备必要的电源管理系统、温湿度控制设备以及声学隔离措施[3]。CAK6163 车床将与PLC 控制系统集成，控制系统的输入/输出接口将直接连接到车床的驱动单元、传感器和执行器。同时还配置一个中央控制台，配备计算机和HMI 界面，以便操作人员实时监控实验状态并调整控制参数。
（2）网络和通信设置：实验室内部署一个局域网络，确保PLC 控制系统可以无缝连接到上位机软件，以便于数据记录和分析。网络配置应支持高速以太网通信，确保文件传输和数据交换的高效率。
（3）数据采集与监测系统：为衡量控制系统的精确度，实验将利用高精度的数据采集设备记录车床操作时的延迟数据，包括启动、停止和响应等操作的延迟时间。数据采集系统还将监测和记录控制指令的传输时间和执行效果，以验证系统的实时性能。
（4）安全措施：为保障实验安全，实验室配备紧急停止按钮、火灾报警器和安全隔离区域，确保在任何紧急情况下都能立即采取措施。且所有操作人员都将接受专门的安全培训，并穿着适当的个人防护装备。
2.2 实验方法
延迟测试：从控制命令发出到车床动作响应的整个过程中，使用高速数据采集系统（如示波器或逻辑分析仪）测量精确的时间延迟。
响应时间测量：通过在PLC 程序中嵌入时间戳记录功能，测量处理各种控制命令的时间。例如，使用高分辨率计时器来标记指令接收、处理和执行的确切时刻。同时对于文件传输任务，测量传输开始、完成和确认的时间点，确保系统在数据处理上的效率。
2.3 实验结果分析
实验在10 次测试之后，统计了机床启动、暂停、文件传输的延时数据，测试结果见表1。
表1 实验结果
通过对表1 数据的深入分析，得出以下结论：
（1）启动延迟分析：启动延迟时间在18.28～20.21 ms 的范围内，平均值约为19.51 ms。表明控制系统对启动命令的响应时间较为一致，显示出系统在启动过程中的高度稳定性和可靠性，可适应大多数工业应用。
（2）暂停延迟分析：暂停延迟时间介于10.18～13.03 ms 之间，平均值约为11.78 ms。说明控制系统能够迅速执行暂停命令，进一步证明了系统的反应速度和执行效率，对于确保操作安全和防止设备损坏具有较大优势。
（3）文件传输延迟分析：文件传输延迟时间在27.65～30.31 ms 之间，平均值约为29.11 ms。考虑到文件传输涉及数据处理和网络通信等多个步骤，此范围内的延迟时间显示了系统在处理数据和维持通信效率方面的良好性能。
试验结果显示，基于PLC 技术的电气设备精装控制系统在启动、暂停和文件传输方面均表现出了优秀的性能和较低的延迟时间，满足了设计初衷和工业应用的要求。且系统的响应时间和执行效率在实验条件下证明了其可靠性和稳定性，符合现代工业自动化对控制系统的高标准要求。此外，控制系统的一致性和可预测性对于提升生产效率和保障设备安全运行具有重要意义。
通过将西门子SIMATIC S7-1500 作为控制系统的核心，结合SICK WT2S-P211 系列光电传感器，完成对电气设备精装控制系统的优化设计，实现了对对电气设备操作执行时间的精准控制。经试验验证，基于PLC 技术的电气设备精装控制系统在实际应用中具备高效、稳定且可靠的控制性能，能够满足复杂工业环境中对精确控制的需求。因此，该系统非常适合应用于要求高精度和快速响应的电气设备控制场所，具有较高的应用推广价值。
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