智能工厂中基于物联网的PLC控制系统实现路径.pdf

装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料40摘要：在智能工厂的快速发展中，基于物联网的 PLC控制系统展现出无可比拟的优势。基于此，文章概述了 PLC 控制系统和物联网技术，分析了基于物联网的PLC 控制系统的应用优势，探讨了智能工厂中基于物联网的 PLC 控制系统的实现路径和发展趋势。此次研究对于理解和推动工业自动化和智能化的深入发展具有重要意义，为智能工厂的构建提供了理论支持和实践指导。关键词：物联网；PLC 控制系统；智能工厂分类号：TP273；TB49可编程逻辑控制器（PLC）作为工业自动化的核心，历经多年演变，已成为现代工业不可或缺的部分。结合物联网技术，PLC 控制系统的应用范围和能力得到极大扩展。物联网的广泛应用，特别是在工业自动化领域，不仅提升了系统的智能化水平，还为工厂管理和运作带来革命性的改变。智能工厂的构建依赖于这种先进技术的融合，能有效提升生产效率和质量。1 PLC 控制系统概述PLC 作为自动化控制系统的核心，自 20 世纪 60年代诞生以来，已成为现代工业控制不可或缺的一部分。最初，PLC 被设计用于替代复杂、昂贵且不灵活的继电器控制系统。随着技术的发展，PLC 控制系统的功能和应用范围不断扩大，特别是在集成了微处理器和数字化技术后，其性能得到极大提升。PLC 控制系统主要由三大部分构成：输入/输出（I/O）模块、中央处理单元（CPU）和存储器。I/O 模块负责接收来自现场传感器的输入信号，并将控制指令传递给执行机构；CPU 是系统的大脑，负责处理输入信号，并根据预设程序做出决策；存储器用于存储控制程序和临时数据。PLC 的工作原理可以概括如下：输入模块收集数据，CPU 按照程序处理数据，然后输出模块执行相应的控制命令1。在传统工业中，PLC 广泛应用于生产线控制、机器自动化、过程控制等领域，它的应用大幅提高了生产效率和可靠性，同时降低了维护成本。例如，在汽车制造业中，PLC 被用于控制装配线的运作；在食品工业中，PLC 则用于监控和调节加工过程中的温度、压力等参数。PLC 的发展不仅仅体现在硬件的更新换代上，更在于其软件功能的不断丰富和完善。现代 PLC 不仅支持复杂的逻辑操作、数据处理和通信功能，还能与其他工业自动化系统如监控与数据采集系统（SCADA）和制造执行系统（MES）等无缝集成2。2 物联网技术概述物联网（IoT）是当代工业自动化和智慧工厂的重要基石，它指通过互联网将各种信息感知设备与网络相连，实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的核心在于提供综合性的感知、识别和智能化服务，从而打造一个全新的信息化世界。物联网技术主要包括感知层、网络层和应用层。感知层主要负责收集信息，包括各种传感器、识别设备等；网络层负责将感知层收集到的信息进行传输和处理，这涉及通信技术和数据处理技术；应用层是将处理后的信息运用到具体场景中，如智能家居、智慧城市、智能工厂等。物联网架构在工业实践中依赖感知设备（如传感器和摄像头）收集生产线上的各种数据，如温度、湿度、振动等信息，为现代化的智能工厂提供了发展基础。采集的信息通过网络层传输至数据处理中心，再通过分析和处理，为工厂管理和决策提供数据支持。物联网技术对工业自动化的影响深远。第一，它极大地提高了生产效率和灵活性。通过实时数据收集和分析，工厂可以实现更加精准的生产过程控制，及时调整生产策略，优化资源配置。第二，物联网技术智能工厂中基于物联网的 PLC 控制系统实现路径韦寿龙广西培贤国际职业学院，广西 百色 531499文章编号：2096-3092（2024）02-0040-03作者简介：韦寿龙，男，本科，讲师，研究方向为电气工程。造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化41使远程监控和维护成为可能，通过远程监控系统，工厂能够实时监控生产设备的运行状态，及时发现和解决问题，减少停机时间，提高设备的使用效率。