PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

汪 浩

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動(dòng)化分公司，山東 濟(jì)南 271104）

在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域，PLC的開關(guān)量邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、閉環(huán)過程控制以及數(shù)據(jù)處理等強(qiáng)大功能得到充分體現(xiàn)，因此，在化工、鋼鐵、石油、機(jī)械制造等行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)中具有較高的應(yīng)用頻率。而且，在實(shí)際應(yīng)用過程中，PLC技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力、操作便捷等優(yōu)勢(shì)也推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。

1 PLC的工作原理

CPU即中央處理單元是可編程邏輯控制器的中樞控制單元，該單元通過對(duì)用戶程序與數(shù)據(jù)的采集，來(lái)診斷用戶程序中存在的語(yǔ)法錯(cuò)誤，當(dāng)錯(cuò)誤糾正以后，這些程序與數(shù)據(jù)將統(tǒng)一存儲(chǔ)在I/O映象區(qū)，當(dāng)用戶程序執(zhí)行完畢，I/O映象區(qū)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)捷敵鲅b置當(dāng)中，通過這一過程的循環(huán)，而對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中的每一道工序進(jìn)行有效控制。因此，PLC的工作原理主要包括輸入采樣、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新三個(gè)階段。

1.1 輸入采樣階段

輸入采樣是程序執(zhí)行的初始階段，這一階段，PLC主要利用掃描的方式對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，然后將采集的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一存儲(chǔ)在I/O映象區(qū)，如果在采樣過程中，計(jì)算輸入的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)發(fā)生了變化，那么，I/O映象區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與狀態(tài)并不會(huì)發(fā)生改變，即依然保持原有狀態(tài)。因此，當(dāng)輸入I/O映象區(qū)的信號(hào)為脈沖信號(hào)時(shí)，信號(hào)的寬度不得小于一個(gè)掃描周期，一旦出現(xiàn)這種情況，信號(hào)的輸入過程將視為無(wú)效[1]。

1.2 用戶程序執(zhí)行階段

當(dāng)輸入采樣工作結(jié)束后，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入到用戶程序執(zhí)行階段，這一階段的掃描順序主要遵循由上到下的原則，系統(tǒng)掃描的用戶程序呈現(xiàn)出梯形圖的樣式。每掃描一個(gè)梯形圖，往往先從圖形的左側(cè)開始，然后再按照先上后下的順序?qū)Ω饔|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算。當(dāng)邏輯線圈將邏輯運(yùn)算結(jié)果處理完畢后，通過輸出線圈，將運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在I/O映象區(qū)相對(duì)應(yīng)的位置。與輸入采樣階段不同，這一階段的I/O映象區(qū)中的數(shù)據(jù)與狀態(tài)即便不會(huì)發(fā)生變化，那么RAM存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)與狀態(tài)發(fā)生變化的可能性也相對(duì)較大，因此，被刷新的邏輯線圈的數(shù)據(jù)與狀態(tài)只有在下一個(gè)掃描周期才能對(duì)上一周期的程序產(chǎn)生作用，這與輸入采樣階段具有較為明顯的區(qū)別。

1.3 輸出刷新階段

當(dāng)輸入采樣與用戶程序執(zhí)行階段結(jié)束以后，PLC隨即進(jìn)入到程序輸出刷新階段，這一階段，處于I/O映象區(qū)的數(shù)據(jù)與狀態(tài)將被刷新輸出，然后經(jīng)由輸出電路，由系統(tǒng)的外部設(shè)施對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)處理，這時(shí)，程序指令可以直接傳輸?shù)较到y(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)而完成指令的執(zhí)行任務(wù)，PLC的工作原理如圖1所示。

圖1 PLC的工作原理

2 PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

PLC融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等高端技術(shù)，使得PLC控制器的性價(jià)比較高、功能強(qiáng)大。因此，PLC技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，其應(yīng)用價(jià)值與優(yōu)勢(shì)也逐步突顯出來(lái)。

