自動(dòng)化控制中弱電控制強(qiáng)電的方法分析

管偉智

（云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，云南 昆明 650102）

弱電控制有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即容易控制和安全性高，因此在強(qiáng)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅對(duì)強(qiáng)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全有了保障，還大大方便了實(shí)際操作，一舉兩得。自動(dòng)化控制中的弱電對(duì)強(qiáng)電的控制已經(jīng)出現(xiàn)了多種方法，并且在具體的實(shí)踐中也有了不錯(cuò)的成效，但是并不能滿足于此，因?yàn)槿杂性S多不足之處需要完善。

1 電氣自動(dòng)化控制概述

電氣自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)控制主要通過(guò)以下四個(gè)方面：第一，電氣自動(dòng)化發(fā)展平臺(tái)。計(jì)算機(jī)信息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制最基本的支撐，在電氣控制中，弱電控制強(qiáng)電也是通過(guò)Windows技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的，除此之外，OPC平臺(tái)也發(fā)揮了重要作用。第二，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC）。這種產(chǎn)品在電氣設(shè)備中有很大的適用性，但是必須保證兩者的兼容性，接口必須是統(tǒng)一的。在弱電控制強(qiáng)電系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)接口的應(yīng)用可以使PLC的應(yīng)用范圍更加廣泛，隨之提高電氣自動(dòng)化程度。第三，在弱電控制強(qiáng)電系統(tǒng)中，Windows平臺(tái)可以提供相應(yīng)的技術(shù)。在利用平臺(tái)的過(guò)程中，會(huì)結(jié)合很多微軟技術(shù)，比如，PC技術(shù)以及其他信息技術(shù)。第四，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電必須通過(guò)相應(yīng)的系統(tǒng)和線路，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)及總線需要進(jìn)行合理的安排和管理，保證信息能夠雙向傳輸。相關(guān)的工作人員需要檢查兩者之間的連接形式，確保不會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)的情況。現(xiàn)場(chǎng)的總線系統(tǒng)是由總線以及控制系統(tǒng)組成的。此外，工作人員可以借助電纜等方式將電氣自動(dòng)控制的范圍及距離進(jìn)一步擴(kuò)大，非現(xiàn)場(chǎng)的工作人員可以借助信息顯示器對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

2 自動(dòng)化控制中的弱電和強(qiáng)電

研究自動(dòng)化控制中的弱電如何控制強(qiáng)電，就必須明確弱電與強(qiáng)電各自的范圍及其作用。首先，自動(dòng)化控制中的強(qiáng)電是指電壓達(dá)到220V和380V以及10000V以上的用電設(shè)備，這是按照電壓的等級(jí)進(jìn)行劃分的。在電力運(yùn)輸過(guò)程中，強(qiáng)電最突出的特點(diǎn)就是動(dòng)力傳輸。強(qiáng)電是通過(guò)電線路進(jìn)行電力傳輸?shù)?，廣泛應(yīng)用在可以供配電系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)、市電系統(tǒng)。但是由于強(qiáng)電本身的局限性，運(yùn)用強(qiáng)電進(jìn)行單一的自動(dòng)化控制無(wú)法滿足電力企業(yè)對(duì)發(fā)展的要求，因此強(qiáng)電的不便操作和不安全性等缺陷問題急需解決。

弱電的定義是安全電壓，是不高于36V的，但是這種劃分方法并不是固定的，被劃分到弱電范圍之內(nèi)的還有380V的電壓，因此對(duì)弱電的定義標(biāo)準(zhǔn)并不是確定的。與強(qiáng)電相比，弱電是有一定優(yōu)勢(shì)的，弱電的信號(hào)更強(qiáng)、安全性更高、控制更加方便。因?yàn)橛幸幌盗械膬?yōu)勢(shì)，使用弱電控制對(duì)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展更為有利，有著更廣闊的前景。到目前為止，弱電的應(yīng)用領(lǐng)域涉及各行各業(yè)：一是通信領(lǐng)域，在此領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣泛的是計(jì)算機(jī)以及手機(jī)通信；二是電子領(lǐng)域，在這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中弱電的作用是幫助電子元件運(yùn)行；三是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，弱電的作用是幫助計(jì)算機(jī)的運(yùn)行能夠更加平穩(wěn)和安全；另外，還有廣播領(lǐng)域以及醫(yī)療器械領(lǐng)域。弱電是不具有動(dòng)力傳輸?shù)墓δ艿?，它的作用是通過(guò)電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)操控的目的，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

