電氣自動(dòng)化控制中的PLC技術(shù)應(yīng)用分析

朱中原

摘 要：PLC技術(shù)因?yàn)樾录夹g(shù)不斷融入，功能也在不斷的趨于完善，在電氣自動(dòng)化自動(dòng)控制中PLC的應(yīng)用也是越來越廣泛。隨著PLC技術(shù)網(wǎng)絡(luò)功能和通訊功能的增強(qiáng)，其在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的整體功能也得到了加強(qiáng)，同時(shí)也提高了其在整個(gè)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制效率及準(zhǔn)確度，并確保了它在各類電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)在具體應(yīng)用中可以滿足社會(huì)各領(lǐng)域的實(shí)際需求。本文筆者對(duì)PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化控制； 通訊技術(shù)； 控制技術(shù)； PLC控制技術(shù)； 網(wǎng)絡(luò)化

1.概述

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，其采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作的指令，并利用數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出硬件設(shè)備進(jìn)行電氣用電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、控制?；赑LC通信技術(shù)的發(fā)展使得PLC相互之間、與上位計(jì)算機(jī)、與其他智能設(shè)備間的通信變得更加容易，通過通信轉(zhuǎn)接器相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的交換，并且還可以構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，滿足了全廠生產(chǎn)自動(dòng)化的要求，同時(shí)具備了靈活性。

2.PLC工作原理

PLC采用的是“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式。即在每次掃描過程中，集中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣、對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。輸入刷新過程為：當(dāng)輸入端口關(guān)閉，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí)，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入；只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新狀態(tài)才被讀入。一個(gè)掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。掃描周期的長短與CPU執(zhí)行指令的速度、指令本身占有的時(shí)間、指令條數(shù)有關(guān)，由于采用集中采樣，集中輸出的方式，所以存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應(yīng)延遲。對(duì)于要求輸入輸出信號(hào)之間的滯后時(shí)間較短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的PLC或采取中斷等措施。

3.PLC技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制工程中的應(yīng)用

3.1 PLC控制統(tǒng)在污水處理工程中的典型應(yīng)用

為保證污水處理過程的安全、可靠和生產(chǎn)的連續(xù)性，提高污水處理廠的自動(dòng)化水平，控制系統(tǒng)采用的是基于PLC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。依據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求，污水處理廠控制系統(tǒng)由廠級(jí)控制的上位機(jī)管理控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站、遠(yuǎn)程I/O站、現(xiàn)場儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。本系統(tǒng)集控制、數(shù)據(jù)采集功能為一體，完成整個(gè)污水處理工程的過程控制、工藝流程畫面顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警。本PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成詳見下面描述：

a.PLC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)為三層

（1）現(xiàn)場層：在預(yù)處理池、生物處理池、臭氧處理車間及HI-SOT池分別設(shè)置遠(yuǎn)程 I/O站，接收各自區(qū)域內(nèi)的壓力、溫度、流量、液位、分析測(cè)量儀表的測(cè)量參數(shù)，并由相應(yīng)分站 PLC 控制系統(tǒng)控制各自區(qū)域內(nèi)工藝設(shè)備的運(yùn)行、提供狀態(tài)顯示；與各自區(qū)域內(nèi)的壓力、溫度、流量、液位、分析測(cè)量儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等共同構(gòu)成現(xiàn)場層。

（2）分站控制層：在預(yù)處理系統(tǒng)車間、生物處理系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)房、污泥處理間、脫鹽水處理間、蒸發(fā)結(jié)晶車間各設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場 PLC 控制站。

（3）廠級(jí)管理層：主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、操作員站構(gòu)成；通過各分站 PLC 在上位機(jī)上對(duì)現(xiàn)場工藝設(shè)備實(shí)施運(yùn)行、故障狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集，并為廠級(jí)管理者提供數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

b.PLC控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

污水處理過程通常由許多控制任務(wù)組成，這些控制任務(wù)既具有相對(duì)獨(dú)立性同時(shí)又需要和其他任務(wù)進(jìn)行聯(lián)系，才能滿足整個(gè)工藝流程需要。這時(shí)候我們就要考慮進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)化配置。例如污水處理廠都是采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)，第一級(jí)采用冗余的以太網(wǎng)，負(fù)責(zé)控制室與現(xiàn)場主控制站的通信連接，采用冗余網(wǎng)絡(luò)是因?yàn)槠淇煽啃暂^高。采用以太網(wǎng)的主要原因是用戶對(duì)以太網(wǎng)相對(duì)熟悉，易于被接受。目前污水處理項(xiàng)目廠級(jí)管理系統(tǒng)都采用以太網(wǎng)直接連接，同時(shí)對(duì)于更上一級(jí)的數(shù)據(jù)采集也容易。第二級(jí)是采用RS-485接口的各現(xiàn)場總線通信方式來連接遠(yuǎn)程I/O站和現(xiàn)場總線儀表。采用現(xiàn)場總線連接的優(yōu)點(diǎn)是比傳統(tǒng)硬接線方式電纜減少、安裝輔材、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)費(fèi)用都大幅減少，使工程的綜合成本減少。