第三，物联网技术有助于实现能源管理和节能降耗3。通过对工厂能源使用的实时监控和分析，可以有效地控制和优化能源消耗，降低生产成本，提高能源使用效率。第四，在产品质量控制方面，物联网技术通过实时监控生产过程，确保产品质量的一致性和可靠性，降低了产品缺陷率。物联网技术在智慧工厂中的应用，不仅改变了传统工业的生产方式，而且为工业自动化和智能化带来了革命性的变化。通过物联网技术的深入应用，智慧工厂能够实现更高效、更灵活、更智能的生产和管理，从而推动整个工业领域向着更加智能化、数字化的方向发展。3 基于物联网的 PLC 控制系统的应用优势基于物联网的 PLC 控制系统在智能工厂中的应用，是工业自动化和信息化的重要发展方向。该系统将物联网技术与传统的 PLC 控制相结合，从而带来一系列的应用优势，并提高了智能工厂的可行性和效率。物联网技术使 PLC 控制系统能够实现更广泛的数据采集和连接，通过在生产线上部署各种传感器和智能设备，PLC 可以收集到更全面的生产数据，如温度、湿度、压力、速度等，这些数据对于实时监控生产状态和产品质量至关重要。与此同时，通过物联网技术，这些数据可以实时传输至 PLC 控制系统，并由PLC 进行快速处理和响应，确保生产过程的稳定性和高效性4。基于物联网的 PLC 控制系统提高了智能工厂的柔性和可适应性，在市场需求多变的今天，智能工厂需要能够快速适应生产线的改变。物联网技术使 PLC 控制系统能够更灵活地控制生产设备，实现生产过程的快速调整，以适应不同的生产需求。例如，通过调整PLC 程序，可以快速切换生产线上的产品类型或生产方式，无须进行大规模的硬件改造。基于物联网的 PLC 控制系统增强了智能工厂的维护和故障诊断能力，通过实时监控设备的运行状态和性能指标，系统可以预测和识别潜在的故障，从而实现预防性维护，减少意外停机时间。此外，当故障发生时，系统可以迅速定位问题原因，缩短维修时间，提高生产线的整体可靠性。物联网技术还使 PLC 控制系统能够与上层的企业管理系统和制造执行系统更紧密地集成，这种集成不仅提高了数据的透明度和流通效率，还使生产管理更加智能化。例如，PLC 控制系统可以根据 ERP 系统的订单信息自动调整生产计划，或者根据 MES 系统的调度指令优化生产流程5。4 智能工厂中基于物联网的 PLC 控制系统实现路径4.1 物联网与 PLC 控制系统的集成物联网与 PLC 控制系统的集成是智能工厂实现自动化和智能化的关键步骤。这一集成过程涉及多个技术层面的融合与协调，包括硬件接口的统一、数据通信的标准化、软件平台的整合以及安全性的保障等方面。硬件接口的统一是物联网与 PLC 控制系统集成的基础，在智能工厂中 PLC 通常需要与多种传感器、执行器以及其他工业设备相连接。这些设备可能具有不同的接口标准和通信协议。因此，需要通过接口转换器或网关设备，实现不同设备间的无缝连接。这些转换器或网关不仅要支持多种通信协议，如 Modbus、PROFIBUS、Ethernet/IP 等，还需要能够处理不同设备间的数据格式和速率差异，保证数据的准确传输。数据通信的标准化对确保系统的高效运行至关重要，物联网环境下的数据类型繁多，包括但不限于传感器数据、控制命令、设备状态信息等。为了实现这些数据的有效流转，需要在物联网与 PLC 控制系统间建立统一的数据通信标准。这通常涉及数据的采集、转换、传输和解析等环节。例如，可以使用开放通信平台统一架构（OPC UA）作为跨平台的数据交换标准，以保证不同系统和设备间的数据互通。软件平台的整合是实现物联网与 PLC 控制系统高效协同工作的关键。集成系统需要一个强大的软件平台，以协调物联网设备和 PLC 之间的交互。这个平台不仅要能够处理来自物联网设备的大量数据，还要提供用户友好的界面，供操作员监控和控制整个系统。同时，这个平台还要能够实现与企业其他管理系统的集成，如 MES 和 ERP 系统，以实现数据的全面共享和业务流程的优化6。