電氣工程自動(dòng)化控制中PLC技術(shù)的應(yīng)用

賈聃 朱峰剛

[摘 ? ?要]對PLC技術(shù)的特點(diǎn)與工作流程進(jìn)行分析，闡述該技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用方法，該技術(shù)的應(yīng)用不但可創(chuàng)建新型電氣控制模型、調(diào)整適中程序、控制轉(zhuǎn)速測量裝置，還可在礦井提升機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)床電氣控制等領(lǐng)域應(yīng)用。最后對PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行研究，包括系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)方案與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面，應(yīng)用該系統(tǒng)對電氣控制水平提升具有重大意義。

[關(guān)鍵詞]電氣工程;自動(dòng)化控制;PLC技術(shù)

[中圖分類號]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–0–02

[Abstract]This paper analyzes the characteristics and working process of PLC technology， and expounds the application method of this technology in electrical automation. The application of this technology can not only create a new electrical control model， adjust the appropriate program， control the speed measurement device， but also be applied in the fields of mine hoist， air conditioning system， machine tool electrical control， etc. Finally， the design and application of PLC automatic electrical control system are studied， including system requirements， design scheme and application realization. Through the application of the system， it is of great significance to improve the level of electrical control.

[Keywords]electrical engineering; automatic control; PLC technology

現(xiàn)階段，PLC技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是指專項(xiàng)服務(wù)于工業(yè)環(huán)境中的可編程數(shù)字計(jì)算操作系統(tǒng)。該技術(shù)在微處理器基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等成為新型工業(yè)控制裝置，可自動(dòng)完成順序控制、計(jì)數(shù)、邏輯運(yùn)算等命令，并將存儲內(nèi)容利用模擬量傳輸，對各類機(jī)械生產(chǎn)進(jìn)行控制。在電子技術(shù)不斷成熟之下，PLC系統(tǒng)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步延展，擁有更為廣闊的發(fā)展空間。

1 PLC技術(shù)概述

1.1 技術(shù)特征

在工業(yè)生產(chǎn)中，PLC可通過模擬數(shù)據(jù)與編程等方式，使作業(yè)環(huán)境更加安全可靠。PLC系統(tǒng)自身存儲其可執(zhí)行邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)等操作，并依靠模擬量控制電機(jī)與器械，即便在復(fù)雜接線的控制器系統(tǒng)中應(yīng)用，也具有較強(qiáng)的可靠性。PLC以計(jì)算機(jī)和接觸器控制為基礎(chǔ)，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械觸電繼電器的弊端，利用邏輯關(guān)系替代以往導(dǎo)線線路，使節(jié)點(diǎn)變位時(shí)間幾乎為零，且無需考慮返回系數(shù)問題。同時(shí)，PLC系統(tǒng)的抗干擾力較強(qiáng)，適用于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中;該系統(tǒng)的指令形式簡單，操作難度小，逐漸替代傳統(tǒng)系統(tǒng)在電氣工程領(lǐng)域得到普及應(yīng)用。

1.2 基本工作流程

PLC是將計(jì)算機(jī)、通信與自控技術(shù)綜合應(yīng)用的新技術(shù)，在其工作中勢必要利用微處理器作為硬件基礎(chǔ)，該技術(shù)的工作流程為：①采集和輸入現(xiàn)場信息，在控制系統(tǒng)軟件程序操控下，執(zhí)行預(yù)編輯良好的指令針對現(xiàn)場輸入?yún)^(qū)進(jìn)行掃描，并對輸入?yún)^(qū)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評估;②根據(jù)特定功能執(zhí)行相應(yīng)程序，以用戶控制系統(tǒng)為依據(jù)，設(shè)置明確的程序指令，根據(jù)特定規(guī)則全方位掃描，再綜合考慮現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)、指令規(guī)定等內(nèi)容，實(shí)施邏輯運(yùn)算或分析;③對系統(tǒng)有效響應(yīng)過程進(jìn)行控制，采集執(zhí)行程序相關(guān)結(jié)果與運(yùn)算輸出結(jié)果，將二者輸入主機(jī)中，由主機(jī)向其他傳輸點(diǎn)發(fā)布信息，由此實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制的目標(biāo)。在上述過程完成后，新的過程控制行為將重新執(zhí)行，每執(zhí)行一次，便可完成一個(gè)工作周期。在實(shí)際應(yīng)用中，常常要求更多設(shè)備流程不間斷的運(yùn)作，而PLC的應(yīng)用剛好可滿足此種設(shè)備要求，且PLC程序語言模式通俗易懂，易編寫和修正，適用范圍廣闊，可有效縮短軟件開發(fā)時(shí)效，節(jié)約大量開發(fā)資金投入。

