PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用研究

石勝利

山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東日照，276800

0 引言

相比于傳統(tǒng)的繼電器，PLC具有功能強(qiáng)大、適應(yīng)性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域被普遍推廣和使用。該系統(tǒng)在工業(yè)電氣設(shè)備中的應(yīng)用，不僅提高了作業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)省了大量的人力資源成本，同時(shí)也推進(jìn)了我國(guó)工業(yè)電氣自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程。特別是在近幾年，經(jīng)過廣大科技研發(fā)人員的不懈努力，PLC系統(tǒng)的各項(xiàng)性能得到了有效改善，在工業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用效果也逐步凸顯出來。

1 PLC概述

1.1 PLC結(jié)構(gòu)組成

PLC主要由CPU模塊、I/O模塊、編程器以及電源模塊等結(jié)構(gòu)組成。其中，CPU模塊是PLC系統(tǒng)的核心單元，包括中央處理單元與存儲(chǔ)器。中央處理單元由運(yùn)算器與控制器構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)由編程器輸入的用戶程序，對(duì)編程方法、編程過程是否正確進(jìn)行檢查，并且也具有系統(tǒng)診斷功能。而存儲(chǔ)器主要包括三種類型，即系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器以及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，不同類型的存儲(chǔ)器，所擔(dān)負(fù)的任務(wù)也有所不同。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器所儲(chǔ)存的內(nèi)容以系統(tǒng)程序?yàn)橹?，比如系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序、系統(tǒng)調(diào)用程序等；用戶程序存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)的內(nèi)容是指在系統(tǒng)調(diào)試階段產(chǎn)生的用戶程序；而工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器則是在PLC使用過程中發(fā)生的各類數(shù)據(jù)、數(shù)值等信息。

I/O模塊特指輸入接口與輸出接口，輸入接口主要接收兩種類型的輸入信號(hào)，一種是開關(guān)按鈕的開關(guān)量輸入信號(hào)，另一種是模擬量輸入信號(hào)。而輸出接口主要負(fù)責(zé)連接受控對(duì)象的各種執(zhí)行元件，比如電磁閥、調(diào)節(jié)閥等裝置[1]。

編程器作為PLC的外圍設(shè)備，主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶程序、調(diào)試程序以及監(jiān)控程序的編譯與處理。目前，較為常用的編程器主要包括簡(jiǎn)易編程器與圖形編程器，簡(jiǎn)易編程器價(jià)格低廉、占用空間小，多用于一些小型的PLC，但是在使用這種類型的編程器時(shí)，需要聯(lián)機(jī)以后才能進(jìn)行編程操作。而圖形編程器則自帶一個(gè)顯示屏，可以利用指令語句編程，也可以用梯形圖進(jìn)行編程，因此在脫機(jī)與聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，都可以完成編程任務(wù)。近年來，隨著PLC聯(lián)網(wǎng)功能的日漸完善，一種新型的編程方式受到編程人員的普遍青睞，即計(jì)算機(jī)輔助編程，這種利用計(jì)算機(jī)載體進(jìn)行編程的方式不僅編程量大，而且編程效率高。

電源模塊主要為PLC系統(tǒng)提供穩(wěn)壓電源，借助于該模塊可以將外部的供電電源轉(zhuǎn)變成PLC系統(tǒng)內(nèi)部中央處理單元、存儲(chǔ)器、編程器、I/O接口等電路工作所需的直流電源。一旦外部電源出現(xiàn)故障或者臨時(shí)斷電的情況，可以直接啟用鋰電池這一后備電源，來保障PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.2 PLC的工作原理

從圖1當(dāng)中可以看出，PLC系統(tǒng)的運(yùn)行工作過程主要包括三個(gè)階段，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，當(dāng)系統(tǒng)完成這三個(gè)階段的工作內(nèi)容則被稱作一個(gè)掃描周期。其中，輸入采樣階段主要是PLC系統(tǒng)以掃描的方式將所有輸入端輸入的開或關(guān)、ON或OFF、“0”或“1”等信號(hào)狀態(tài)讀入到輸入映象寄存器中，這一過程也被稱為輸入刷新。在用戶程序執(zhí)行階段，PLC系統(tǒng)對(duì)用戶程序按照一定的順序進(jìn)行掃描，一般按照先左后右、先上后下的順序進(jìn)行，這一期間，即便輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)程序執(zhí)行完畢，則直接進(jìn)入輸出刷新階段，這時(shí)，映象寄存器中輸出繼電器的狀態(tài)將直接轉(zhuǎn)存到輸出鎖存寄存器，然后對(duì)用戶輸出設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)輸出刷新階段的工作任務(wù)完成以后，即完成了一個(gè)掃描周期。

