基于PLC 技術(shù)的電氣控制應(yīng)用研究

王 熊

（寧波家聯(lián)科技股份有限公司， 浙江 寧波 315200）

0 引言

PLC 技術(shù)屬于當前電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣的一項技術(shù)，具有諸多優(yōu)勢，而且實用性強，近年來在電氣工程及其自動化領(lǐng)域突顯出越來越重要的作用。 企業(yè)將PLC 技術(shù)引入生產(chǎn)中能大幅提高生產(chǎn)效率， 而且也能減少人力資源。 為了更好地利用此項技術(shù)，應(yīng)加強對PLC 技術(shù)在電氣工程自動化領(lǐng)域的研究，不斷提高電氣控制自動化水平。

1 PLC 技術(shù)的概念與工作原理

PLC 技術(shù)是指通過可編程存儲器對邏輯控制器的有效編程，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。 電源、顯示板、內(nèi)存、CPU 主板等是構(gòu)成PLC 系統(tǒng)的主要元件。它的工作原理包括三步：①輸入采樣：這屬于PLC 系統(tǒng)的起始階段，通過掃描將數(shù)據(jù)信息傳入系統(tǒng)內(nèi)，并存儲在內(nèi)存中，也就是保存在I/O 映像區(qū)的單元內(nèi)。 在PLC 系統(tǒng)后續(xù)工作中I/O 映像區(qū)域內(nèi)的狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)保持不變，因此，在輸入脈沖信號時需要保證其寬度不小于一個掃描周期， 才能有效讀出輸入信息；②程序執(zhí)行：通常參照由下而上的順序掃描程序，PLC 系統(tǒng)也可以自動開展控制線路的邏輯運算，并根據(jù)運算結(jié)果刷新I/O 映像區(qū)域內(nèi)的保存狀態(tài)數(shù)據(jù)。 簡單來講，在執(zhí)行用戶程序的過程中，I/O 映像區(qū)域內(nèi)的輸入點狀態(tài)保持不變， 但其它輸出點的狀態(tài)數(shù)據(jù)將有所變化。 因此，在執(zhí)行程序的時候，使用立即I/O 指令后，可直接存取I/O 點信息；③輸出刷新：這屬于PLC 系統(tǒng)運行的最后一環(huán)。 待完成用戶程序掃描后，系統(tǒng)會自動進入輸出刷新階段。 根據(jù)I/O 映像區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信息，CPU 主板會自主刷新輸出鎖存電路，同時，利用輸出電路驅(qū)動相關(guān)外接設(shè)備[1]。

2 PLC 技術(shù)具有的優(yōu)點

2.1 反應(yīng)迅速

相較于傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)，PLC 技術(shù)的結(jié)構(gòu)更為簡單，去掉了部分導(dǎo)線，且能獨立完成全部運算。 另外，避免了傳統(tǒng)技術(shù)節(jié)點變位的問題，也無需考慮返還系數(shù)問題，因此，處理耗時少，反應(yīng)迅速，能極大提升生產(chǎn)效率[2]。

2.2 操作簡單

PLC 技術(shù)中涉及到的指令更加簡單、直觀，工作人員只需掌握操作界面的有關(guān)指令以及操作方法即可， 就能有效開展工業(yè)生產(chǎn)工作，可見，操作簡單。 同時，操作的便利性也降低了對工作人員的操作門檻， 無需通過專業(yè)化學習，只需進行簡單的培訓就能勝任工作。

2.3 安全可靠

工業(yè)生產(chǎn)車間大多環(huán)境復(fù)雜， 除了強調(diào)生產(chǎn)效率以外，也更關(guān)注生產(chǎn)安全問題，切實保障生產(chǎn)人員的生命安全。 不同于傳統(tǒng)繼電器，PLC 技術(shù)發(fā)生故障的幾率非常小，其抗干擾能力正不斷增強，系統(tǒng)的安全性得到了有效提升。 因此，PLC 技術(shù)的安全性較好，為電氣生產(chǎn)設(shè)備的有效運行提供了安全保障。

2.4 擁有完善的技術(shù)功能

PLC 技術(shù)的適應(yīng)性非常好，伴隨科技的發(fā)展，PLC 技術(shù)也得到不斷的完善。PLC 技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到有效融合， 也大幅提高了PLC 系統(tǒng)的控制性能，使其具備更強大的技術(shù)功能。

