PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用

熊清華

[摘 ? ?要]基于現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，控制系統(tǒng)的復雜程度越來越高。文章以PLC技術為研究對象，分析了其在電氣工程自動化控制中的應用情況，明確了PLC技術特點與實際應用效果。

[關鍵詞]PLC技術;電氣工程;自動化控制;應用;案例

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–00–03

[Abstract]Based on the development of modern industrial technology， the complexity of the control system is getting higher and higher. This article mainly takes PLC technology as the research object， specifically analyzes its application in electrical engineering automation control， and clarifies the characteristics of PLC technology and the actual application effect.

[Keywords]PLC technology; electrical engineering; automation control; application; case

1 概述

基于現(xiàn)代電氣工程運行安全性、穩(wěn)定性要求，必須合理配置相應的控制系統(tǒng)，全面分析、統(tǒng)計電氣設備運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對電氣設備的綜合管理與自動化控制。隨著計算機、通信等科學技術的不斷發(fā)展，PLC技術功能越來越豐富，且憑借著操作方便、精度高、維修便利等優(yōu)勢，逐漸在電氣工程自動化控制中得到了推廣應用，有效提高了系統(tǒng)柔性與可靠性，加強相關研究具有重要的現(xiàn)實意義。

2 電氣控制技術方法概述

2.1 人工儀表控制

此方法主要是由繼電器、電流/電壓表、流量計以及壓力表等簡單智能儀表構成控制系統(tǒng)，操作人員需隨時監(jiān)控電氣設備運行情況，檢查是否存在故障，人力物力消耗更多。

2.2 DCS控制系統(tǒng)

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），是基于現(xiàn)代大型自動化設備的運用與過程控制要求而產(chǎn)生的綜合控制系統(tǒng)，主要構成如圖1所示。DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)了分散控制、分級管理以及集中操作，靈活性、開放性較好，且易于維護。

2.3 FCS控制系統(tǒng)

此系統(tǒng)是在現(xiàn)場總線基礎上形成的自動控制系統(tǒng)，由PLC、DCS發(fā)展而來，主要構成如圖2所示。FCS控制系統(tǒng)的開放性、分散性以及互操作性均較好，可提供遠程控制、遠程參數(shù)化工作，且由于現(xiàn)場電纜用量小，成本相對較低。

2.4 PLC控制系統(tǒng)

此系統(tǒng)為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），采用嵌入式CPU與相關輸入/出、通訊模塊等，在穩(wěn)定性、可靠性方面優(yōu)勢顯著，主要構成如圖3所示。隨著網(wǎng)絡通訊功能的發(fā)展，PLC優(yōu)勢在于可實現(xiàn)互聯(lián)，構建大規(guī)模的控制系統(tǒng)，完成各項控制任務，包括：設備簡單控制、運動控制、過程控制以及集散控制等。本文主要以PLC系統(tǒng)為研究對象，探討了其在電氣工程自動化控制中的應用情況。

3 PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用

PLC技術是基于計算機、自動控制以及通信技術發(fā)展起來，體積小、編程簡單但是功能強大，在電氣工程自動化控制中得到了廣泛應用。主要就PLC軟硬件系統(tǒng)與應用情況展開分析。

3.1 PLC軟硬件系統(tǒng)組成

PLC軟硬件系統(tǒng)組成如表1所示。

（1）硬件系統(tǒng)：PLC硬件系統(tǒng)的組成如表1所示，以CPU為核心，配備可編程的存儲器，在PLC內(nèi)部進行各種數(shù)學運算指令、各種操作指令，利用數(shù)字量/模擬量對外輸出，實現(xiàn)被控對象的控制。PLC可分為兩類：一類是整體PLC，所有部件集成在一起;另一類是模塊式PLC，根據(jù)功能需求選擇模塊安裝在機架或導軌上。

（2）軟件系統(tǒng)：PLC程序包括系統(tǒng)程序、用戶程序。前者是PLC自身程序，由制造廠家編寫，用戶無權讀寫;后者是用戶開發(fā)的程序，用戶可隨意讀寫、更改。在PLC技術實際運用中，不同品牌或是同一品牌不同系列的編程語言表達方式有所差異，但也較為易懂，如：梯形圖語言、語句表達語言、邏輯圖語言、功能表圖語言等。

3.2 PLC技術的應用情況

3.2.1 PLC應用方式

基于我國科學技術的進步，PLC功能增強，主要應用方式可歸納如下。

（1）開關量邏輯控制：包括順序控制、邏輯控制，可應用于單臺設備控制、多機群控以及生產(chǎn)線控制。

（1）運動控制：PLC有多個運動控制模塊，如驅動電機單（多）軸的位置控制模塊，實現(xiàn)直線、圓周運動控制。

（2）數(shù)據(jù)處理：PLC可提供各種數(shù)據(jù)轉換、傳輸以及分析處理等功能，通過一系列程序控制與參數(shù)值比對完成相關控制工作，同時通過通訊功能傳輸給其他智能裝置。

