探析基于PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化電氣控制應(yīng)用

孟硃嶺

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381）

在電氣自動(dòng)化行業(yè)，PLC技術(shù)的出現(xiàn)使得接觸器及繼電器逐漸被取代，PLC技術(shù)具備可操作性強(qiáng)、維護(hù)更新簡(jiǎn)單以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以用于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，有助于生產(chǎn)操作人員的安全保障。在自動(dòng)化電氣控制中，PLC技術(shù)可以應(yīng)用于開光量控制、數(shù)控系統(tǒng)控制、順序控制以及閉環(huán)控制中，具備較強(qiáng)的適用性。技術(shù)人員需要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需求，在自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)中引進(jìn)PLC技術(shù)，提升控制效果，保障生產(chǎn)的有序進(jìn)行。

1 PLC技術(shù)分析

PLC主要是指可編程控制器，具有良好的控制效果。在自動(dòng)化電氣控制中，PLC控制系統(tǒng)是一種全新的全分布控制系統(tǒng)，在應(yīng)用、維護(hù)及拓展方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。具體而言，PLC在自動(dòng)化電氣控制中的應(yīng)用有如下優(yōu)勢(shì)：

第一，可操作性強(qiáng)。在自動(dòng)化電氣控制中，PLC系統(tǒng)的接口較為簡(jiǎn)單，和繼電器電路圖較為相似，技術(shù)人員很容易掌握PLC系統(tǒng)的應(yīng)用流程，更容易在自動(dòng)化電氣控制中落實(shí)，只需要了解開關(guān)邏輯控制方面的知識(shí)，就能夠準(zhǔn)確操作PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)，具備較強(qiáng)的可操作性，應(yīng)用方式較為簡(jiǎn)單?；诳刹僮餍詮?qiáng)的特征，PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)可以在電氣控制中有廣泛的應(yīng)用，而且其應(yīng)用范圍能夠不斷拓展，技術(shù)人員只需要明確電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，就可以調(diào)整PLC的編寫方式，將其應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的控制中。在這一過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的計(jì)算公式如下：

第二，維護(hù)更新簡(jiǎn)單。在自動(dòng)化電氣控制中，PLC還有顯著的維護(hù)更新簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，需要應(yīng)用到大量的設(shè)備外在接線，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的難度較大，系統(tǒng)的建設(shè)時(shí)間和成本都比較高。而基于PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)，可以有效簡(jiǎn)化自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，縮短系統(tǒng)的建造時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)備的后續(xù)維護(hù)更為簡(jiǎn)單。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，如果需要對(duì)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，技術(shù)人員只需要進(jìn)行PLC的重新編程即可，具備維護(hù)更新簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

第三，抗干擾能力強(qiáng)。在基于PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)中，需要應(yīng)用一定的集成電路，這些集成電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行。與此同時(shí)，基于PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)具備自我檢測(cè)報(bào)警功能，一旦自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行異常，系統(tǒng)程序可以立即報(bào)警，從而保障自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 PLC技術(shù)在自動(dòng)化電氣控制中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用流程

在自動(dòng)化電氣控制中，PLC的應(yīng)用涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等多種技術(shù)，工作流程相對(duì)復(fù)雜，主要涉及到以下3個(gè)方面。

（1）現(xiàn)場(chǎng)信息的采集與輸入。在PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，技術(shù)人員需要根據(jù)軟件程序的要求，根據(jù)事先編寫完成的指令，對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行全面的掃描，從而保障輸入模塊數(shù)據(jù)信息的有效采集與收入。

（2）特定功能指令的輸入。為了確保PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)所有功能的有效應(yīng)用，控制系統(tǒng)會(huì)按照技術(shù)人員設(shè)定的程序進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的全面掃描，從而準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況和電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況，并對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算與分析，明確具體的控制策略。

（3）控制系統(tǒng)信號(hào)的輸出。PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)在接收到傳感器采集的信號(hào)，并對(duì)其數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算與分析后，需要將最終的分析結(jié)果傳輸?shù)阶詣?dòng)化電氣控制系統(tǒng)的主機(jī)中，主機(jī)會(huì)根據(jù)分析結(jié)果，向輸出部位發(fā)送響應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。在上述控制流程完成后，PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)會(huì)循環(huán)上述步驟，從而進(jìn)行下一個(gè)輸入點(diǎn)的控制。在PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，控制系統(tǒng)通過(guò)多次的重復(fù)計(jì)算與分析，進(jìn)行電氣設(shè)備的控制，以此提升電氣設(shè)備的控制效率。