3 PLC 技術(shù)在自動化電氣控制領(lǐng)域中的應(yīng)用模式

3.1 閉環(huán)控制中的應(yīng)用模式

在自動化電氣控制系統(tǒng)內(nèi)啟動電機的方式有很多，常見的包括手動方式、自動方式。 若使用自動啟動方式，可應(yīng)用PLC 技術(shù)達到閉環(huán)控制的目的。比如，在溫控系統(tǒng)中利用熱電偶測試加熱爐的溫度， 由溫度變送器將熱電偶的相關(guān)輸出電信號處理為標準量程電流， 之后傳送至模擬量輸入模塊， 通過A/D 轉(zhuǎn)換處理后就能得到與溫度成比例的數(shù)值[3]。CPU 主板將計算出的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的溫度數(shù)值進行比對，并根據(jù)PID 控制算法開展誤差分析，獲得運算結(jié)果后再傳輸至輸出模塊， 然后通過D/A 轉(zhuǎn)換處理后得到電流信號，見圖1。 這樣就能達到自動控制電動調(diào)節(jié)閥開度的目的，實現(xiàn)閉環(huán)控制。這種控制方式的優(yōu)勢在于能夠?qū)㈤]環(huán)內(nèi)的相關(guān)干擾因素控制好， 從而確保被控量能無限接近給定值。 另外， 可直接使用PID 控制器，將其作為閉環(huán)控制器，因為它的結(jié)構(gòu)簡單，不涉及到數(shù)學模型，使用簡便，而且靈活性好，從而將閉環(huán)控制過程加以簡化。

圖1 閉環(huán)控制圖Fig.1 Closed loop control diagram

3.2 在順序控制中的應(yīng)用模式

電氣工程自動化運行過程中對生產(chǎn)流程會嚴加管控， 以保障生產(chǎn)的穩(wěn)定與安全。 利用PLC 技術(shù)可優(yōu)化生產(chǎn)流程，實現(xiàn)自動化控制。 將PLC 技術(shù)作為自動定序器，實現(xiàn)對序列的自動排序，用戶處理步驟減少，從而提高了工作效率，也減少了過程中的浪費成本，見圖2。 順序控制就是一種自動程序，由主程序與通用模塊組成[4]。 在實際應(yīng)用中借助遠程控制程序就能對設(shè)備進行自動控制。PLC 技術(shù)在這方面又可以劃分為現(xiàn)場傳感、遙控、順序控制主副站等技術(shù)。比如，在火電廠中每天都會形成很多生產(chǎn)殘渣，過去主要依靠人工處理，工作效率低下，并且伴有不少安全風險。 引入PLC 技術(shù)后通過傳感器系統(tǒng)就能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部存在的很多殘留物， 并利用相關(guān)設(shè)施對其進行集中自動清洗。 這樣將發(fā)電系統(tǒng)中的雜質(zhì)及時有效清除掉，也確保了發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，極大提升了火電生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性。

圖2 PLC 順序控制圖Fig.2 PLC sequence control diagram

3.3 在開關(guān)量控制中的應(yīng)用模式

數(shù)字開關(guān)量對于電氣工程及其自動化控制來說是非常重要的。傳統(tǒng)的電氣工程自動化控制設(shè)備自身線路非常復(fù)雜，在維修期間往往需耗費大量的時間，而且維護難度大，在一定程度上影響到設(shè)備的正常工作效率[5]。 利用PLC技術(shù)實現(xiàn)對開關(guān)量的控制， 并采用數(shù)字編程的方法可以提高開關(guān)量控制的可靠性及穩(wěn)定性。 通過PLC 技術(shù)控制開關(guān)量能夠檢測到設(shè)備系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)， 然后自動調(diào)節(jié)電流大小，確保設(shè)備能有效運行，并使開關(guān)保持低檔狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)保持高速工作狀態(tài)，甚至大于額定功率，開關(guān)量控制系統(tǒng)就會跳轉(zhuǎn)到輔助電源選項，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)額定電壓，從而保障機電系統(tǒng)的安全性。另外，PLC技術(shù)在開關(guān)量控制中的應(yīng)用， 也可以對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，并及時預(yù)警故障問題，自動加以處理，還能記錄好相關(guān)故障信息，加以保存，為日后的故障分析與系統(tǒng)維護提供有效的依據(jù)。

3.4 在數(shù)據(jù)控制方面的應(yīng)用模式

數(shù)據(jù)控制屬于電氣工程及其自動化控制領(lǐng)域中主要環(huán)節(jié)之一。 就數(shù)據(jù)控制而言，包括統(tǒng)計控制、數(shù)學控制兩種。利用PLC 技術(shù)可有效提升數(shù)據(jù)控制水平。該技術(shù)可全面分析電氣工程自動化系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并針對實際情況形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)控制指令， 達到自動化管控的目的[6]。通過PLC 技術(shù)進行簡單的編程就能過濾數(shù)據(jù)。 掃描設(shè)備內(nèi)的梯形圖后，系統(tǒng)就能得到需要的數(shù)據(jù)信息，并采用編程的方式對數(shù)據(jù)加以處理。 這一過程極大簡化了繁瑣應(yīng)用流程，也充分發(fā)揮出PLC 技術(shù)的優(yōu)勢，能夠滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的需要。