圖1 PLC系統(tǒng)工作原理示意圖

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

2.1 可靠性高

在PLC系統(tǒng)當(dāng)中，I/O接口電路全部采用光電隔離，使工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部的電路之間形成了一道隔離層，這就給PLC系統(tǒng)內(nèi)部組件提供了安全保障。而系統(tǒng)的各個(gè)模塊均采取了較好的屏蔽措施，使得PLC系統(tǒng)的抗輻射能力顯著增強(qiáng)。另外，對(duì)于大型PLC系統(tǒng)來說，多數(shù)采用雙CPU的冗余系統(tǒng)或者三CPU的表決系統(tǒng)，在這種情況下，PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定性能夠得到可靠保障。

2.2 安裝調(diào)試便捷，維修耗時(shí)短

由于PLC被統(tǒng)一安裝在各種電氣設(shè)備當(dāng)中，因此，PLC完全可以脫離機(jī)房，而在各種作業(yè)條件下運(yùn)行，工作人員在安裝PLC及相應(yīng)的接口電路時(shí)，只需要在作業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)即可完成。另外，一旦PLC的內(nèi)部元器件出現(xiàn)故障，自診斷模塊可以第一時(shí)間發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)，這樣終端操作人員便可以快速查找出故障的所在位置，為故障排除節(jié)省了大量時(shí)間。

2.3 編程簡(jiǎn)單，I/O接口多

PLC系統(tǒng)的編程模式主要以梯形圖為主，在編程過程中，只需要編程人員輸入簡(jiǎn)單的代碼即可，而無需專業(yè)的計(jì)算機(jī)知識(shí)與編程知識(shí)，這不僅節(jié)省了編程時(shí)間，并且編程人員也更容易掌握編程技巧。另外，PLC系統(tǒng)的I/O接口較多，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不同信號(hào)的傳輸需要，比如交流信號(hào)、直流信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)、脈沖信號(hào)等，這些信號(hào)的傳輸載體都可以和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、電磁線圈、控制閥等設(shè)備直接相連，進(jìn)而給PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障[2]。

3 PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的具體應(yīng)用

3.1 PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床是機(jī)械加工領(lǐng)域一種常見的應(yīng)用型設(shè)備，該設(shè)備融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及PLC技術(shù)，使得機(jī)械加工流程得到進(jìn)一步優(yōu)化，產(chǎn)品的加工精度也得到進(jìn)一步提升。由于PLC系統(tǒng)具有可靠性高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，其已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)。

3.1.1 PLC系統(tǒng)的配置方式

PLC系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的配置方式主要包括四種類型。

第一種是將PLC安裝在機(jī)床側(cè)，專門用于完成傳統(tǒng)繼電器的邏輯控制，如圖2所示。這種配置方式的工作原理是：PLC與數(shù)控系統(tǒng)之間主要借助于I/O接口來完成信息的交換過程，然后向機(jī)床發(fā)出執(zhí)行指令，使機(jī)床完成與口令相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，比如切削動(dòng)作、銑鏜動(dòng)作、磨削動(dòng)作等。這種配置方式往往需要多條連線，因此，連線過程較為復(fù)雜，并且極易發(fā)生混線的情況。

圖2 機(jī)床側(cè)的配置方式

第二種配置方式是將PLC系統(tǒng)內(nèi)裝，即PLC只有M根連線與機(jī)床相連，機(jī)床與PLC系統(tǒng)之間的信息交換過程只需要在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部完成。因此，這種配置方式不存在N根連線，這既可以節(jié)約大量的投入成本，同時(shí)也給維修工作提供了諸多便利。