2.2 應(yīng)用內(nèi)容

（1）開關(guān)量控制。通過(guò)上述分析可知，在自動(dòng)化電氣控制中，PLC技術(shù)具備維護(hù)更新簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以有效提升控制效率，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。和傳統(tǒng)的繼電器有所不同，PLC具備自動(dòng)開關(guān)控制。在自動(dòng)開關(guān)控制功能的應(yīng)用背景下，技術(shù)人員能夠利用模式方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)繼電器的虛擬化，可以有效提升繼電器控制的響應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)高效的電氣控制。與此同時(shí)，開關(guān)量控制具備較強(qiáng)的可靠性及穩(wěn)定性，不會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生危害。

（2）數(shù)控系統(tǒng)控制。在科學(xué)技術(shù)良好發(fā)展的背景下，工業(yè)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)引進(jìn)了大量的信息技術(shù)，用于提升工業(yè)生產(chǎn)水平及工業(yè)生產(chǎn)效率。數(shù)控技術(shù)就是應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，為了保障數(shù)控技術(shù)的有效應(yīng)用，技術(shù)人員需要在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)，提升數(shù)控系統(tǒng)的控制效果，保障其高效生產(chǎn)。在實(shí)際的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，PLC技術(shù)的應(yīng)用可以使數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)更具靈活性與柔性。就目前的PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)而言，常用的數(shù)控裝置有全功能型和單板機(jī)式這兩種。其中，全功能型數(shù)控裝置具有更為全面的控制功能，控制效果較為顯著，但是裝置的應(yīng)用成本較高，適用性不強(qiáng)；單板機(jī)式數(shù)控裝置具備較強(qiáng)的抗干擾能力，可以妥善解決接口驅(qū)動(dòng)線路中存在的問(wèn)題，在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛。

（3）順序控制。在實(shí)際的自動(dòng)化電氣控制中，PLC應(yīng)用作為廣泛的內(nèi)容順序控制。從本質(zhì)角度而言，順序控制主要是指對(duì)企業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的遠(yuǎn)程控制以及協(xié)調(diào)控制，不僅可以保障企業(yè)生產(chǎn)的有序性，還能夠降低電氣設(shè)備的能源損耗，有助于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的提升。與此同時(shí)，在順序控制中，PLC的應(yīng)用可以有效避免順序控制出現(xiàn)錯(cuò)亂，有助于順序控制質(zhì)量及有效性的提升，有效縮短了控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。比如在采礦行業(yè)，輸煤控制系統(tǒng)就將PLC應(yīng)用于順序控制中，該控制系統(tǒng)主要由主站層、遠(yuǎn)程層以及現(xiàn)場(chǎng)傳感器組成，這三部分的協(xié)調(diào)配合，可以實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，從而降低煤炭企業(yè)的人力資源投入，提升煤炭生產(chǎn)的安全性。

（4）閉環(huán)控制。在PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，可以應(yīng)用多種控制方法，如手動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制、自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制以及手動(dòng)控制機(jī)旁屏等方法。在此基礎(chǔ)上，PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)可以有效控制閉環(huán)中的轉(zhuǎn)速，通過(guò)對(duì)閉環(huán)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)行調(diào)節(jié)器等生產(chǎn)設(shè)備的控制。以手動(dòng)控制機(jī)旁屏這一控制手法為例，技術(shù)人員可以在動(dòng)力泵啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)合理設(shè)置生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力泵的調(diào)節(jié)，根據(jù)動(dòng)力泵的具體工作時(shí)長(zhǎng)，選擇切換主用泵或者備用泵，保障生產(chǎn)有序進(jìn)行。

3 PLC技術(shù)在自動(dòng)化電氣控制中的實(shí)踐

鑒于PLC技術(shù)的上述優(yōu)勢(shì)，PLC技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用。本文以礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為例，分析PLC技術(shù)在自動(dòng)化電氣控制中的實(shí)踐應(yīng)用。在傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)，并結(jié)合高性能傳感器，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)機(jī)各項(xiàng)工況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在滿足礦井生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，降低工作人員的工作強(qiáng)度。具體而言，基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程如下。

3.1 基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將煤炭企業(yè)常用的主扇風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)基于PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化電氣控制應(yīng)用進(jìn)行分析。在礦山通風(fēng)機(jī)中，其自動(dòng)化控制需要涉及到兩個(gè)方面，分別是通風(fēng)機(jī)變電站的控制以及通風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的控制。具體而言，基于PLC的自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)，需要控制通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、壓力、電流、電壓、溫度等參數(shù)，還需要具備通風(fēng)機(jī)風(fēng)門的啟動(dòng)/停止控制功能以及故障診斷功能。具體而言，基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)如下。

（1）控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)。在礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)中，PLC技術(shù)和變頻技術(shù)共同進(jìn)行主扇風(fēng)機(jī)的控制，具體的控制流程如下：變頻技術(shù)主要負(fù)責(zé)主扇風(fēng)機(jī)的調(diào)速，PLC技術(shù)會(huì)根據(jù)主扇風(fēng)機(jī)的速度進(jìn)行電動(dòng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的控制，從而實(shí)現(xiàn)主扇風(fēng)機(jī)的閉環(huán)控制。與此同時(shí)，技術(shù)人員需要在主扇風(fēng)機(jī)附近安裝相應(yīng)的傳感器，用于監(jiān)測(cè)主扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，傳感器采集到的主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)會(huì)被傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，PLC會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，從而制定相應(yīng)的控制策略。具體的控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