2.1 程序設(shè)計(jì)與開發(fā)周期短

PLC中的中央處理單元主要負(fù)責(zé)采集和處理用戶程序與各項(xiàng)數(shù)據(jù)，因此可以說(shuō)，PLC強(qiáng)大功能的體現(xiàn)實(shí)際上取決于程序設(shè)計(jì)與開發(fā)階段的工作成效，而從PLC系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)看，較過去的繼電器相比，電子元器件較為集中，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，這就給程序設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了諸多便利。設(shè)計(jì)人員只需借助于功能圖、梯形圖以及一些簡(jiǎn)單的語(yǔ)句指令對(duì)程序進(jìn)行編寫即可，而無(wú)需投入大量的人力資源與財(cái)力資源，而且大大縮短了程序設(shè)計(jì)與開發(fā)周期，如果設(shè)計(jì)人員專業(yè)基礎(chǔ)差，那么經(jīng)過培訓(xùn)與指導(dǎo)以后，短時(shí)間便能夠掌握PLC的程序編寫知識(shí)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在編寫應(yīng)用程序時(shí)，可以根據(jù)PLC的應(yīng)用場(chǎng)景制訂針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，而無(wú)需考慮其它領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景，這就給PLC在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用節(jié)省了大量時(shí)間。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

PLC具有開關(guān)量邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、工業(yè)過程控制以及數(shù)據(jù)處理等多種功能，其中開關(guān)量邏輯控制主要是可編程邏輯控制器取代了傳統(tǒng)的繼電器的功能，由對(duì)單臺(tái)設(shè)備的控制過渡到對(duì)多臺(tái)設(shè)備的控制，因此，這一功能在組合式數(shù)控機(jī)床當(dāng)中得到切實(shí)體現(xiàn)，進(jìn)而使生產(chǎn)效率得到大幅提升。運(yùn)動(dòng)控制是PLC系統(tǒng)能夠?qū)χ本€運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效控制，這一功能的應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)床、機(jī)械加工以及電梯制造等。過程控制是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)全過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，應(yīng)用領(lǐng)域涉及冶金、熱處理、石油化工等行業(yè)。而數(shù)據(jù)處理是指PLC系統(tǒng)具有矩陣預(yù)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯去處、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能，既可采集工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，也可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，尤其在冶金行業(yè)，這一功能應(yīng)用的頻率相對(duì)較高。

2.3 抵御外界干擾能力強(qiáng)

極強(qiáng)的抗干擾能力是PLC技術(shù)的顯著特點(diǎn)，一方面，過去的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的時(shí)間繼電器與中間繼電器，導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸不良，進(jìn)而引發(fā)各種不同類型的故障。而PLC技術(shù)用軟件和程序取代了這些繼電器，硬件元件數(shù)量大幅減少，在這種情況之下，系統(tǒng)的接線率較之過去相比將縮減1/10—1/100，使得觸點(diǎn)接觸性能夠始終保持一個(gè)良性的接觸狀態(tài)，故障率也將明顯下降，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，可編程邏輯控制器的平均無(wú)故障時(shí)間能夠達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)以上。另一方面，由于PLC技術(shù)采用了電光隔離技術(shù)，電源具有獨(dú)立性，而且系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了自動(dòng)監(jiān)控程序，可以隨時(shí)對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤，或者設(shè)備的動(dòng)作行為出現(xiàn)差錯(cuò)，自動(dòng)監(jiān)控功能可以快速的確定故障類型與部位，進(jìn)而快速排除故障隱患[2]。

3 PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用效果

目前，PLC技術(shù)在冶金、電力、石油化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于PLC獨(dú)有的功能優(yōu)勢(shì)，使得工業(yè)生產(chǎn)效率大幅提升的同時(shí)，也給企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。因此，下面就PLC在數(shù)控機(jī)床以及火電系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用效果

顧名思義，數(shù)控機(jī)床主要是借助于數(shù)字技術(shù)，對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)作行為進(jìn)行有效控制，隨著數(shù)字技術(shù)與計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化與智能化水平也越來(lái)越高。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由輸入輸出設(shè)備、CNC單元、伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置、PLC以及電氣控制裝置組成。目前，PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用主要有兩種方式，一種是內(nèi)裝式PLC，另一種是獨(dú)立式PLC。

內(nèi)裝式PLC也稱之為集成式PLC，這種應(yīng)用方式主要是基于內(nèi)部總線對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸與控制，其中，PLC與機(jī)床側(cè)的信息數(shù)據(jù)傳送都需要借助于輸入與輸出接口來(lái)完成，工作原理如圖2所示。

