PLC控制技術的升級應用及案例分析

程志明，姜良佳，秦 雷

（日照港股份有限公司，山東 日照 276800）

0 引 言

現(xiàn)階段，工業(yè)經濟飛速發(fā)展，不僅對工業(yè)技術的精度提出了新的挑戰(zhàn)，而且對于工業(yè)自動化控制水平也有了更高的要求。自動化技術可以極大提升工業(yè)生產效率，確保其高效高質地完成作業(yè)任務。目前，可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為工業(yè)領域數(shù)字化發(fā)展的重要技術，相比于其他技術具有操作更加便捷的優(yōu)點，且能做到服務的按需定制。同時，PLC 技術在電氣自動化控制的應用中得到不斷發(fā)展與完善，展現(xiàn)了其在自動化控制中應用的極大潛力和價值[1]。

1 PLC 技術概述

PLC 技術是廣泛應用于工業(yè)控制方面的一種新型現(xiàn)代技術，其控制系統(tǒng)主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出接口以及外部編程設備等組成，運行模式相對簡單，系統(tǒng)運行時需要不斷進行循環(huán)掃描處理，通過自身的邏輯計算去處理不同觸點的控制線路。PLC系統(tǒng)的工作過程如圖1 所示，從左至右依次為輸入、程序處理以及輸出。

圖1 PLC 技術的工作過程

PLC 技術是自動化技術與計算機技術的融合，被大規(guī)模應用于電氣操作系統(tǒng)。處理和運算數(shù)據(jù)是PLC技術的基礎能力，因此PLC 技術可以及時地分析和整合電氣控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)在外界干擾下無法正常運行和相應設備基礎功能較為薄弱的短板，PLC 技術的抗干擾能力明顯要更突出。對PLC 技術進行合理使用，可以在集成電路作用下對外界干擾進行有效防御，保障了電氣設備的相關性能。除此之外，PLC 技術可以在電氣設備出現(xiàn)故障時進行故障區(qū)域定位檢測、故障分析診斷，并向工作人員發(fā)送警報，有利于故障維修人員及時發(fā)現(xiàn)故障問題以及了解故障起因，助力后續(xù)的維修檢測工作[2,3]。PLC技術在電氣工程自動化控制中擁有如下優(yōu)勢。

（1）數(shù)據(jù)傳輸安全得到極大保障。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸往往受到技術層面、人員操作等影響，從而出現(xiàn)傳輸錯誤，穩(wěn)定性方面亟待提升，而利用PLC 技術則可以極大減少人為誤差，大幅降低數(shù)據(jù)傳輸錯誤率，為電氣設備的長期穩(wěn)定運行提供了技術保障。

（2）具備較強的通用性。相比于傳統(tǒng)電氣設備，PLC 技術可以借助編程來達到電氣設備的自動化控制的目的。工作人員可以通過計算機將相關操作指令上傳到PLC 控制器，最后實現(xiàn)設備的自動化作業(yè)，降低了設備操作的復雜程度，作業(yè)人員的工作強度也大幅度降低，提高了生產效率。

（3）具備功能多樣化與網絡化應用。除了可以提升設備的自動化水平，PLC 技術具備許多功能特性，使得電氣設備有一個安全穩(wěn)定的運行條件，因此電氣故障率降低，工作效率得到提升。此外，借助互聯(lián)網，電氣設備可以接收來自網絡傳輸?shù)南嚓P控制指令，根據(jù)生產需求來對電氣設備的自動化控制進行適當調整，保證工業(yè)作業(yè)順利、高效完成[4-7]。

2 PLC 控制技術的發(fā)展及應用分析

PLC 技術有效解決了電氣控制中存在的諸多共性問題。當前PLC技術已廣泛應用于開關量邏輯控制、定時、計數(shù)控制及多級網絡控制等方面。具體來看，PLC 技術在自動化控制的具體應用可以歸納為以下幾個方面。

2.1 在變頻器中的應用

變頻器是電氣設備中最常見的設備，在調節(jié)變頻器過程中，傳統(tǒng)方式是在變頻器的控制面板上完成設備調節(jié)工作。但是，傳統(tǒng)調節(jié)方式僅能在小范圍內進行調整，無法實現(xiàn)頻繁的調節(jié)作業(yè)。此外，傳統(tǒng)調節(jié)方式對技術人員的專業(yè)能力要求較高，需了解變頻器的控制邏輯，根據(jù)具體生產需求針對性地調整變頻范圍，但調節(jié)作業(yè)量大增加了技術人員的工作強度，并且變頻器的控制精度也難以得到有效保證。隨著PLC 技術的引入，可以對變頻器進行控制自動完成配置變頻設備的工作，根據(jù)電氣設備的工作需求隨時隨地調節(jié)變頻器的工作頻率，確保變頻器長時間穩(wěn)定運行，提升了變頻器運行的穩(wěn)定性，可以更加精準地完成變頻，充分發(fā)揮變頻器的作用。

