PLC技術在電氣工程及其自動化控制中的應用

謝偉健

（廣州南方電力集團電氣技術有限公司，廣東廣州 510000）

1 PLC技術簡析

1.1 PLC技術綜述

PLC 技術在早期應用時，可以制作出一類具有邏輯控制能力的設備開關，能夠使一些完全不具備自動化工作能力的設備在計算機控制程序的統(tǒng)一調度下，以PLC 裝置為媒介，執(zhí)行相應的操作。

1.2 PLC技術的應用優(yōu)勢

（1）程序代碼編制過程幾乎可以省略，用戶端的編程難度得到了大幅度減小，即使毫無編程基礎的人也可以在說明書的指導下，對與設備連接的PLC 裝置對應的“設備動作流程”進行編輯[1]。原因在于，常規(guī)意義下的編程是指基于C 語言、C++、Java 等語言，通過輸入多行代碼，定向控制設備做出各類動作。在PLC 技術得到應用之后，上述環(huán)節(jié)由PLC 生產廠家直接完成，“基于代碼控制設備動作”的程序已經在出廠前被植入PLC 芯片中。在此基礎上，用戶端呈現(xiàn)出的“控制編輯界面”實際是“設備動作執(zhí)行順序選擇界面”，用戶只需根據(jù)需要，對設備執(zhí)行各項標準作業(yè)動作的次數(shù)、先后順序完成調整、設定即可。

（2）PLC 裝置體積很小，一般不會超過常規(guī)繼電器控制柜的體積，在運行控制程序期間消耗能量較少。

1.3 PLC裝置的組成

圖1為PLC 裝置的組成。主要部件及作用如下。

圖1 PLC裝置的構成

（1）CPU，即芯片或處理器。一般來說，小型PLC 的CPU 多選擇8位微處理器或是單片機，中型PLC 多選擇16位微處理器或是單片機，大型PLC 采用高速位片式微處理器（如AMD-2900）。CPU 的主要功能集中在4個方面：①接受或存儲控制程序；②通過掃描的方式，獲得輸入單元傳遞來的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息后將其存入對應的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；③可以定向執(zhí)行監(jiān)控程序以及有關用戶程序；④能夠響應外部設備發(fā)來的請求，并控制當前連接設備執(zhí)行相應的操作。

（2）存儲器，一般分為RAM 存儲器以及ROM存儲器。其中，RAM 存儲器主要用于存儲多種類型的暫存數(shù)據(jù)、一些程序運行過程中產生的中間結果、當前正處于編輯調試狀態(tài)且尚未被正式存儲的程序。ROM 存儲器的主要作用是存儲已經完成調試的程序以及正在應用過程中的監(jiān)控程序。

（3）輸入接口，主要作用是將PLC 裝置內置的按鈕、開關、傳感器等受各種因素影響而產生的信號信息轉換為數(shù)字信號，之后傳送到主機端。PLC 裝置基于輸入接口與其他輸入電路連接后，可以實現(xiàn)對電平的轉換，從而使自身能夠對標準電平進行處理。通常情況下，所有類型的PLC 裝置的輸入電路都基本一致——其中會設置光耦合器、RC 濾波器，主要用于隔離、消除因觸點抖動而產生的外部噪聲干擾。

（4）輸出接口，基于光電隔離技術設計而成，能夠將PLC 裝置內部線路與外部電路在“電氣”層面進行有效隔離，從而降低PLC 裝置可能受到的電磁干擾。輸出接口的主要作用是能夠將PLC 逐級向外輸出的信號轉變成能夠“驅動外部執(zhí)行電路的特定信號”，從而達到對接觸線圈等電器通斷電的有效控制。此外，輸出電路還可以將計算機與外部的強電環(huán)境進行整體隔離，避免計算機受到強電作用而被擊穿[2]。

2 PLC技術在電氣工程及其自動化控制中的應用

2.1 基于PLC技術的電氣工程自動化控制系統(tǒng)設計步驟及選型分析

2.1.1 設計步驟

（1）調查電氣設備（機組）的控制功能。①需要調查被控制設備的工藝原理、工作特點、具備的功能及特點。②明確需要被直接控制的事項以及與設備自動化控制有關的設計要求。③編制詳細的控制循環(huán)圖及控制狀態(tài)圖。④確定自動化控制方式。圍繞上述4項內容進行全方位分析，電氣設備機組在運行過程中如果并未對工作環(huán)境提出較為嚴苛的要求，設備運行期間的整體可靠性較強、控制過程的復雜程度較高且控制信號相對較多，控制工藝流程可能會根據(jù)生產要求經常發(fā)生變化，則適合采用PLC 技術進行控制。

