探究PLC技術(shù)在電氣工程自動化控制中的應用

張梓奕

(湖南工程學院，湖南 湘潭 411100)

1 引言

PLC 又被稱為可編程邏輯控制器，在系統(tǒng)中可以作為儲存器，也具有編程的相關(guān)功能，是信息化技術(shù)發(fā)展的代表，具有顯著優(yōu)勢。在電氣工程自動化領(lǐng)域，PLC 技術(shù)改變了傳統(tǒng)的技術(shù)應用框架，顯著增強了自動化控制功能，產(chǎn)生深遠影響。因此，為更好地順應電氣工程項目的發(fā)展要求，應掌握PLC 技術(shù)的應用要點，充分發(fā)揮該技術(shù)的功能。

2 PLC技術(shù)分析

目前，PLC 技術(shù)可以依靠程序編寫、調(diào)整順序控制以及算法處理等功能操控電氣工程控制器，能夠滿足電氣工程自動化控制的功能。該技術(shù)在可編程中的性能顯著，可以根據(jù)自動化控制要求選擇具有響應速度快、兼容性強的內(nèi)核處理器，保證了系統(tǒng)功能。在數(shù)據(jù)傳輸中，該技術(shù)可以實時展示電氣工程的相關(guān)運行參數(shù)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過人機交互系統(tǒng)展示電氣工程運行的數(shù)據(jù)。同時，PLC 系統(tǒng)在運行過程中只需要提供5 V 電源供電即可，具有穩(wěn)定的運行效率，發(fā)生故障的概率低[1]。

從電氣工程自動化技術(shù)的應用現(xiàn)狀來看，在PLC 系統(tǒng)中可以通過圖像傳感器類攝像頭采集現(xiàn)場資料，相關(guān)數(shù)據(jù)可以在320×240 的像素下傳遞信息之后經(jīng)薄膜晶體管顯示屏展示出三原色圖像，確保系統(tǒng)能夠真實還原出自動化功能的運行情況。在STM32 單片機中的處理單元可以分析自動化系統(tǒng)中每個數(shù)值的變化情況，在讀取圖像后可以通過圖像預處理以及二值化等方法簡化數(shù)據(jù)處理流程，保障了電氣工程設(shè)備的運行效率。

3 PLC技術(shù)在電氣工程自動化中的應用方案

3.1 PLC技術(shù)的基本工藝流程

根據(jù)電氣工程自動化的特性，PLC 技術(shù)的運行共分為3 個階段。第一階段是輸入采樣階段。在本階段可通過攝像頭等設(shè)備經(jīng)循環(huán)掃描等方法識別電氣工程自動化的運行數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)記錄開關(guān)、按鈕等相關(guān)輸入單元的運行數(shù)據(jù)，然后再將其上傳至I/O 單元中。第二階段是程序執(zhí)行階段。在本階段PLC 將根據(jù)掃描順序，通過已經(jīng)編寫好的程序識別匹配自動化系統(tǒng)程序與算法，并統(tǒng)計不同時間段的系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)與掃描狀態(tài)。第三階段是信息輸出階段。即在掃描結(jié)束后由中央處理器CPU 根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)處理流程來更新輸出設(shè)備的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，再經(jīng)外部設(shè)備接口驅(qū)動外設(shè)。整個PLC 技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

根據(jù)PLC 工藝流程可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的主要特征就是可以按照用戶設(shè)定的程序完成電氣工程的自動化控制。在中央處理器的作用下，PLC 技術(shù)能夠更新設(shè)備的運行狀態(tài)以及控制開關(guān)等。在技術(shù)應用中，整個系統(tǒng)的構(gòu)成包括擴展單元、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及中央處理器等，在上述構(gòu)件搭建系統(tǒng)后可以自動化控制各個功能模塊的運行[2]。

3.2 在信息數(shù)據(jù)采集中的應用

在電氣工程自動化中，PLC 技術(shù)可以提供信息數(shù)據(jù)采集與控制功能。在技術(shù)應用中，通過該技術(shù)可以編寫電氣設(shè)備的識別程序，在對信息處理過程進行篩選后，就可以利用信息采集終端來提取電氣工程自動化的相關(guān)信息，如系統(tǒng)可以按照編程內(nèi)容選擇從左至右、從上到下的掃描程序來識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)；或者掃描梯形圖等方法來采集運行數(shù)據(jù)。在獲得數(shù)據(jù)后經(jīng)處理器可以在特定程序下快速抓取海量數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息，完成數(shù)據(jù)采集的整個流程。