2 PLC在電氣工程自動(dòng)化中的應(yīng)用

當(dāng)前PLC技術(shù)不斷優(yōu)化完善，功能更加全面，在電氣設(shè)備控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可利用其創(chuàng)建新型電氣控制模型，調(diào)整適中程序，控制轉(zhuǎn)速測量裝置，還可在礦井提升機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)床電氣控制等領(lǐng)域應(yīng)用，取得理想的應(yīng)用成果。

2.1 創(chuàng)建新型電氣控制模型

在以往的電氣工程運(yùn)行中，應(yīng)用較多的是電磁性繼電器創(chuàng)建電路控制模型，使系統(tǒng)中的路線結(jié)構(gòu)與觸點(diǎn)數(shù)量滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。而應(yīng)用PLC技術(shù)后，可有效解決以往系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行方面存在的不足，并提出針對性解決措施。只有在確保自動(dòng)化開關(guān)量穩(wěn)定優(yōu)化的基礎(chǔ)上，才可從本質(zhì)上提升自控系統(tǒng)運(yùn)行完整度。此外，大部分自控企業(yè)均利用PLC中的自控模塊促進(jìn)管理機(jī)制的高效落實(shí)，達(dá)到更加良好的處理效果。在技術(shù)模型構(gòu)建方面，與傳統(tǒng)電路繼電器相比，PLC的應(yīng)用可節(jié)約更多繼電器反應(yīng)時(shí)間，將技術(shù)特點(diǎn)充分發(fā)揮出來，使生產(chǎn)環(huán)境更加安全。

2.2 調(diào)整適中程序

當(dāng)前，國內(nèi)控制技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入成熟階段，大部分企業(yè)的PLC技術(shù)均是作為順序控制器投入使用?；痣姀S與其他電廠中的除灰工序便要利用PLC完成除灰任務(wù)。在發(fā)電階段，電氣自動(dòng)化水平與除灰效率有著直接影響。為了達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可利用PLC技術(shù)幫助企業(yè)節(jié)約更多生產(chǎn)成本，通過控制適中程序降低勞動(dòng)力方面的投入，達(dá)到提高施工效率的目標(biāo)。

2.3 控制轉(zhuǎn)速測量裝置

在自動(dòng)化系統(tǒng)中，電機(jī)啟動(dòng)方式分為手動(dòng)、自動(dòng)與現(xiàn)場啟動(dòng)三種。通過PLC閉環(huán)控制的應(yīng)用可對不同類型調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速測量裝置進(jìn)行控制，如泵機(jī)啟動(dòng)、電機(jī)速度控制等，由此達(dá)成電氣自動(dòng)控制的目標(biāo)。在自動(dòng)化運(yùn)行中，可依據(jù)多種電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)選取合適的控制模式，采用PLC閉環(huán)控制使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全高效，設(shè)備自控水平得到顯著提升。

2.4 其他領(lǐng)域應(yīng)用

（1）機(jī)床電氣控制。在通用加工機(jī)床中，可對機(jī)械、液壓與電氣進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，電氣與液壓在特定時(shí)間內(nèi)相互配合常出現(xiàn)多樣化故障，為后期檢修增加難度。對此，可將PLC系統(tǒng)引入其中，替代以往以基礎(chǔ)漆為主體的控制裝置，操作者可快速準(zhǔn)確的掌控時(shí)間。在PLC技術(shù)應(yīng)用中，可有效預(yù)防設(shè)備故障的發(fā)生，構(gòu)建控制與檢測同步開展的綜合系統(tǒng)，取得理想的電氣控制效果。