第三種配置方式是使PLC屬于獨(dú)立一個(gè)結(jié)構(gòu)，通常安裝在靠近CNC的位置，或者數(shù)控機(jī)床使用內(nèi)置PLC，機(jī)床與PLC之間的信息交換過程需要通過安裝在機(jī)床側(cè)的I/O模塊來完成。相比于前兩種配置方式，這種方式多適用于一些中型及大型的數(shù)控機(jī)床當(dāng)中，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于接線少、可靠性高。

而第四種配置方式則完全屬于獨(dú)立型的PLC，機(jī)床與PLC系統(tǒng)之間的信息交換過程直接通過通信線來完成，這種配置方式省去了M與N根接線，并且信息交換量大幅增長(zhǎng)。

3.1.2 實(shí)現(xiàn)了BCD二進(jìn)制編碼撥盤數(shù)據(jù)輸入

BCD二進(jìn)制編碼撥盤數(shù)據(jù)輸入的實(shí)現(xiàn)完全依靠于PLC系統(tǒng)的功能指令，在數(shù)控機(jī)床當(dāng)中，BCD二進(jìn)制編碼撥盤屬于一個(gè)數(shù)據(jù)輸入裝置，在撥盤上面一共有10個(gè)標(biāo)記數(shù)字的位置，分別標(biāo)注了0-9的數(shù)字，每一個(gè)撥盤代表一位十進(jìn)制數(shù)據(jù)；如果輸入的數(shù)據(jù)位數(shù)較多，則可以采取多片BCD碼撥盤并聯(lián)的方式完成。由于設(shè)置了BCD碼撥盤裝置，因此在配置PLC系統(tǒng)時(shí)，無需再設(shè)計(jì)數(shù)碼輸入顯示電路，這就使得PLC內(nèi)部的硬件電路大幅減少，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的譯碼電路的功能原理也變得更加簡(jiǎn)單；在這種情況下，電機(jī)步數(shù)將相應(yīng)遞減。為了便于數(shù)據(jù)輸入，使PLC能夠快速處理各種數(shù)據(jù)信息，通常在數(shù)控機(jī)床操作端增設(shè)一個(gè)輸入鍵，這就給操作人員節(jié)省了大量的數(shù)據(jù)輸入時(shí)間，進(jìn)而提升了作業(yè)生產(chǎn)效率。

3.1.3 外部元件故障的自檢測(cè)

相比于傳統(tǒng)的繼電器，PLC系統(tǒng)本身具有高可靠性，因此，一旦數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障，則首先可以排除PLC系統(tǒng)，繼而去查找外部元器件的故障隱患。比如數(shù)控機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行過程中，行程開關(guān)觸點(diǎn)的熔焊與氧化分別對(duì)應(yīng)的故障類型是短路與開路故障，這兩種故障類型并不屬于PLC系統(tǒng)本身的故障內(nèi)容，但是自檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別出故障發(fā)生的位置，然后可以向終端操作系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)。在這種情況下，機(jī)床維修人員能夠快速判斷出故障原因，并采取針對(duì)性的補(bǔ)救與維修措施來排除故障隱患，由此可見，在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用PLC技術(shù)能夠最大限度地降低系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。

3.2 PLC在火電廠控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.2.1 在鍋爐補(bǔ)給水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

火電廠鍋爐補(bǔ)給水處理控制系統(tǒng)主要擔(dān)負(fù)著水汽往復(fù)循環(huán)的職責(zé)，但是當(dāng)水汽經(jīng)過管道時(shí)，極易出現(xiàn)蒸發(fā)與泄漏的情況，這就浪費(fèi)了大量的水汽，而PLC在該系統(tǒng)中的應(yīng)用則扭轉(zhuǎn)了這一局面。比如在應(yīng)用PLC技術(shù)之前，系統(tǒng)當(dāng)中的陰、陽離子交換器一般由11～13個(gè)閥門控制，運(yùn)行時(shí)間在24小時(shí)左右，還原時(shí)間介于100～130min之間；而每一臺(tái)混合離子交換器則由17個(gè)閥門控制，運(yùn)行時(shí)間是陰、陽離子交換器的3倍，還原時(shí)間則為140min。從交換器的運(yùn)行時(shí)間與還原時(shí)間可以看出，傳統(tǒng)的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)操作繁瑣，運(yùn)行流程極為復(fù)雜，并且單位時(shí)間內(nèi)的補(bǔ)水量較大，在這種情況之下，鍋爐中的除鹽系統(tǒng)將始終處于切換動(dòng)作，無形當(dāng)中就增加了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的工作量，而且人為誤操作現(xiàn)象也頻頻發(fā)生。而采用PLC系統(tǒng)以后，補(bǔ)給水與除鹽系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與智能化控制，不僅減少了人為失誤現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也給火電廠節(jié)省了大量的生產(chǎn)成本[3]。