觀察上圖可知，礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)包括PLC、變頻器、速度傳感器以及轉(zhuǎn)換模塊等部分。通常情況下，自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)通過(guò)1臺(tái)變頻器進(jìn)行多個(gè)主扇風(fēng)機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)主扇風(fēng)機(jī)的循環(huán)運(yùn)行，并將PLC作為中心控制器，通過(guò)對(duì)主扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度和反饋速度的有效控制，形成自動(dòng)化閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這一控制系統(tǒng)中，采用的控制算法為PID算法，具體的模擬表達(dá)式如下：

其中，u（t）是指輸出信號(hào)；e（t）是指輸入信號(hào)；Kp是指比例系數(shù)；Td是指微分時(shí)間常數(shù)；Ti是指積分時(shí)間常數(shù)。

（2）控制系統(tǒng)的PLC數(shù)據(jù)信號(hào)分析。在礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)開啟后，主扇風(fēng)機(jī)附近安裝的速度傳感器會(huì)采集主扇風(fēng)機(jī)當(dāng)下的運(yùn)行速度，并將采集到的速度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，通常是4～20mA的模擬電流信號(hào)；模擬電流信號(hào)將會(huì)傳輸?shù)絇LC中，作為主扇風(fēng)機(jī)的實(shí)際速度值，PLC會(huì)將實(shí)際速度值和控制系統(tǒng)中設(shè)定的主扇風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)速度值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合其他參數(shù)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，采用上述PID算法進(jìn)行控制量的計(jì)算，從而輸出0～5V的電壓信號(hào)；電壓信號(hào)將會(huì)傳輸?shù)阶冾l器中，變頻器按照電壓信號(hào)的數(shù)值，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制具體的主扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)量，以此實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化電氣控制。

3.2 基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在上述設(shè)計(jì)流程下，技術(shù)人員可以根據(jù)礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，進(jìn)行硬件設(shè)施及軟件設(shè)施的配置，保障自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的有效運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，PLC軟件設(shè)施主要包括系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分，系統(tǒng)程序主要包括監(jiān)控程序以及編譯程序等內(nèi)容，會(huì)轉(zhuǎn)變程序語(yǔ)言，還能夠?qū)ο到y(tǒng)的故障進(jìn)行診斷。需要注意的是，系統(tǒng)程序是由PLC生產(chǎn)廠家直接安裝于EPROM中，不可以由技術(shù)人員進(jìn)行人工干預(yù)。用戶程序主要是指工作人員控制PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序。在實(shí)際的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，PLC僅能夠識(shí)別輸入的數(shù)字信號(hào)，但是主扇風(fēng)機(jī)安裝的傳感器采集信號(hào)為4～20mA的電流模擬信號(hào)，這就要求技術(shù)人員在自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)中，應(yīng)用D/A以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的數(shù)字信號(hào)。在實(shí)踐應(yīng)用中，技術(shù)人員選擇STEP7的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊FC105（SCALE）作為轉(zhuǎn)換模塊，保障控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)的有效傳輸。

與此同時(shí)，在礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)故障。技術(shù)人員需要在自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)中添加故障診斷功能。一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)最常出現(xiàn)的是傳感器故障，技術(shù)人員需要根據(jù)主扇風(fēng)機(jī)安裝傳感器的實(shí)際狀況，設(shè)定傳感器參數(shù)的正常范圍，一旦故障診斷程序發(fā)現(xiàn)傳感器的參數(shù)超過(guò)正常范圍，PLC將會(huì)啟動(dòng)子程序，對(duì)傳感器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行診斷，從而分析傳感器是否出現(xiàn)故障。故障診斷子程序主要是將傳感器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)所允許的最大數(shù)值進(jìn)行比較，如果實(shí)際運(yùn)行參數(shù)接近或者超過(guò)最大數(shù)值，就表明傳感器出現(xiàn)故障。

在上述基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，將其用于煤炭企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，可以有效提升控制效果，不僅能夠降低操作人員的工作強(qiáng)度，還可以避免人為因素對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)的影響，有效避免了誤操作和亂操作的現(xiàn)象，值得推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)具備高效的控制效果，可以提升生產(chǎn)效率與水平，具備顯著的優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用。通過(guò)本文的分析可知，PLC技術(shù)在自動(dòng)化電氣控制中的應(yīng)用較為廣泛，基于PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)具備更強(qiáng)的控制效果，可以有效避免人為因素對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生的影響，有助于生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量的提升，能夠促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的智能化與現(xiàn)代化發(fā)展。希望本文的分析可以為相關(guān)的研究提供理論參考。