（2）礦井提升機(jī)。在煤礦開采行業(yè)中，礦井提升機(jī)作為不可或缺的設(shè)備，可通過鋼絲繩牽引的方式使提升機(jī)在斜坡道中運(yùn)動(dòng)。PLC系統(tǒng)在提升機(jī)中的作用還可從調(diào)整轉(zhuǎn)速中體現(xiàn)出來;當(dāng)收到開車信號后，按下操作按鈕，PLC變頻器便會(huì)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)速，使提升機(jī)能夠高效投入工作中。為預(yù)防溜車情況發(fā)生，PLC系統(tǒng)還可利用直流制動(dòng)的方法進(jìn)行電機(jī)控制，此種調(diào)節(jié)方式產(chǎn)生的速度曲線不但可對提升機(jī)速度進(jìn)行檢驗(yàn)，使設(shè)備定位更加精準(zhǔn)，在操作方式上也更為靈活便捷。

（3）空調(diào)系統(tǒng)。從理論層面上看，中央空調(diào)在制冷系統(tǒng)控制中可采取以下措施，即繼電器、直接數(shù)字、可編程控制器。前兩種因自身缺陷無法彌補(bǔ)逐漸被淘汰，PLC編程控制因在操作便利性、可靠性、可維修性等方面占有明顯優(yōu)勢，當(dāng)前已經(jīng)成為中央空調(diào)系統(tǒng)的典型形式。

3 PLC自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)需求

在煤礦生產(chǎn)中，生產(chǎn)安全受內(nèi)外多項(xiàng)因素影響。主扇風(fēng)機(jī)中的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用情況對生產(chǎn)安全性具有直接影響。該系統(tǒng)可分為兩項(xiàng)內(nèi)容：①變電站檢測控制;②對風(fēng)機(jī)不同階段各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測。該系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需求如下：在運(yùn)行過程中能夠嚴(yán)格監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)，包括內(nèi)部風(fēng)量、壓強(qiáng)、風(fēng)速、甲烷濃度等，并對各項(xiàng)指標(biāo)對生產(chǎn)安全的影響程度自動(dòng)排序和記錄;對每臺風(fēng)機(jī)相關(guān)電量數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如功率、電壓、電流等，并及時(shí)提示異常數(shù)據(jù)并處理，有效避免突發(fā)事件發(fā)生，降低損失量。

3.2 設(shè)計(jì)方案

為了使該系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定高效，營造有利的硬件設(shè)計(jì)環(huán)境，需要制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各模塊功能進(jìn)行明確，使多個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)，達(dá)成系統(tǒng)運(yùn)行的總體目標(biāo)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下：

（1）輸入電路模塊。該模塊作為PLC系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，供電電源的適應(yīng)范圍應(yīng)合理恰當(dāng)。根據(jù)當(dāng)前自控系統(tǒng)的要求，需要強(qiáng)化電源抗干擾性，減少環(huán)境對電源運(yùn)行的影響，這便要安裝電源凈化原件，使電源濾波器、隔離變壓器等作用充分發(fā)揮出來。在后者應(yīng)用中，應(yīng)制定雙層隔離方案，構(gòu)建屏蔽層，減少外部環(huán)境高低頻脈沖產(chǎn)生的影響。在該模塊設(shè)計(jì)中，還應(yīng)控制電源容量，使電源短路得到有效防護(hù)，使電源系統(tǒng)更加穩(wěn)定安全運(yùn)行。