2.2 在開關量控制中的應用

在控制電氣設備的過程中，操作人員往往要對許多個開關進行控制。不同電氣設備的開關數(shù)量有多有少，并且開關種類繁多，導致電氣設備的操作難度增加。因此，為精準操控電氣設備，避免出現(xiàn)不規(guī)范的操作行為，操作人員要在了解不同開關量間關系的基礎上按照既定操作流程與操作順序實現(xiàn)對開關的有效控制。如果操作人員的操作不夠規(guī)范或者存在誤操作行為，則會影響電氣設備的運行狀態(tài)，甚至會引發(fā)故障。開關量控制工作引入PLC 技術后，操作人員可以將操作指令輸入PLC 系統(tǒng)，電氣設備會根據(jù)PLC 指令完成相關作業(yè)任務，提升開關量控制的高效性與可靠性，防止出現(xiàn)誤操作情況，使電氣設備工作更加穩(wěn)定。

2.3 在順序控制中的應用

隨著現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展，電氣設備的構成不斷趨于復雜化，大量電氣設備共同工作，每天所耗費的電量也極高。因此，為了提升企業(yè)經濟效益，有必要利用PLC 技術提升電氣設備的運行效率，從而降低運行功耗。在電氣設備的運行過程中，使用PLC技術調整電氣設備的運行順序，提升電氣設備的響應速度，并對電氣設備運行方式進行優(yōu)化，在保證電氣設備正常工作的基礎上，較大提升電氣設備的整體工作效率。

2.4 在集中控制系統(tǒng)中的應用

利用PLC技術，可以控制多個設備所組成的系統(tǒng)。在中央集成式系統(tǒng)中，不同設備的控制要求存在差異，并且運行順序也存在差異。利用PLC 技術可以實現(xiàn)中央集成式系統(tǒng)的有效控制，從而提高中央集成式系統(tǒng)的效率，且一次投入的成本較低，因此中央集成式電氣系統(tǒng)在未來的發(fā)展空間十分廣闊。

3 PLC 控制技術案例分析

3.1 PLC 控制技術在水處理過程中的應用

日照港動力工程有限公司嵐北站包含供電、供熱、供水以及污水4 個系統(tǒng)，其中供水和污水是涉及水處理的2 個系統(tǒng)。港區(qū)供水系統(tǒng)主要有供水、蓄水2 個過程。供水過程中，在市政進水對應的壓強滿足0.35 MPa 要求時，采用直供的方式，反之則采用泵供。直供和泵供只能根據(jù)市政壓力進行人工切換，過程復雜，切換后為滿足供水壓力，仍需人工調節(jié)供水泵的運行頻率。蓄水過程主要是要控制市政進水量與港區(qū)蓄水池高度之間的關系，無論是直供還是泵供都要保障蓄水池水位在要求范圍內?，F(xiàn)有供水運行過程中蓄水池補水時必須人工開關閥門，浪費人力且在頻繁進行井下作業(yè)的過程中存在不小的安全隱患。通過引入PLC控制技術，升級改造供水過程中直供和泵供的自動切換，在切換為泵供后，系統(tǒng)能夠根據(jù)供水壓力進行自動調節(jié)，并可直觀監(jiān)控閥門開度。

在處理含油污水的過程中，需要人工調節(jié)閥門和開啟水泵，通過手動調節(jié)含油污水的流量實現(xiàn)污水處理的正常運行，這種方式極大地浪費了人力，而且頻繁的人工操作也很很難做到安全生產。

3.1.1 供水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設計

在進行供水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設計時，涉及直供與泵供之間的自動化切換以及泵供供水壓力的自動調節(jié)，前者需要根據(jù)市政供水壓力來實現(xiàn)。因此，需將市政供水壓力與目標供水壓力進行比較，通過壓力變送器進行采集，將采集到的供水壓力大小轉化為4 ～20 mA 的電流信號，并將該控制信號傳送給恒壓供水控制器（KP553A），利用控制器來判斷是啟動泵工，還是直接市政供水。在自動調節(jié)泵供供水壓力時，若輸出壓力偏小，則先用變頻器啟動水泵，若變頻器頻率達到50 Hz 時，經3 min 延時還不能滿足設定壓力（供水壓力），則本泵轉為工頻，然后變頻器再啟動下一臺，依次循環(huán)。當輸出壓力達到設定壓力，變頻器將降速運行，若頻率降到啟停頻率后還是超過設定值，則第一臺運行的工頻泵停止運行，其余的工頻泵也依次停止，從而實現(xiàn)供水壓力的比例積分微分（Proportional Integral Differential，PID）自動調節(jié)控制。供水控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 供水控制系統(tǒng)圖紙

PLC 控制系統(tǒng)的應用采用了模擬數(shù)字信號，全面采用光電隔離，抗干擾能力強，安全可靠，故障率低，后期根據(jù)港區(qū)供水現(xiàn)有情況進行了多次調試和參數(shù)設置。該港區(qū)供水系統(tǒng)的運行趨于穩(wěn)定，運行6 個月內，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)任何故障，為進一步實現(xiàn)無人值守提供了有力保障。