4 PLC 技術(shù)在電氣自動化控制設(shè)備中的應(yīng)用

4.1 在電力電氣自動化控制設(shè)備中應(yīng)用

電力工程是一個龐大的工程， 涉及到的系統(tǒng)復(fù)雜且多，常見的包括水處理系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)等。上述系統(tǒng)都需利用輔助系統(tǒng)加以管理。 伴隨國家對生態(tài)環(huán)境保護力度的加大，電力企業(yè)也積極探索綠色節(jié)能降耗技術(shù)，以獲得更好的綜合經(jīng)濟效益?；诖?，對輔助控制系統(tǒng)的功能要求就更高。 因此，在電力輔助控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC 技術(shù)，采用順序控制、 自動切換控制等方法對全部工作環(huán)節(jié)與流程加以優(yōu)化與協(xié)調(diào)，能有效提高生產(chǎn)控制效率[7]。比如，電力工程中的輸煤系統(tǒng)對電力企業(yè)的生產(chǎn)效率有著關(guān)鍵性影響，它的核心部分就是主站層，將接口技術(shù)與PLC 技術(shù)相融合，通過控制開關(guān)量就能對整個系統(tǒng)進行管理，既減輕了操作人員的工作壓力，也提升了工作效率。

4.2 在交通電氣自動化控制設(shè)備中的應(yīng)用

伴隨家庭車輛的不斷增多，交通擁堵問題更加突出。為此，需要對現(xiàn)有交通監(jiān)控系統(tǒng)加以改進，引入新技術(shù)，提高監(jiān)控效率與精準性。在交通電氣自動化控制設(shè)備中運用PLC 技術(shù)就能更精準控制交通信號，從而確保交通系統(tǒng)的有效運行，增強其可靠性。可以將PLC 技術(shù)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，提高交通監(jiān)控系統(tǒng)的智能化與自動化，實現(xiàn)對全部違規(guī)車輛的精準監(jiān)控，從而切實保障交通安全。

4.3 在空調(diào)電氣自動化控制設(shè)備中的應(yīng)用

就空調(diào)系統(tǒng)來說，其最核心的部分就是制冷系統(tǒng)，在制冷系統(tǒng)中也可引入PLC 技術(shù)。 制冷系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制模式包括兩種，一種屬于數(shù)字控制系統(tǒng)，擁有較高的智能化程度，但不足之處在于對抗外部干擾性能較差，從而制約了其應(yīng)用；另一種屬于繼電器控制系統(tǒng)，它的缺點較多，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為繁瑣，而且也經(jīng)常發(fā)生故障，現(xiàn)已快被淘汰。那么，把PLC 技術(shù)引入空調(diào)電氣自動化控制設(shè)備中可以實時監(jiān)控空調(diào)系統(tǒng)的工作情況， 便于及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題，并迅速解決，從而使空調(diào)系統(tǒng)能高效運行?？照{(diào)系統(tǒng)應(yīng)用PLC 技術(shù)后能提升系統(tǒng)的智能化程度，節(jié)約維護保養(yǎng)費用，因而已得到了大量的應(yīng)用。

4.4 在數(shù)控電氣自動化控制設(shè)備中的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域占有重要的地位， 主要用于機械加工。傳統(tǒng)的機床控制系統(tǒng)配備的是繼電器系統(tǒng)，其局限性在于工作效率不高，經(jīng)常發(fā)生故障，需要維修。而PLC 技術(shù)能避免上述問題，極大提升了自動化程度。近年來PLC 技術(shù)的點位控制模式已經(jīng)在孔加工機床中得到大量推廣，大幅提升了位置移動的精準性。在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用PLC 技術(shù)可以完成兩種控制： 一種屬于全功能數(shù)控裝置，盡管自動化水平較好，但需要高昂的費用；另一種屬于單板機控制， 這一控制模式是當前工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中應(yīng)用最多的一種，其主要優(yōu)點就是抗干擾性能好。傳統(tǒng)單片機經(jīng)常遭到外部干擾， 而單板機控制能輕松解決這一問題。此外，單板機控制需要結(jié)合具體的生產(chǎn)需求對機床功能加以調(diào)整，升級相關(guān)功能才能更好滿足生產(chǎn)需要。

5 PLC 技術(shù)在電氣控制領(lǐng)域中的完善措施

針對PLC 技術(shù)在應(yīng)用中存在控制出錯、 執(zhí)行動作出錯等問題，可重點從三方面加以完善：第一，提高輸入信號的可靠性。 輸入信號完不完整，可不可靠，都會對電氣控制系統(tǒng)操作造成影響。為此，必須確保輸入信號的可靠性。 使用符合相關(guān)標準，質(zhì)量合格的電氣設(shè)備系統(tǒng)配件，并對主界面功能進行優(yōu)化，增強信號接收能力；第二，建立完善的電氣設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)， 增強系統(tǒng)對突發(fā)狀況的應(yīng)對能力，做到及時預(yù)警，盡量減少損失；第三，對PLC 系統(tǒng)常見故障做好精準分類，便于日常檢修與維護管理，及時排除故障。

6 結(jié)束語

綜上所述，伴隨我國信息技術(shù)的快速發(fā)展，PLC 技術(shù)在很多行業(yè)都發(fā)揮出自身的優(yōu)勢， 其應(yīng)用范圍也大幅拓寬，不再局限于電氣工程領(lǐng)域。 為此，我們要深入研究此項技術(shù)，將其與電氣工程自動化控制實現(xiàn)充分結(jié)合，進一步提高電氣工程自動化控制水平。