（2）抗干擾模塊。為避免外部因素對系統(tǒng)造成的干擾，可采用隔離方式。在此期間，可利用超隔離變壓器對高頻干擾進(jìn)行隔離，還可采用屏蔽方式阻斷干擾源傳播，提高系統(tǒng)整體抗感染能力。在實(shí)際應(yīng)用中，還可將PLC放入金屬柜中，該物體具有良好的磁場與靜電屏蔽性能。為降低系統(tǒng)運(yùn)行中的干擾度，布線分散模式的應(yīng)用可使不同強(qiáng)度的線路相互分離。

（3）輸出電路模塊。在輸出電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求完善電路設(shè)計(jì)體系，充分發(fā)揮晶體管的作用，對變頻器調(diào)速、控制信息進(jìn)行輸出。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，通過晶體管的應(yīng)用可有效提高PLC的控制效率。在低頻工作環(huán)境下應(yīng)合理選擇繼電器類型，以其為輸出的電路設(shè)備，工作流程較為簡單，具有較高的工程效益，有助于強(qiáng)化控制系統(tǒng)整體負(fù)載力。

3.3 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

通常情況下，PLC系統(tǒng)由系統(tǒng)和用戶兩項(xiàng)程序組成。前者的功能有三種，即將程序語言轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管控，并在設(shè)備故障時(shí)自動(dòng)檢測和診斷。后者屬于外部模式，對用戶可見，采用PLC語言編制程序進(jìn)行現(xiàn)場控制。在監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC的輸入量只顯示數(shù)字量，由傳感器對電流模擬量將溫度、壓力等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)數(shù)字。同時(shí)，因電動(dòng)機(jī)應(yīng)定期檢修，也屬于監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵內(nèi)容之一。通常情況下，從本質(zhì)上看系統(tǒng)故障監(jiān)測便是對傳感器狀態(tài)進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過警戒值便會(huì)立即報(bào)警，再啟動(dòng)診斷程序，檢驗(yàn)傳感器是否發(fā)生損壞。最后將故障檢測結(jié)果在上位機(jī)上展示出來，調(diào)度者可利用程序?qū)拘畔⑦M(jìn)行查詢，使故障得到及時(shí)有效的修復(fù)。

在PLC硬件系統(tǒng)應(yīng)用中，主要包括系統(tǒng)構(gòu)成與信號分析兩項(xiàng)內(nèi)容。主扇風(fēng)機(jī)控制以PLC與變頻技術(shù)為基礎(chǔ)，可利用變頻與調(diào)速的主扇風(fēng)機(jī)對上述系統(tǒng)進(jìn)行控制。然后，根據(jù)主扇風(fēng)機(jī)速度等判斷所需電動(dòng)機(jī)的數(shù)量，由此實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì)。同時(shí)，采用安裝在主扇風(fēng)機(jī)四周的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，獲得該設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行指標(biāo)，將檢測的數(shù)據(jù)傳遞給PLC，實(shí)現(xiàn)PLC對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算的目標(biāo)，制定與之相對的控制方案。后者的原理在于PLC啟動(dòng)后，由速度傳感器對主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的速度進(jìn)行監(jiān)測，將該信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，并將其輸入到PLC模擬量擴(kuò)展中，以此作為風(fēng)機(jī)真實(shí)速度值，再將該設(shè)備接收的信號與系統(tǒng)自身速度對比分析，并與其他數(shù)值對比后，對速度控制范圍內(nèi)電壓信號傳輸情況進(jìn)行判斷;由變頻器利用采集的信號調(diào)整電動(dòng)機(jī)速度，對設(shè)備數(shù)量與相關(guān)數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化控制的目標(biāo)。

4 結(jié)論

在計(jì)算機(jī)與控制技術(shù)不斷成熟之下，PLC技術(shù)理論體系日益完善，在工業(yè)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械觸電繼電器的弊端與不足，使控制系統(tǒng)更加安全可靠，不但可創(chuàng)建新型電氣控制模型，調(diào)整適中程序，控制轉(zhuǎn)速測量裝置，還可在礦井提升機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)床電氣控制等領(lǐng)域發(fā)揮自身價(jià)值，未來將獲得更加廣闊的發(fā)展空間。

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