PLC技術(shù)在機械電氣控制裝置中的應(yīng)用

王 軍

（金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，南京 211156）

隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，現(xiàn)代建筑逐漸向智能化和自動化方向發(fā)展。人們開始追求低能耗和高舒適度的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)生活環(huán)境。將可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)應(yīng)用于機械電氣控制，能夠有效提高系統(tǒng)自動化控制效率、能力和水平。近年來，PLC技術(shù)日趨成熟，對機械電氣發(fā)展起到了十分重要的作用。

1 PLC技術(shù)

20世紀(jì)90年代以來，我國機械自動化技術(shù)處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，是我國自動化技術(shù)變革的高潮，控制系統(tǒng)形式豐富多樣，即第三次自動化技術(shù)革命，使得我國自動化技術(shù)實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。PLC技術(shù)是當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域備受關(guān)注的新型技術(shù)。該項技術(shù)將計算機技術(shù)和自動化技術(shù)融為一體，能夠儲存相關(guān)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)具體需求編寫相關(guān)程序，實現(xiàn)各種運算，并可在輸入程序模塊和輸出程序模塊之間建立有效鏈接，實現(xiàn)對機械電氣設(shè)備的有效控制。最開始應(yīng)用PLC技術(shù)是為了取代繼電器控制系統(tǒng)。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善，PLC技術(shù)應(yīng)用在機械電氣控制系統(tǒng)之初出現(xiàn)的大部分問題得到了有效解決，提升了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。PLC技術(shù)基本流程包括采樣輸入、輸出刷新以及自動化程序控制等。利用數(shù)據(jù)掃描方式進(jìn)行采樣，在完成采樣數(shù)據(jù)輸入后能夠自動進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出刷新。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PLC技術(shù)特點分析

2.1 提高工作效率

PLC技術(shù)兼具計算機技術(shù)與自動化技術(shù)兩者的優(yōu)點，能夠有效優(yōu)化機械電氣系統(tǒng)安裝流程，使得安裝方便快捷。使用PLC技術(shù)后，機械電氣設(shè)備由軟件編程來管控完成相應(yīng)命令，大幅降低了工作強度，解放操作工人的同時，改善了機械電氣設(shè)備運轉(zhuǎn)效果，大大提高了工作效率[1]。

2.2 兼容性較好

PLC技術(shù)具有較好的兼容性，能夠與多種技術(shù)完美融合。人們優(yōu)化機械電氣系統(tǒng)正是利用PLC技術(shù)具備良好的兼容性，將系統(tǒng)自身機械電氣設(shè)備用作輔助繼電器，減少系統(tǒng)導(dǎo)線連接，有效提升確?？刂葡到y(tǒng)反應(yīng)速度及效率。此外，它具備生產(chǎn)過程控制、數(shù)據(jù)處理和預(yù)算能力，加上能夠通過擴展對外模塊實現(xiàn)其他功能，因此具備很高的靈活性和可塑性，在工業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 抗干擾能力較強

傳統(tǒng)的機械電氣控制系統(tǒng)存在明顯的設(shè)計缺陷，很容易受到外界因素干擾。實際應(yīng)用中，人們往往將PLC技術(shù)與集成技術(shù)結(jié)合，采取隔離模塊設(shè)計形式。集成化后的控制系統(tǒng)可以接收海量數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化整個機械電氣運行流程，具備更強的抗干擾能力。

2.4 具備故障檢測功能

機械電氣控制系統(tǒng)在運行過程中不可避免會發(fā)生故障。PLC控制系統(tǒng)具有自我檢測功能，發(fā)現(xiàn)機械設(shè)備存在故障時，能夠在很短時間內(nèi)查找出故障發(fā)生部位并發(fā)出警報，并且能夠按照軟件提供的信息分析故障原因并反饋給工作人員，以便迅速采取措施，恢復(fù)機械電氣設(shè)備的正常運行。

2.5 推進(jìn)機電一體化發(fā)展

PLC設(shè)備體積小、重量輕、設(shè)計安裝方便、編程方式簡潔，加上信息化技術(shù)的不斷完善，使得PLC控制系統(tǒng)具備強大的運算速度，推進(jìn)了計算機技術(shù)和工業(yè)環(huán)境的深度融合，進(jìn)一步推進(jìn)了機電一體化發(fā)展。

3 PLC技術(shù)控制類型

3.1 集散型控制

集散型控制是指將分散在不同區(qū)域內(nèi)的多臺機械電氣設(shè)備根據(jù)需求采取分開方式進(jìn)行管理和控制，利用計算機技術(shù)、控制技術(shù)以及通信技術(shù)將其有效連接，從而實現(xiàn)對分散控制點的集中控制。此控制方式中，所有分散部分全部通過通信線路相連接，借助計算機強大的控制功能實現(xiàn)集中控制。各機械設(shè)備既具有獨立分散性，又具有歸并集中性，不僅能夠有效避免機電設(shè)備過于分散難以控制的問題，還能夠有效規(guī)避因某一機電設(shè)備故障引發(fā)整個控制系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險。