3.1.2 含油污水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設計

經調研發(fā)現(xiàn)，含油污水系統(tǒng)中有2 個原因導致地管道進水流量無法及時調節(jié)，一是污水儲水罐與集水井配合不當，二是中間池和清水池水泵需定期手動開啟。

進行自動化設計時，需要利用PLC 控制技術實現(xiàn)集水井進水自動控制，設計邏輯如圖3 所示，具體方案如下。

圖3 PLC 控制設計邏輯

首先，觸摸屏為發(fā)令機構，將集水井的電信號傳輸?shù)絇LC并及時反饋到觸摸屏上；PLC為控制單元，用于接收觸摸屏發(fā)送的指令并執(zhí)行；污水罐的閥門為執(zhí)行機構，負責完成電氣動作，驅動閥門動作。

其次，利用水位計采集各環(huán)節(jié)的模擬量信號，用于PLC 模擬量控制。集水井的水位計信號用于控制儲水罐閥門，實現(xiàn)集水井低于0.3 m 時儲水罐閥門打開，高于2.6 m 時儲水罐閥門關閉。

最后，編寫PLC 控制程序圖和利用觸摸屏組態(tài)含油污水處理流程圖，自動化運行和遠程控制含油污水的處理。

在含油污水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設計中，還需要利用PLC 控制實現(xiàn)中間池和清水池水泵的自動控制。首先，利用中間水池液位計和清水池液位計的電信號，控制中間水池水泵的高停低開；其次，清水池水泵則利用中間水池和清水池中液位計提供的電信號實現(xiàn)高開低停；最后，利用觸摸屏以實現(xiàn)集水井水位，運行情況在值班室隨時觀察，方便運維人員進行處理。

隨后，對中間水池、清水池及集水井的模擬信號進行采集，編寫PLC 控制梯形圖，實現(xiàn)中間池和清水池水泵的自動控制。

在含油污水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設計方案實施后，集水井的人工進水操作由平均每月360 次降為每月4 次，中間水池和清水池水泵的手動操作也由平均每月130 次降為每月5 次。由此可見，PLC 控制技術的應用，提高了設備自動化水平和供水質量，對于企業(yè)發(fā)展和社會進步都有重要意義。

3.2 PLC 控制技術在繼電器自動化控制中的應用

電氣設備如發(fā)電機、變壓器、電力線路以及繼電器等作為電力供應的重要媒介及載體，其控制會直接對設備的運行狀態(tài)產生影響，設備運行狀態(tài)則會對電力供應質量和效率產生直接影響。因此，利用PLC控制技術對繼電器運行進行有效控制具有重要意義。

PLC 控制技術在繼電器自動化控制中的應用主要分為3 個部分。（1）對系統(tǒng)的順序控制。PLC 控制技術主要通過連續(xù)優(yōu)化繼電器控制元素來達到強化靈敏度、控制序列的目的，還極大降低由控制序列故障等造成的各種問題發(fā)生概率。（2）對開關量的控制。在電氣自動控制中，積極提高并且優(yōu)化繼電器能有效降低控制操作的失效率，PLC 開關量控制技術可以有效提高電自動控制系統(tǒng)的操作精度，這對于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)實際運用中的不良部件、實現(xiàn)系統(tǒng)整體的集中控制、保證自動控制系統(tǒng)的使用效率具有積極作用。（3）對閉環(huán)系統(tǒng)的控制。在實際操作過程中，控制模式以及狀態(tài)通過結合每個泵的操作來進行選擇，在閉環(huán)控制中，PLC 控制技術的應用提升了系統(tǒng)整體的安全性和可靠性。

以熱繼電器為例，其額定電壓為690 V，設置復位按鈕、表盤、測試以及停止按鈕；“TH”防護處理，使其能避免濕熱環(huán)境帶來的影響；-20 ～55 ℃是其正常工作的環(huán)境溫度，-20 ℃以下及70 ℃以上是進行溫度補償?shù)沫h(huán)境溫度；其額定絕緣電壓為1 000 V，脫扣等級為10 A，能在過載狀態(tài)下快速回到正常操作狀態(tài)。

PLC 對繼電器實行模糊PID 控制，控制模型的結構如圖4 所示。

圖4 PLC 控制技術在繼電器應用中的控制模型

PLC 控制技術在繼電器中的應用很好地解決了兼容性問題，能夠在面對不同系統(tǒng)服務器的情況下保證系統(tǒng)的正常運行。此外，PLC 控制技術在繼電器中的應用使得系統(tǒng)可靠性得到了極大提升，其擁有低于0.36 s 的響應速度，接近零的穩(wěn)態(tài)誤差以及90%以上的精度。

4 結 論

電氣設備在工業(yè)領域中作為其生產基礎，對于工業(yè)生產的平穩(wěn)發(fā)展具有重要意義。不斷提高電氣設備的自動化控制水平已是發(fā)展所趨，需要對PLC 控制技術進行合理應用，不斷放大其技術優(yōu)勢，使其與電氣設備更快、更好地融合。此外，PLC 控制技術在自動化控制中的應用質量也能得到強化，這對于我國工業(yè)自動化具有相當積極的作用。