弱電與強(qiáng)電各有千秋，在電力行業(yè)當(dāng)中兩種電壓都必不可少，只是弱電由于自身的優(yōu)勢(shì)更適合在自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用，因此電力企業(yè)在大力發(fā)展對(duì)弱電控制的運(yùn)用。目前，在電力發(fā)電站中，弱電和強(qiáng)電的控制是同時(shí)存在的，但是在自動(dòng)化的控制領(lǐng)域中弱電占優(yōu)勢(shì)地位。

3 自動(dòng)化控制中弱電控制強(qiáng)電的方法

3.1 基礎(chǔ)的控制原理

弱電控制強(qiáng)電最常用的核心系統(tǒng)部件是PLC，PLC通過(guò)數(shù)字量和模擬量的輸入輸出操作進(jìn)而控制強(qiáng)電，其在弱電控制強(qiáng)電的過(guò)程中占主導(dǎo)地位。近年來(lái)大型冶煉企業(yè)的輔助系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模用PLC控制系統(tǒng)代替了原來(lái)的繼電控制系統(tǒng)，PLC不僅可以單獨(dú)控制某個(gè)工藝流程，還可以通過(guò)接入DCS系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)全廠生產(chǎn)工作。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC可以儲(chǔ)存邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作指令，用戶可以編制的控制程序表達(dá)了強(qiáng)電的控制邏輯要求，并事先存入PLC的儲(chǔ)存器中，當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以按照要求自動(dòng)完成對(duì)強(qiáng)電的邏輯控制和操作。

PLC有諸多優(yōu)點(diǎn)：體積小、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、重量輕、性價(jià)比高，正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)使得PLC在弱電控制強(qiáng)電的過(guò)程中占了主導(dǎo)地位。由于PLC控制系統(tǒng)采用編程元件（如計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、繼電器）來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理元器件，可以實(shí)現(xiàn)靈活和復(fù)雜的控制邏輯，與傳統(tǒng)的繼電控制相比，傳統(tǒng)的繼電控制系統(tǒng)采用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器等物理電氣元件，當(dāng)出現(xiàn)觸點(diǎn)接觸不良或者線圈燒壞等情況時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)都會(huì)出錯(cuò)，容易導(dǎo)致事故發(fā)生，而PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，因觸點(diǎn)接觸不良、線圈燒毀等故障電氣元器件造成的故障大為減少，并且PLC控制系統(tǒng)的二次線路大幅減少，接線過(guò)程中很難發(fā)生錯(cuò)誤，大幅減輕了安裝和檢修人員的工作量，整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性大幅提高。

3.2 有效運(yùn)用固態(tài)繼電器

繼電器的使用范圍越來(lái)越廣，成為實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的理想元件。固態(tài)繼電器（Solid State Relay,SSR）是一種無(wú)觸點(diǎn)的啟動(dòng)裝置，由微電子電路、分立電子等元件構(gòu)成，可以有效地使用隔離裝置對(duì)負(fù)載端以及控制端進(jìn)行隔離。固態(tài)繼電器有很多優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)、壽命很長(zhǎng)、噪聲小、耗能低、開關(guān)反應(yīng)速度快、安全性高。固態(tài)繼電器的工作原理是輸入微小控制信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)大電流荷載。固態(tài)繼電器的廣泛使用得益于它的優(yōu)勢(shì)：簡(jiǎn)化了繼電器的所有的操作流程，不受各種條件限制。固態(tài)繼電器的本質(zhì)是半導(dǎo)體元件，并且是無(wú)觸點(diǎn)的，能夠有效地協(xié)助單片機(jī)工作，固態(tài)繼電器在操作輸入和輸出時(shí)，可以利用光電隔離使絕緣效果提升，使絕緣電壓大于2000V，有效地保障了電路運(yùn)行的安全性。

固態(tài)繼電器雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些問題，在實(shí)際的操作中應(yīng)該注意以下問題：第一，選擇合適的散熱設(shè)計(jì)，保證充足的空間和強(qiáng)制散熱的散熱片；第二，如果有必要，可使用RC對(duì)濾波進(jìn)行吸收和輸入；第三，固態(tài)繼電器會(huì)發(fā)生漏電的情況，如果是小功率荷載就要注意因漏電流而導(dǎo)致的荷載控制出現(xiàn)問題。