3.2主要控制功能

（1）污水處理系統(tǒng)中對(duì)于模擬量的控制：PLC利用模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換功能，能完成對(duì)模擬量的檢測(cè)、控制和調(diào)節(jié)。在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量（例如壓力、液位、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等）是連續(xù)變化的模量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如變頻器、調(diào)節(jié)閥等）要求PLC輸出模擬量信號(hào)。由于PLC的CPU只能處理數(shù)字量信號(hào)，被控量首先被測(cè)量元件（傳感器）和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號(hào)，在PLC內(nèi)部利用模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。例如在液位恒值的控制系統(tǒng)中，用液位變送器檢測(cè)水池的液位，用變頻調(diào)速的水泵控制進(jìn)水量、用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥門出水量，PLC就是將采集的液位變送器的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)在內(nèi)部轉(zhuǎn)換后得到和液位成比例的數(shù)字量，CPU將采集到的數(shù)值與目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較，并按照相應(yīng)的算法（例如PID控制算法）對(duì)誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算后的結(jié)果送給模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊變成電流信號(hào)，控制調(diào)節(jié)閥的開度和進(jìn)水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)水池液位的閉環(huán)控制。

（2）污水處理系統(tǒng)中對(duì)于開關(guān)量的邏輯控制：開關(guān)量控制是PLC的常用功能也是PLC的優(yōu)勢(shì)，PLC設(shè)置了與（AND）、或（OR）、非（NOT）等邏輯指令，能取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邏輯控制，例如利用液位開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)啟?？刂啤LC接收到液位開關(guān)高液位開關(guān)量，電動(dòng)機(jī)無故障且在遠(yuǎn)程狀態(tài)，那么電動(dòng)機(jī)就可以自動(dòng)啟動(dòng)了，反之收到低液位狀態(tài)就停止電動(dòng)機(jī)，這就是最簡單的單機(jī)開關(guān)量控制，無需人工去觀察液位狀態(tài)便可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制。

（3）順序控制：在污水處理系統(tǒng)的脫鹽水處理間的多介質(zhì)、超濾、反滲透工藝設(shè)備中就是利用PLC的順序控制對(duì)各設(shè)備的動(dòng)作步序來實(shí)現(xiàn)這些工藝設(shè)備的產(chǎn)水、反洗、排水、藥洗等自動(dòng)化控制的。

（4）監(jiān)控功能：PLC能對(duì)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)、閥門開關(guān)到位的數(shù)字量狀態(tài)顯示；對(duì)壓力、液位、流量、溫度等模擬量顯示；對(duì)工藝流程動(dòng)態(tài)畫面顯示；對(duì)系統(tǒng)異常情況進(jìn)行識(shí)別、記憶，或在發(fā)生異常時(shí)自動(dòng)終止運(yùn)行并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，操作員可以通過監(jiān)控命令監(jiān)視有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整參數(shù)設(shè)置。

4.PLC發(fā)展趨勢(shì)

PLC隨著新技術(shù)、新裝置的產(chǎn)生，不斷的將這些新技術(shù)、新裝置融入其中，推陳出新。未來的PLC發(fā)展應(yīng)該會(huì)按如下幾個(gè)方面發(fā)展：

（1）高可靠性化。對(duì)于一些特定的環(huán)境和條件會(huì)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性要求很高，故自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)在PLC中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

（2）大容量化、高速化。今后的PLC發(fā)展存儲(chǔ)容量將更大、處理速度更快。

（3）網(wǎng)絡(luò)化、現(xiàn)場總線化。未來的PLC發(fā)展將會(huì)強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)化和通訊能力，PLC在網(wǎng)絡(luò)化和通訊能力的加強(qiáng)會(huì)是使其能更好適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大、控制復(fù)雜、被控對(duì)象分布比較分散生產(chǎn)環(huán)境；也使多臺(tái)PLC、遠(yuǎn)程I/O站及其他控制器在分區(qū)控制及同工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)相連組成全廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)變得方便。

5.結(jié)束語

總之，電氣工程自動(dòng)化控制PLC技術(shù)的應(yīng)用具有較強(qiáng)的安全可靠性，實(shí)用功能比較強(qiáng)，被廣泛的應(yīng)用在電氣工程自動(dòng)化行業(yè)，PLC技術(shù)也在不斷的發(fā)展進(jìn)步中，在未來的發(fā)展上，不僅會(huì)更好的應(yīng)用在電氣工程自動(dòng)化控制方面，還會(huì)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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