PLC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)圖2中的基本架構(gòu)，PLC 系統(tǒng)的程序、軟件以及定值等資料均可以上傳在存儲器中，同時考慮到電氣工程自動化對系統(tǒng)運行的影響，該系統(tǒng)支持通過PC 機接口完成數(shù)據(jù)上傳與下載等功能，只需要經(jīng)過通信接口連接至自動化網(wǎng)絡(luò)中即可。而與電氣設(shè)備保持二次連線的部分，則可以經(jīng)過DI 接口、AI 接口與DO 接口完成。

圖3為PLC 電源模塊的基本架構(gòu)。例如，在電氣工程750 V 的保護裝置，DPU96、S7-200、S7-300 的DI 點，接入的輔助接點就是無源接點。它的電源是由PLC 裝置自身提供的24 V 電源，這種電源設(shè)計模式能夠滿足自動化控制要求。在該回路中，因為電源并非是從直流屏二次電源獲得的，在查找故障時不應采用正負對地檢測的方法，所以在故障檢測中應以PLC 電源模塊負極為0 電位并查找檢測點的正電壓，保證正常的系統(tǒng)功能。

3.3 在閉環(huán)控制中的應用

閉環(huán)控制是指針對某一被控制對象，經(jīng)PID 控制器來比較實際數(shù)據(jù)與預先設(shè)定數(shù)據(jù)，在嚴格控制數(shù)據(jù)差值之后再將其反饋給輸入控制系統(tǒng)，并不斷進行系統(tǒng)糾正。而對于電氣工程自動化控制系統(tǒng)而言，在運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)不規(guī)律變化的情況，如溫度、壓力、速度等，這些數(shù)據(jù)均為模擬量，在電氣設(shè)備控制中需要將上述數(shù)據(jù)的模擬量以及數(shù)字量等進行轉(zhuǎn)化[3]。

同時，為實現(xiàn)閉環(huán)控制的功能，需要將電氣工程自動化所采集的資料反饋至PLC 中，如在以溫度為調(diào)整對象時，可以利用PLC 經(jīng)PID 指令控制通斷，此時PID 指令第一步會輸出模擬量信號，可以用于控制開關(guān)量變化。所以在PLC 技術(shù)中，廠家通常會準備配套的A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換模塊來控制PLC 的模擬量，整個系統(tǒng)操作流程如圖4所示。

在該技術(shù)該體系下，PID 反饋回路的作用可以保證電氣工程電機穩(wěn)定運行，在PLC 控制技術(shù)的支持下可以借助來回路來調(diào)控電氣設(shè)備的輸入、輸出參數(shù)，并維持穩(wěn)定的電氣輸出參數(shù)，保證系統(tǒng)正常運行。

3.4 在順序控制上的應用

PLC 技術(shù)在電氣工程自動化控制中，可以通過算法與編程的手段來控制電氣工程設(shè)備運行的相關(guān)參數(shù)，這是提升系統(tǒng)自動化水平的關(guān)鍵點。在PLC 編程中，通過使用適當?shù)木幊膛c算法來安排系統(tǒng)的執(zhí)行順序。在執(zhí)行順序的控制中能夠確保程序結(jié)構(gòu)清晰明了，并且簡化了整個執(zhí)行程序的操作過程，保障程序的完整性與嚴謹性，不會因為無效操作而造成成本的增加，這也成為該技術(shù)的關(guān)鍵點。