3.3 大型自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)架

大型自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由主站層、遠(yuǎn)程I/O站、現(xiàn)場(chǎng)傳感器等三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，其中PLC、DCS、組態(tài)界面等構(gòu)成主站層，該層的設(shè)備主要安裝在集控室內(nèi)，方便工程師操作，主站層通過(guò)光纖或者以太網(wǎng)等通信設(shè)備與遠(yuǎn)程I/O站連接，遠(yuǎn)程I/O站與現(xiàn)場(chǎng)接觸器、變頻器等電氣元件通過(guò)二次控制線路連接或者通過(guò)總線連接?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器層含有大量傳感器元器件，如溫度傳感器、物位傳感器、電流變送器、壓力變送器等，這些元器件的信號(hào)大部分通過(guò)4～20mA電流傳輸并接入遠(yuǎn)程I/O站，遠(yuǎn)程I/O站將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)上傳到主站層。大型自動(dòng)控制系統(tǒng)以全自動(dòng)控制為主，以現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作設(shè)備控制為輔，工程師在集控室內(nèi)通過(guò)電腦顯示屏來(lái)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并可以通過(guò)鼠標(biāo)操作顯示器上啟停按鈕圖標(biāo)來(lái)控制設(shè)備或者設(shè)置設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，該種控制系統(tǒng)的使用可以在很大程度上提高生產(chǎn)效率，并減少運(yùn)行人員的工作量和確保員工的安全。

大型工業(yè)企業(yè)的設(shè)備一般內(nèi)含有大量電機(jī)，電機(jī)啟停方式主要有自動(dòng)啟停和現(xiàn)場(chǎng)控制箱手動(dòng)啟停兩種。自動(dòng)狀態(tài)下電機(jī)的開停機(jī)時(shí)由主站層通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)到的物料高低數(shù)據(jù)來(lái)自動(dòng)啟用和停止電機(jī)，而現(xiàn)場(chǎng)啟停方式則是需要先將就地或遠(yuǎn)程旋鈕切換到就地檔位，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱的按鈕來(lái)啟停電機(jī)。

4 自動(dòng)化控制中弱電控制強(qiáng)電的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

自動(dòng)化控制的發(fā)展應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，將現(xiàn)階段的先進(jìn)技術(shù)結(jié)合到自動(dòng)化控制中，可以大力推動(dòng)自動(dòng)化控制的發(fā)展。對(duì)電氣自動(dòng)化未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)預(yù)測(cè)主要有以下兩個(gè)方面：

第一，逐步建立起具有通用性特點(diǎn)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將自動(dòng)化控制與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合?？刂凭W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立有利于各種有關(guān)的主體之間有效地進(jìn)行信息傳遞，更好地把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制起來(lái)，利用這種結(jié)構(gòu)還有利于相關(guān)技術(shù)人員對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，起到了輔助作用。在建立控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，需要確保網(wǎng)絡(luò)的流暢，保證各項(xiàng)工作能夠順利進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，也隨之運(yùn)用在生產(chǎn)生活中，自動(dòng)化控制需要抓住這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，與之相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展。

第二，在發(fā)展自動(dòng)化控制時(shí)，需要設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的程序接口。傳統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備因?yàn)樯a(chǎn)區(qū)域不同或者廠家不同，程序接口各式各樣，沒有統(tǒng)一，因此在實(shí)際操作中會(huì)遇到很多麻煩，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的程序接口產(chǎn)生，有利于縮短工程時(shí)間，提高相應(yīng)的工作效率。當(dāng)程序接口標(biāo)準(zhǔn)化之后，自動(dòng)化設(shè)備可以與監(jiān)控系統(tǒng)互相連接，實(shí)現(xiàn)信息共享。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，對(duì)人們的生活方式有巨大的改變，同時(shí)大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。在自動(dòng)化控制中，由于弱電控制更安全、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，弱電控制強(qiáng)電的方式已經(jīng)成為主流，而且在未來(lái)發(fā)展中，控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立以及標(biāo)準(zhǔn)化程序接口的統(tǒng)一會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)弱電控制的發(fā)展。未來(lái)，要將弱電控制和強(qiáng)電控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，共同促進(jìn)電氣自動(dòng)化的發(fā)展。