3.2 總線型控制

此種控制方式在PLC技術(shù)中最常見，是把機械電氣部分設(shè)備與計算機網(wǎng)絡(luò)直接連接來實現(xiàn)機械電氣設(shè)備自動化控制。這種控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)信息數(shù)據(jù)雙向傳輸，利用總線將控制節(jié)點、現(xiàn)場機械設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)整合為一個有機整體，實現(xiàn)就診管理控制。它的結(jié)構(gòu)形式簡單、控制方式靈活、功能豐富多樣以及應(yīng)用成本低廉，對提升企業(yè)經(jīng)濟效益具有十分重要的作用[2]。

4 PLC技術(shù)在機械電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 PLC技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信功能開發(fā)

網(wǎng)絡(luò)通信是PLC技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。它的技術(shù)原理是將PLC連接因特網(wǎng)，使其具備網(wǎng)絡(luò)通信功能。為強化PLC功能，可以在PLC系統(tǒng)里內(nèi)置Web服務(wù)器。當(dāng)前，許多科技公司投入大量資源開展研究，希望可以將PLC與因特網(wǎng)及Web連接，獲取更多技術(shù)支持?？萍脊就瞥鲈S多新型產(chǎn)品，有的產(chǎn)品提升了連接速度，有的產(chǎn)品實現(xiàn)了多軌道運行，有的產(chǎn)品優(yōu)化了連接操作系統(tǒng)，有的產(chǎn)品實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)視和動態(tài)訪問。

采用企業(yè)提供的大豆制品配方，在上一步最優(yōu)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別加入0.010%，0.015%，0.020%，0.025%，0.030%的焦亞硫酸鈉，滅菌保溫后進(jìn)行顏色檢測，計算樣品得分。以企業(yè)原始配方的大豆制品作為空白對照。

4.2 開關(guān)量邏輯控制

PLC技術(shù)運行基礎(chǔ)是實現(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制，也就是用PLC技術(shù)取代繼電器來控制電路邏輯。當(dāng)PLC技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)量邏輯控制時，能夠不僅僅只針對某一臺設(shè)備進(jìn)行控制，而是將其接入整個生產(chǎn)工藝流程，協(xié)調(diào)控制多臺不同的機電設(shè)備，實現(xiàn)高質(zhì)量的一致協(xié)調(diào)性。

4.3 運動控制

PLC技術(shù)可以實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的直線運動或者圓周運動，通過控制運動模塊規(guī)劃機械設(shè)備運行規(guī)律和距離，運用多軸節(jié)點控制模塊驅(qū)動步進(jìn)電氣控制器，實現(xiàn)對機械設(shè)備規(guī)律性和重復(fù)性運行動作的控制。

4.4 故障排查

PLC技術(shù)應(yīng)用于機械電氣設(shè)備控制系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)可以動態(tài)檢測設(shè)備運行狀態(tài)，并將其形成信息反饋給相關(guān)工作人員。工作人員根據(jù)實時數(shù)據(jù)判定當(dāng)前每臺設(shè)備的運行狀態(tài)是否正常。當(dāng)其中某臺設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會及時發(fā)出警報，提醒工作人員檢查維修相關(guān)的電氣設(shè)備。PLC控制系統(tǒng)反饋的具體信息，有助于工作人員準(zhǔn)確找到機械故障并進(jìn)行快速維修，大大縮短了故障排查時間，提高了維修效率[3]。

4.5 生產(chǎn)變量控制

生產(chǎn)變量控制就是控制生產(chǎn)過程中的模擬量。實際生產(chǎn)過程中，變量直接影響整個生產(chǎn)過程，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率。一般來說，生產(chǎn)線變量繁多且難以預(yù)測[4]。運用PLC控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變量的有效控制，使其處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，保障生產(chǎn)過程的高效穩(wěn)定運行。

5 PLC技術(shù)應(yīng)用實例分析

5.1 在煤炭機械電氣設(shè)備自動化控制中的應(yīng)用

當(dāng)前，我國煤炭生產(chǎn)過程中很多機械電氣設(shè)備應(yīng)用了PLC技術(shù)。本文以選煤控制系統(tǒng)PLC技術(shù)應(yīng)用為例進(jìn)行分析?；赑LC技術(shù)的選煤控制系統(tǒng)，整體框架見圖2。PLC控制系統(tǒng)選取西門子S7-300，子系統(tǒng)包括原煤生產(chǎn)系統(tǒng)、上煤系統(tǒng)、返煤系統(tǒng)和外調(diào)煤系統(tǒng)。利用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）完成對整個系統(tǒng)的控制，涵蓋狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)顯示、運行控制和閉環(huán)控制等內(nèi)容。

圖2 選煤控制系統(tǒng)框架

5.1.1 檢測控制功能

一方面，PLC系統(tǒng)實時收集生產(chǎn)過程的參數(shù)與數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理分析后調(diào)整自動執(zhí)行裝置，通過顯示設(shè)備向工作人員傳遞相關(guān)信息。另一方面，PLC系統(tǒng)控制所有監(jiān)測設(shè)備，動態(tài)接收檢測設(shè)備傳輸?shù)男盘?，通過合理設(shè)置報警信號，實時記錄故障信息，并且能夠保存故障發(fā)生部位、時間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。當(dāng)故障發(fā)生時，PLC系統(tǒng)利用聲音報警和監(jiān)測窗口文字顯示通知操作人員[5]。