（3）過程控制：利用PLC不同程序可實現(xiàn)各種控制算法，完成模擬量（如溫度、流量、壓力）的閉環(huán)控制。目前，PID調(diào)節(jié)控制方法的運用最為廣泛的，大多PLC設有PID功能模塊，可直接調(diào)用PID子程序，在編寫PID調(diào)節(jié)程序時相對簡單。

（4）通訊及聯(lián)網(wǎng)：PLC設有通訊接口，可完成PLC之間、PLC與電氣設備間的通訊工作。

（5）模擬量控制：電氣工程自動化控制要求完成各種模擬量的控制，如溫度、速度、壓力以及流量等，配套設置模數(shù)轉換模塊，實現(xiàn)A/D、D/A轉換。

3.2.2 PLC應用特點

目前電氣工程自動化控制中，PLC已經(jīng)成為主流設備，主要應用特點可歸納如下：

（1）可靠性好，抗干擾能力強。PLC以集成電路構成，采用了先進的抗干擾技術，配置故障自診斷程序，提高了PLC系統(tǒng)可靠性。

（2）通用性強，控制程序靈活。PLC控制系統(tǒng)運用時，可靈活改變控制系統(tǒng)，無需更改硬件裝置，只要修改PLC程序即可滿足實際控制要求。

（3）功能強大，適應性好。隨著PLC的功能不斷豐富，其不僅可滿足電氣設備控制需求，還可直接控制生產(chǎn)線、生產(chǎn)過程，運用越加廣泛。

（4）編程簡單，易于操作。PLC程序編寫語言下相對簡單，學習較為容易。

（5）體積小，維護方便。PLC體積緊湊、重量輕，可安裝于設備內(nèi)部，維護管理方便。

4 案例分析

本文以異步電機同步控制為例，具體分析了PLC的運用情況。

4.1 應用環(huán)境

異步電機運行環(huán)境相對惡劣，采用工控機進行系統(tǒng)控制存在故障率高、抗干擾能力差的問題。本文針對PLC技術的運用展開分析，選用歐姆龍PLC，型號C200HE，基于PLC內(nèi)嵌的PID算法模塊構建閉環(huán)控制系統(tǒng)，具體如圖4所示。

此閉環(huán)控制系統(tǒng)運行時，控制精度受測量精度影響。由此，閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)采用高速計數(shù)模塊，計數(shù)模式為門控方式，控制輸入IN為高電平時，對脈沖計數(shù);IN為低電平時，保留計數(shù)值，直至IN再次為高電平時從零開始計數(shù)。

4.2 PLC程序實現(xiàn)

程序實現(xiàn)時，需在進入中斷服務程序后，將IN設為低電平，讀取計數(shù)值，再將IN設為高電平實現(xiàn)脈沖計數(shù)。PLC程序在掃描周期最后集中刷新數(shù)字量I/O口，此時需執(zhí)行IORF指令，使輸入口IN馬上有效。程序框架如圖5所示。

在人機界面設置速度，0～2 500 r/min的情況下電機速度響應曲線，如圖6所示。在電機運行中，PLC高速計數(shù)模塊測量電機速度負反饋，輸入PI控制模塊，計算獲得速度控制信號，并由RS-485輸出至變頻器，實現(xiàn)對電機轉速的良好調(diào)節(jié)。結合速度曲線分析顯示，響應時間為0.02 s，振蕩幅度很小，穩(wěn)態(tài)速度可維持在2 500 r/min?；诖朔治隹傻?，基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)較好地完成了過程控制，且經(jīng)現(xiàn)場試運行顯示，PLC系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可較好的抵抗各種干擾，使用效果良好。

5 結束語

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，PLC技術愈加成熟，其在可靠性、功能性方面表現(xiàn)優(yōu)異，且由于編程簡單、維護方便，實現(xiàn)了大范圍的推廣應用。目前，PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用，可有效提高工作效率，降低故障發(fā)生率，實現(xiàn)電氣設備安全穩(wěn)定運行，獲得良好的社會經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 陳洪駿.電氣控制技術的發(fā)展趨勢分析[C].第十六屆中國航空測控技術年會論文集，2019.

[2] 李永健.基于PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用分析[C].北京大學經(jīng)濟管理學院.“決策論壇——管理科學與經(jīng)營決策學術研討會”論文集（下），2016.

[3] 郭江濤. PLC技術在電氣工程及其自動化控制中的運用分析[J].工程技術研究，2019，4（22）：50-51.