（2）電氣控制方案的制訂。基于PLC 控制電氣機組設備時，控制的程度可分為單機運行、多級聯(lián)合運行、半自動控制、全自動控制等多種類型。因此，技術人員首先需要明確電氣機組設備的控制要求，選擇合適的控制形式。在此基礎上，還應確定在建構控制系統(tǒng)的過程中，系統(tǒng)除了對各項設備的“作業(yè)”進行直接控制外，是否還需要設置其他控制功能。例如：①系統(tǒng)中的某些設備、電路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)是否需要立刻圍繞故障產生原因進行檢查，且是否需要立刻發(fā)出預警信息。②如果故障嚴重程度較大，已經進入“緊急”狀態(tài)，那么控制系統(tǒng)是否應該預先存儲處理方案。總之，充分考慮這些問題，可提高PLC 控制系統(tǒng)的實用價值。③應確定PLC 控制電路下的輸入、輸出設備以及相應的控制信號的特點。不同的電氣工程自動化控制系統(tǒng)對“控制”的要求存在差異，故在設置控制系統(tǒng)時，首先需要確定系統(tǒng)的輸入設備數(shù)量及種類，明確輸入信號具有哪些特點。例如一些自動化控制系統(tǒng)的核心輸入控制信號是開關量，還有一些控制系統(tǒng)的核心輸入控制信號是模擬量。如果沒有將這些要素梳理清楚，那么控制系統(tǒng)在運行過程中很可能因為輸入、輸出信息不統(tǒng)一而出現(xiàn)故障。

2.1.2 選型分析

（1）應重點圍繞PLC 裝置的型號，單元模塊、輸入輸出類型、點數(shù)、附屬設備、經濟性等進行全方位考量。

（2）在基于已經確定的電氣工程自動化控制系統(tǒng)中應該設置的輸入、輸出設備，完成PLC 裝置的選定之后，技術人員應將輸入、輸出設備與PLC 裝置的輸入、輸出接口的地址對照表逐一列出，進一步提高編制控制程序、設計接線圖以及硬件安裝裝置的便利性。此外，在分配輸入、輸出點時，應該注重規(guī)律性。

（3）決定PLC 裝置性能的要素如下：①響應速度。PLC 芯片或處理器對控制程序語句的處理時間與總體掃描周期均會直接決定響應速度，應予以重視。②存儲容量。以小型PLC 為例。一般估算用戶存儲器容量的依據(jù)是，將PLC 的總點數(shù)乘以10，之后即可完成較為精確的估算。③擴展功能。決定PLC 擴展單元能力的要素包括但不限于擴展單元數(shù)量、種類、所占的通道數(shù)、擴展口的形式等內容。④在選擇PLC裝置的結構形式時需要考慮到：整體式的PLC 裝置相較于模塊式的PLC 裝置，在經濟成本方面更具優(yōu)勢（即價格更低）。同時，整體式PLC 裝置的體積較小，適用性更強。但問題在于，整體式PLC 裝置的硬件配置靈活程度不如模塊式。

2.2 基于PLC技術的電氣工程自動化控制系統(tǒng)硬件的設計方案

基于PLC 技術的電氣工程自動化控制系統(tǒng)硬件設計總體思路：確定采用集中式控制系統(tǒng)還是分布式控制系統(tǒng)。以集中控制單臺電氣設備為例，其核心控制原理是“單一PLC 裝置直接控制設備對象”。實現(xiàn)控制過程的注意事項是：控制系統(tǒng)對PLC 的輸入、輸出點數(shù)、存儲器容量有關的要求較少。因此，控制系統(tǒng)的構成較為簡單，通常不必考慮與其他PLC 控制器或控制計算機的通信需求。但在當前的電氣工程自動化控制系統(tǒng)中，單臺控制形式只是整體控制的一環(huán)，為了方便后續(xù)將單臺設備納入整體控制系統(tǒng)，在進行單臺設備集中控制系統(tǒng)設計時，應考慮后續(xù)可能出現(xiàn)的通信需求。如果采用集中控制系統(tǒng)控制多臺設備時，只需要將不同的控制對象與PLC 裝置中指定的輸入、輸出接口相連即可?；赑LC 的集中式控制系統(tǒng)硬件設計總體思路有3種。①可在PLC 下設置通信模塊，以此對遠程I/O 模塊進行控制。②適合應用于被控制對象遠離集中控制室的場景。③在一個控制系統(tǒng)中，可以設置的遠程I/O 通道數(shù)量并非固定值，由被控制對象在一定范圍內的分散程度及與PLC 裝置之間的距離決定。此外，PLC 裝置具有多少條通道，也決定控制對象上限。