該系統(tǒng)軟件具備如下功能：一是各子系統(tǒng)按照工作順序來控制，單個子系統(tǒng)保護由主控制系統(tǒng)統(tǒng)籌；二是自動控制和測量壓重介質(zhì)，有效減少進(jìn)入重介循環(huán)系統(tǒng)的煤泥含量；三是控制上位機來顯示所有設(shè)備信息，如參數(shù)配置、運行狀態(tài)等；四是分析設(shè)備信號類型及自身需求，將控制深度進(jìn)行等級劃分。通常控制深度分為三級，其中三級為“顯示”，二級為“顯示+報警”，一級為“顯示+報警+聯(lián)鎖”。

5.1.3 應(yīng)用程序

選煤系統(tǒng)應(yīng)用程序框架，見圖3。OB 101與OB 102共同構(gòu)成啟動模塊，儲存煤礦產(chǎn)量數(shù)據(jù)、液位參數(shù)和地址設(shè)定等相關(guān)信息。啟動選煤控制系統(tǒng)時，率先調(diào)用此模塊。定時中斷模塊分為兩部分：一是為OB 38模塊，設(shè)定定時缺省時間為10 ms；二是為OB 34模塊，設(shè)定定時缺省時間為200 ms。這兩個模塊定時參數(shù)均為可調(diào)。需要注意，循環(huán)掃描模塊內(nèi)只有OB 01模塊。

圖3 應(yīng)用程序框架

5.1.4 上位機

在上位機工作站中安裝有監(jiān)控軟件和操作系統(tǒng)，通過顯示設(shè)備來監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并進(jìn)行故障診斷排查。PLC接收系統(tǒng)將運行過程數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)傳輸至上位機。上位機的系統(tǒng)功能主要包括控制子系統(tǒng)的運行次序、控制系統(tǒng)的運行過程、采集系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、記錄故障報警事件處理過程及實際操作、實時顯示系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)信息、對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析及仿真畫圖、形成生產(chǎn)過程模型圖和變量趨勢等。

5.1.5 通信網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)采用西門子SIMATIC NET完成通信，總線結(jié)構(gòu)采取Profibus，大幅減少了現(xiàn)場管線鋪設(shè)量，減少了成本費用和安裝工作量，與傳統(tǒng)控制模式相比總體成本降低30%～40%。

5.2 集控系統(tǒng)功能

5.2.1 操作功能

操作功能主要包含兩部分內(nèi)容。一是事故停車。急停按鈕能夠使來煤方向車輛緊急停止而不影響其他設(shè)備。出現(xiàn)事故時，工作人員根據(jù)事故嚴(yán)重程度決定是否按下此按鈕。二是正常停車。按下啟動按鈕，發(fā)出預(yù)告信號，此信號在無事故發(fā)生時會持續(xù)1 min。發(fā)送成功后，設(shè)備車按逆煤方向啟動設(shè)備車。一旦出現(xiàn)故障，按下禁止啟動按鈕，結(jié)束預(yù)告信號發(fā)送，待故障處理完成后，按下解禁按鈕再次啟動設(shè)備車。

5.2.2 就地箱功能

設(shè)置就地箱是為了方便及時調(diào)試檢修系統(tǒng)，確保系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。就地箱安裝有就地和集中功能按鈕，能夠有效控制就地停止與啟動，還能夠完成集控系統(tǒng)停止和啟動。

5.2.3 保護功能

PLC系統(tǒng)接入配電盤熱繼電器常開端，是為了保護系統(tǒng)。例如：一旦出現(xiàn)過流過熱現(xiàn)象，系統(tǒng)會停止生產(chǎn)，以便相關(guān)工作人員根據(jù)系統(tǒng)反饋的故障原因及時處理；皮帶跑偏超限時，跑偏開關(guān)會自動打開。為確保系統(tǒng)運行安全，預(yù)防事故的發(fā)生，可以根據(jù)實際情況加裝堆煤檢測開關(guān)。

5.3 原料位置檢測

采取高精度超聲波測量儀器（精度可達(dá)毫米級）對煤倉中煤礦位置展開測量，滿足煤倉原料位置檢測需求。每個煤倉內(nèi)設(shè)置測試探頭，其上安裝超聲波傳感器，利用回聲定位原理實現(xiàn)測量，通過計算可以得出煤礦原料位置狀態(tài)對比信息。

6 結(jié)語

PLC技術(shù)對機械電氣設(shè)備控制系統(tǒng)有著十分明顯的優(yōu)化作用，能夠有效降低故障發(fā)生概率，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)穩(wěn)定性，因此應(yīng)當(dāng)大力推廣PLC技術(shù)應(yīng)用，促進(jìn)行業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展。