在順序控制設(shè)計過程中，需要將電氣工程自動化控制系統(tǒng)的操作流程劃分為若干個階段，這些階段被稱為“步”?！安健迸c不同的系統(tǒng)輸入狀態(tài)、內(nèi)部條件以及時間條件對接，保證系統(tǒng)可以自動運行管理指令。在PLC 中，“步”是通過順序工程流程圖實現(xiàn)的，在過程中的每一“步”都具有相應的變化條件，從第一“步”進行到第二“步”時往往有具體的操作條件，只有在確定條件滿足結(jié)束程序后才會開展下一個動作，而上一個動作的信息會被清除。所以為確保PLC 控制功能得以實現(xiàn)，提出了以下設(shè)計方法：(1）“步”的劃分。在將整個電氣工程自動化控制劃分為若干個順序連接階段后，用編程單元來替代“步”，此時“步”是根據(jù)PLC 輸出狀態(tài)的變化來劃分的，任何一“步”中不會出現(xiàn)輸出狀態(tài)改變的情況，但是相鄰“步”之間的輸出狀態(tài)存在明顯差異。(2）確定轉(zhuǎn)換條件。當系統(tǒng)從當前步驟轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱徊綍r，轉(zhuǎn)換條件成為重要影響因素，此時電氣工程自動化的轉(zhuǎn)換條件包括外部輸入信號，如指令開關(guān)、按鈕以及限位開關(guān)等；或者選擇PLC 內(nèi)部信號，如計數(shù)器與定時器的接通/ 斷開等；或者采用若干個信號的邏輯、非邏輯組合方式。(3）繪制程序工程流程圖。按照上述分析與控制內(nèi)容與步驟、程序等繪制流程圖。(4）編制梯形圖。按照順序工程流程圖編制程序方式形成圖形圖程序； 若PLC 技術(shù)支持工程流程圖編程，則可以將PLC 中編制的程序作為最終程序。

在編制PLC 流程中還需要注意的是：(1）兩個“步”不能直接連接，此時需要通過轉(zhuǎn)換將相鄰的“步”隔開；(2）兩個轉(zhuǎn)換之間不能直接連接，需要用“步”將轉(zhuǎn)換之間隔開；(3）順序功能流程圖是起始步中不可缺少的內(nèi)容，在數(shù)據(jù)處理中能夠與待處理系統(tǒng)的初始狀態(tài)相對應，若沒有進行該步驟，則無法表示初始狀態(tài)，系統(tǒng)返回停止狀態(tài)。

4 應用效果評價

4.1 保證了電氣工程自動化控制的性能

在PLC 技術(shù)中可以選擇STM 嵌入式微控制芯片，該芯片具有快速響應的優(yōu)勢，在電氣工程自動化控制中可以確保系統(tǒng)控制的實效性。芯片中的數(shù)據(jù)傳輸與控制指令并非采用相同數(shù)據(jù)線，所以在數(shù)據(jù)處理中可以提升電氣工程運行效率。在PLC 技術(shù)中可以采用16 位或者32 位程序編寫的方法，可以保證編寫效率并降低操作難度。該技術(shù)中所使用的Cortex處理器中具有內(nèi)核自帶位帶操作的方法，不允許對任意端口的I/O 口做介質(zhì)控制，并且在數(shù)據(jù)處理中可以通過32 位地址空間單獨訪問空間，并且能夠?qū)δ骋还δ茏龃鎯蛘咴L問，能夠?qū)崿F(xiàn)快速控制的功能。

4.2 可以提供豐富的功能支持

在電氣工程自動化控制中，借助可編程控制芯片可以提供豐富的開發(fā)資源。芯片中可提供64 引腳，并且支持多樣化的功能設(shè)計，能提供12 個中央處理單元來改善服務處理器的效能，經(jīng)外部設(shè)備連接設(shè)備，保證了良好的系統(tǒng)控制效果，保證了芯片與處理器的兼容性，可以滿足大部分電氣工程設(shè)備的功能要求。同時，該技術(shù)可以提供睡眠、停機與待機等幾方面的功能，在系統(tǒng)運行中能夠降低設(shè)備運行中的能耗，提高了系統(tǒng)的性能。

5 結(jié)語

在當前電氣工程自動化控制中，通過PLC 技術(shù)可以進一步完善控制系統(tǒng)功能，該系統(tǒng)借助順序控制、閉環(huán)控制等功能來強化系統(tǒng)的自動化控制效果，在技術(shù)上具有可行性，并且最終實踐經(jīng)驗證明，該技術(shù)可以強化電氣工程自動化控制功能，并提供良好的功能支持，符合未來電氣工程自動化控制系統(tǒng)功能拓展的要求，具有可行性。