同时，安全性是物联网与 PLC 控制系统集成不可忽视的一环。随着系统的开放性增加，安全问题也随 装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料42之凸显。需要在系统设计中考虑到数据安全和网络安全。数据加密、访问控制、网络隔离、防火墙以及定期的安全审计等措施，都是确保系统安全稳定运行的必要手段。4.2 基于物联网的 PLC 控制系统架构设计系统架构必须实现层次分明的数据流动和处理机制。在数据采集层，传感器及信息采集装置负责实时监测生产线的状态；控制层以软 PLC 为核心，执行逻辑判断和任务调度；管理层则通过 MES 和 ERP 系统进行生产管理与数据分析。该架构确保了数据采集的实时性和控制的精准性。控制层的 PLC 依据 IEC 61131-3标准，支持结构文本、连续功能图等多种编程语言。此标准不仅提升了编程的效率，也保证了程序的可移植性。软 PLC 提供了丰富的控制模块，包括但不限于各类 PID 控制算法。这些模块允许灵活选择适应不同工艺条件的控制策略，增强了系统的适用范围。通信协议方面，系统中的设备通过 Modbus、PROFINET 等工业协议交换数据，确保了不同设备间的兼容性和互操作性。进程控制对象连接（OPC）规范的采用，实现了与上位机的无缝连接，特别是在 HMI/SCADA 系统的实时数据交互上，显著提升了监控的效率7。软硬件结合中充分发挥 PLC 的灵活性，支持多种I/O 设备及现场总线技术。硬件方面，根据实际工艺环境的不同，对 PLC 硬件的选型提出了具体要求，如在高温、高湿或有腐蚀性气体环境中，必须选用具有相应防护等级的设备。安全性设计考虑了数据传输过程中的加密技术、网络访问中的身份验证和访问控制策略。这些措施能有效预防未授权访问和数据泄露，保护控制系统不受网络攻击的威胁。系统的可维护性和可扩展性是设计的重要部分，系统采用模块化设计，确保了在未来技术更新换代时，系统的升级和扩展能够便捷进行，降低了长期运维成本。基于物联网的PLC 控制系统架构如图 1 所示。5 智能工厂中基于物联网的 PLC 控制系统的发展趋势基于物联网的 PLC 控制系统在智能工厂中的未来发展方向将聚焦于更深层次的集成和智能化，物联网技术与 PLC 控制系统的结合将进一步深入，实现从数据采集到决策执行的全流程智能化，这意味着系统不仅能够处理大量实时数据，还能够基于数据分析结果自主做出优化生产的决策。例如，通过机器学习算法优化生产过程，实现资源的最优配置8。6 结束语文章全面探讨了基于物联网的 PLC 控制系统在智能工厂中的应用，重点强调了物联网与 PLC 结合带来的优势，如提高生产效率、数据处理能力和系统通信效率。未来，随着技术创新，物联网与 PLC 控制系统的结合将在智能制造领域发挥更关键的作用，推动工业自动化和智能化的深入发展。参考文献1 曾文彬.基于FreeRTOS的物联网光伏路灯控制系统设计与实现D.阜阳:阜阳师范大学,2023.2 李东阳.基于物联网的电阻点焊控制系统设计D.南昌:南昌航空大学,2022.3 朱万浩,章盼梅,孔令棚.基于工业物联网的造纸废水控制系统升级改造J.仪表技术与传感器,2022(3):63-67,73.4 肖茂顺.面向物联网的开放式PLC架构设计与功能实现D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021.5 刘万存,袁亮文,高永光.基于物联网云平台的TIG/MIG智能控制系统设计与应用J.热加工工艺,2022,51(15):142-146.6 朱文琦,邰鑫.基于物联网数控的机械机电自动化控制系统设计J.制造业自动化,2020,42(10):141-145.7 吉毅.基于物联网的智能家用风扇控制系统设计分析J.造纸装备及材料,2020,49(4):112-113.8 孙洁,王兴楠,孙晔,等.基于PLC的工业云平台控制系统设计J.电气传动,2020,50(7):69-73.图 1 基于物联网的 PLC 控制系统架构