圖2 內(nèi)裝式PLC的工作原理

而獨(dú)立式PLC也可以稱之為外裝式PLC，在應(yīng)用這種方式，PLC屬于一個(gè)獨(dú)立完整的控制系統(tǒng)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在用戶可以根據(jù)專業(yè)的產(chǎn)品線，對(duì)PLC多樣化的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整，以便于直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各流程當(dāng)中。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，PLC的自我診斷功能使數(shù)控機(jī)床的故障率大幅降低，尤其對(duì)于大型的機(jī)械制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，一旦數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)運(yùn)行故障，將嚴(yán)重影響整個(gè)生產(chǎn)流程，進(jìn)而給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而應(yīng)用PLC技術(shù)以后，PLC系統(tǒng)控制器可以根據(jù)連鎖信號(hào)裝置發(fā)出故障預(yù)警，而且預(yù)警信號(hào)將同步顯示在終端顯示器上面，這就給故障排除爭(zhēng)取了大量時(shí)間。需要注意的是，技術(shù)人員在應(yīng)用PLC的故障診斷功能時(shí)，應(yīng)當(dāng)明確以下兩方面內(nèi)容，第一，首先需要明確機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理，比如刀庫(kù)、刀架、液壓裝置、壓力開關(guān)的準(zhǔn)確位置與承擔(dān)的功能，這樣才能快速準(zhǔn)確的確定故障部位。第二，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)熟知各個(gè)操作條件下的各種標(biāo)識(shí)，比如開停車標(biāo)識(shí)、電機(jī)啟動(dòng)標(biāo)識(shí)、連鎖開關(guān)閥門緊閉與松開標(biāo)識(shí)以及各種限位信號(hào)，以此可以隨時(shí)掌控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)[3]。

3.2 在火電系統(tǒng)中的應(yīng)用效果

在火電系統(tǒng)中，PLC的應(yīng)用程序主要體現(xiàn)在水處理、煤炭輸送、煤渣清理以及除灰等工藝流程，通過PLC功能模塊對(duì)程序指令的執(zhí)行，可以確?；痣娤到y(tǒng)能夠始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)。比如在煤炭輸送工藝中，輸送系統(tǒng)主要由主站層、遠(yuǎn)程IO站以及現(xiàn)場(chǎng)傳感器組成，而PLC則位于主站層當(dāng)中。其中，主站層與遠(yuǎn)程IO站利用光纖通訊總線建立一種連接關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)以后，遠(yuǎn)程IO站與輸送系統(tǒng)中的傳感器通過二次控制電纜相連，而終端操作人員可以在控制室當(dāng)中對(duì)煤炭的輸送流程進(jìn)行有效控制。在煤炭輸送系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，PLC可以支持正常的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，如果輸送系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，那么PLC的故障診斷功能將發(fā)揮作用，及時(shí)向終端傳遞故障預(yù)警信號(hào)，這時(shí)，技術(shù)人員可以根據(jù)系統(tǒng)的反饋信號(hào)第一時(shí)間做出響應(yīng)，進(jìn)而將系統(tǒng)故障造成的損失降到最低點(diǎn)。因此可以說(shuō)，PLC在火電系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用，不僅緩解了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作壓力，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)，也延長(zhǎng)了火電系統(tǒng)的使用壽命，這對(duì)企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

以某電廠輸煤控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)依托于PLC與上位機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)煤炭原料的輸送能夠進(jìn)行有效控制，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在PLC系統(tǒng)與上位機(jī)之間，主要通過PC/

圖3 輸煤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

PPI通信電纜建立連接關(guān)系，PLC與輸煤系統(tǒng)之間通過電纜建立連接關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)以后，可以自動(dòng)完成給煤、輸煤、配煤等工序。在電廠當(dāng)中，最為常見的輸煤系統(tǒng)主要包括1臺(tái)葉輪輸煤機(jī)、4條輸煤皮帶機(jī)、2臺(tái)碎煤機(jī)以及3臺(tái)犁煤器。

該系統(tǒng)依托于PLC技術(shù)，可以自動(dòng)完成故障檢測(cè)流程，同時(shí)，還具備保護(hù)聯(lián)鎖功能的作用，因此，整個(gè)輸煤系統(tǒng)能夠持續(xù)保持在一個(gè)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。尤其在檢測(cè)輸煤系統(tǒng)中的皮帶打滑、皮帶跑偏、皮帶撕裂、落煤筒堵塞等故障時(shí)，能夠快速確定故障位置，設(shè)備檢修人員根據(jù)故障反饋信號(hào)能夠第一時(shí)間做出應(yīng)急反應(yīng)，進(jìn)而快速排除故障隱患，這就給各首生產(chǎn)工序的正常進(jìn)行提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持和保障。