3.2.2 在鍋爐吹灰控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

吹灰系統(tǒng)主要是對(duì)鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器等受熱裝置的表面及內(nèi)部結(jié)渣與積灰進(jìn)行清理，在執(zhí)行清理工序時(shí)，一般采取降壓蒸汽法，為了防止高溫吹灰燒損吹灰器，通常用水作為介質(zhì)來進(jìn)行降溫處理。在執(zhí)行吹灰工序時(shí)，首先啟動(dòng)吹灰用的汽源，然后再將吹灰器推進(jìn)爐膛或者煙道內(nèi)，當(dāng)吹灰工序結(jié)束后，吹灰器將自動(dòng)退出爐膛。但是，過去鍋爐吹灰裝置的控制模式主要依靠繼電器來完成，如果鍋爐體積較大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生灰渣數(shù)量較大，吹灰裝置的吹灰效果也將不盡如人意。比如吹灰器的安裝位置多處于鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器、空氣預(yù)熱器等裝置的兩側(cè)爐墻上，而吹灰所使用的蒸汽一般采用過熱蒸汽或者再熱蒸汽，總閥門通常安裝在蒸汽總管道上面，進(jìn)氣閥門與疏水閥門則安裝在分支蒸汽管道上面；這種布置形式對(duì)吹灰效果將產(chǎn)生諸多不利影響，尤其在執(zhí)行順序操作程序時(shí)，完成難度極高。因此，應(yīng)用PLC系統(tǒng)以后，能夠?qū)γ恳坏来祷夜ば蜻M(jìn)行順序控制，在這種情況下，吹灰系統(tǒng)清理灰渣與積塵的效果將體現(xiàn)得尤為明顯[4]。

3.2.3 在鍋爐定期排污控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

定期排污主要結(jié)合鍋爐內(nèi)部的水質(zhì)狀況而定，如果水質(zhì)差，則需要縮短定期排污時(shí)間；如果水質(zhì)優(yōu)良，則可以適當(dāng)延長(zhǎng)定期排污時(shí)間。在排污過程中，與鍋爐下聯(lián)箱相連的排污閥門將含鹽量較高的鍋爐水排出，這既可以降低水體鹽分，同時(shí)也能夠提升鍋爐蒸汽的品質(zhì)。由于鍋爐運(yùn)行過程中產(chǎn)生的含鹽成分的污水量較大，因此，鍋爐排污閥門的數(shù)量較多，一般情況下，都能夠達(dá)到20個(gè)左右。其安裝位置多處于鍋爐的底端，但是，由于鍋爐底端所接觸的環(huán)境條件較為惡劣，需要操作人員及時(shí)對(duì)排污閥門進(jìn)行清理，這就大大增加了勞動(dòng)量，并且排污效果也將受到嚴(yán)重影響。而應(yīng)用PLC系統(tǒng)以后，鍋爐的定期排污實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與智能化控制，并且該系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高，對(duì)鍋爐定期排污控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)化控制，這不僅減少了人工操作的工作量，并且排污效果也更好地凸顯了出來。

4 結(jié)語

通過對(duì)PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中應(yīng)用效果的分析可以看出，PLC系統(tǒng)強(qiáng)大的自動(dòng)控制功能，不僅推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展進(jìn)程，并且也給國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐?；诖?，廣大科技研發(fā)人員應(yīng)對(duì)PLC系統(tǒng)的性能持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，在提高工業(yè)電氣自動(dòng)化水平的同時(shí)，為我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)總值的持續(xù)增長(zhǎng)作出新的、更大的貢獻(xiàn)。