如果采用分布式控制系統(tǒng)時，可設置的通信控制結構如下：①控制計算機與多個PLC 裝置彼此之間保持串聯(lián)連接的狀態(tài)。在此基礎上，每一個PLC 裝置都與一個特定的設備串聯(lián)。這種控制方式的缺點在于，一旦處于“串聯(lián)線路中”的一個PLC 裝置出現(xiàn)故障，便會導致后續(xù)PLC 裝置全部中斷連接。因此，這種通信控制結構已經很少應用。②控制計算機與多個PLC 裝置并聯(lián)，且每一個PLC 裝置與被控制設備之間串聯(lián)。這種分布式PLC 控制結構是最常見、運行過程穩(wěn)定性最高的方式。其特點是，任何一個PLC裝置都被控制計算機直接控制，其中一個出現(xiàn)問題后，也不會影響其他PLC 裝置及設備。因此，應盡量采用該結構。

2.3 基于PLC技術的電氣工程自動化控制系統(tǒng)軟件的設計方案

（1）梯形圖編程語言。這種編程語言與繼電器控制電路的程序控制形式相同，或是可以作如下理解——梯形圖編程語言是在電氣控制系統(tǒng)中十分常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎上，對一些符號進行簡化之后演變成的一種更具直觀性、實用性、生動性、更容易被電氣技術人員接受、應用范圍較廣的PLC 編程語言。例如傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)中常用的繼電器控制電路控制原理描述方法是：電路中可能存在多個種類的電力元器件，如開關、電容等。這些不同類型元器件在控制程序中均被賦予不同的表示符號。因此，在常規(guī)描述及控制程序編寫過程中，這些符號呈現(xiàn)出“雜亂無章”的特點，很可能因為角標數(shù)字處出現(xiàn)錯誤，導致電路整體運行出現(xiàn)問題?；谔菪螆D編寫控制語言時，表達電路中各類裝置的符號得到了全面簡化，控制程序整體更加簡潔、明了，運行過程中出現(xiàn)錯誤的概率會明顯降低。

（2）指令表與梯形圖的整體控制程序編寫。上文提到，PLC 技術在電氣工程自動化控制中的應用優(yōu)勢之一是，控制程序編寫過程十分簡單，即使非計算機程序控制專業(yè)出身的操作人員也可以在說明書的指導下，根據(jù)提示一步一步完成功能指令的編寫。以三菱FX 系列PLC 的基本邏輯控制指令編寫過程為例，在根據(jù)梯形圖完成電氣自動化控制電路圖的設計之后，需要明確一個原理——電路圖是以“整體”的形式，將多個控制流程融入同一個電路圖中。但PLC裝置在實際控制期間，電路圖中的某些元器件并不在控制范圍，由此需要運用“取指令”與“輸出指令”，實現(xiàn)對“需要控制的元器件”的“定向選取”。常用的取指令與輸出指令包括LD、LDI、LDP、LDF、OUT。上述5 個指令的含義及功能分別是：①LD，是一個“取指令”，主要用于決定一個PLC 控制電路中的“常開觸點”與左側母線是否連接的指令。所有以“常開觸點”開始的邏輯命令行都需應用該指令。②LDI，是一個“取反指令”，主要用于決定一個常閉觸點與左母線的連接指令，且每一個常閉觸點開始的邏輯命令行都需應用這一指令。③LDP，屬于“取上升沿指令”，用于向與左母線連接的常開觸點發(fā)布“上升沿檢測”的指令。該指令只能夠在制訂位元件的上升沿時，接通一個掃描周期（之前的開關狀態(tài)為OFF，之后轉為IN）時方可運用。④LDF，屬于“取下降沿指令”，用于與左母線連接的常閉觸點的下降沿檢測指令。與LDP 不同，LDF 指令運用時，無需考慮指定位元件之前的狀態(tài)。⑤OUT 指令，是一個“輸出指令”，主要用于對電路中的線圈等設備或元件進行驅動。

在電氣工程自動化控制中應用PLC 技術時，與取指令、輸出指令有關的設計要素是：①LD、LDI指令不僅能夠用于輸入與左母線相連的觸點，還能夠與ANB、ORB 等指令互相配合，共同完成與“塊邏輯”有關的邏輯運算。②LDP、LDF 兩個指令如上文所述，只有當對應元件處于有效狀態(tài)且至少能夠維持一個掃描周期接通狀態(tài)下，方可使用這兩個指令。③LD、LDI、LDP 三個指令的目標元件應該為梯形圖下標注符號為X、Y、M、C、S 的元件。④OUT 指令可以連續(xù)多次下達。但針對定時器和數(shù)據(jù)器兩類元件，當OUT 指令下達之后，需要立刻完成有關指令常數(shù)K的設定。

3 結束語

綜上所述，PLC 技術應用于電氣工程自動化控制時，整體具有靈活性高、控制便利性大、成本低、控制效果好的特點。在具體應用時，硬件結構設計方面應盡量采用分布式控制結構；在軟件設計方面，應采用梯形圖與指令表相結合的方式。總之，PLC 的運用較為簡單且效果較好，應予以推廣。