3.3 在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果

在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，借助于PLC技術(shù)可以滿足對(duì)提升機(jī)自動(dòng)控制的需求，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)罐籠運(yùn)行速度的準(zhǔn)S形曲線，保證罐籠能夠精準(zhǔn)平層，另一方面，可以對(duì)提升機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，一旦出現(xiàn)運(yùn)行故障，系統(tǒng)將第一時(shí)間將故障信號(hào)反饋給終端操作平臺(tái)，進(jìn)而快速應(yīng)急反應(yīng)，PLC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PLC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在圖4當(dāng)中，實(shí)線代表電纜連接，虛線則代表光纖連接。由于礦井提升機(jī)的作業(yè)條件惡劣，工藝流程復(fù)雜，因此，對(duì)提升機(jī)的安全穩(wěn)定性能提出了較為嚴(yán)格的要求，而圖4當(dāng)中的PLC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠大大增強(qiáng)提升機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。首先1#PLC主要選用了PLC-5/25主處理器，該處理器主要具有發(fā)出執(zhí)行口令，以及診斷提升機(jī)系統(tǒng)故障的作用。與此同時(shí)，在系統(tǒng)進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)以后，可以向2#PLC發(fā)出開車與行程控制指令，以保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。另外，為了降低運(yùn)行成本，技術(shù)人員專門選擇了PLC-5/12處理器作為該提升系統(tǒng)的適配器。通過對(duì)該P(yáng)LC硬件系統(tǒng)的應(yīng)用，既提高了信息傳遞的可靠性，同時(shí)，也避免了外界電磁輻射等干擾源的干擾，在這種情況下，提升機(jī)的運(yùn)行效率將得到大幅提升。

4 PLC技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展趨勢(shì)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)逐步向開放式、品牌化方向過渡，尤其在近幾年，PLC的品牌效應(yīng)不斷發(fā)酵，一些PLC品牌制造商不斷推陳出新，并相繼研發(fā)出了一些適應(yīng)市場(chǎng)、滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。另外，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在各種智能化設(shè)備當(dāng)中應(yīng)用頻率越來(lái)越高，比如智能化工業(yè)儀表、傳感器、智能型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及智能型電磁閥等。這些設(shè)備與PLC之間通過雙絞線或者光纜的方式連接在一起，構(gòu)建了一個(gè)龐大的智能化、自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)，操作人員只需要在遠(yuǎn)端便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制。

4.2 微型化發(fā)展方向

PLC的體積逐步向微型化方向發(fā)展，比如三菱集團(tuán)生產(chǎn)的FX-IS型PLC，其大小與一個(gè)小型的斷電器無(wú)異，但是，相比對(duì)一些大型的PLC系統(tǒng)，其運(yùn)算能力毫不遜色，并且可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電位器的時(shí)間。另外，PLC的模擬量處理功能越來(lái)越強(qiáng)大，比如PID調(diào)節(jié)功能、溫度控制功能、精準(zhǔn)定位功能、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)功能、報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能等，與DCS集散控制系統(tǒng)的功能差別變得越來(lái)越小，因此，在未來(lái)發(fā)展進(jìn)程中，PLC的集成化控制功能也將越加完善。

4.3 簡(jiǎn)易化發(fā)展方向

在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，難度相對(duì)較大的工作主要程序編寫與設(shè)計(jì)，如果不經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，很難完成軟件的編程任務(wù)，加之目前PLC研發(fā)市場(chǎng)魚龍混雜，各開發(fā)設(shè)計(jì)廠商所使用的編程語(yǔ)言也不盡相同，在這種情況下，終端用戶無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)掌握多門編程語(yǔ)言，因此，這就使PLC的使用功能受到嚴(yán)重限制。而隨著編程技術(shù)水平的不斷提升，PLC軟件設(shè)計(jì)人員PID控制、網(wǎng)絡(luò)通信、位置控制、數(shù)據(jù)記錄等方面大做文章，并逐漸降低程序編寫難度，以至于終端用戶無(wú)需經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，便可以完成一些簡(jiǎn)單的程序編寫任務(wù)，這就給用戶帶來(lái)了諸多便利。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用給工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇，因此，企業(yè)應(yīng)當(dāng)始終秉持與時(shí)俱進(jìn)的態(tài)度，積極借鑒一些先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與成功的案例，并不斷提升技術(shù)人員的專業(yè)技術(shù)水平，在充分發(fā)揮PLC技術(shù)各項(xiàng)功能優(yōu)勢(shì)的前提下，加快推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化與智能化發(fā)展進(jìn)程。