PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

仇錦龍 周凱 韋統(tǒng)革 趙明華

摘要：在工業(yè)電氣自動(dòng)化中，可編程邏輯控制器（PLC）作為一種關(guān)鍵的控制設(shè)備，發(fā)揮著重要的作用。PLC技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化，其應(yīng)用不僅加速了生產(chǎn)流程，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。PLC不僅廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，而且在能源、交通、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域也有應(yīng)用。PLC的強(qiáng)大功能使得它能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯，監(jiān)測(cè)和管理各種工業(yè)過程，同時(shí)可實(shí)時(shí)響應(yīng)和適應(yīng)不同的工作環(huán)境。文章著重探討PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：PLC；工業(yè)電氣自動(dòng)化；應(yīng)用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.036

中圖分類號(hào)：TM 76，TP 273? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）04-0-03

The Application of PLC in Industrial Electrical Automation

QIU Jinlong， ZHOU Kai， WEI Tongge， ZHAO Minghua

（Yankuang Energy Group Co.， Ltd. Jining No.3 Coal Mine， Jining 272169， China）

Abstract： In industrial electrical automation， programmable logic controllers （PLCs） play an important role as a critical control device. The emergence of PLC technology marks a revolutionary change in the field of industrial control. Its application not only accelerates the production process， but also improves the reliability and flexibility of the system. PLC can not only be widely used in the manufacturing industry， but also in multiple fields such as energy， transportation， and healthcare. The powerful functions of PLC enable it to achieve complex control logic， monitor and manage various industrial processes， while also responding in real-time and adapting to different working environments. The article focuses on exploring the application strategies of PLC in industrial electrical automation.

Keywords： PLC; industrial electrical automation; application

1? ?PLC的特點(diǎn)

1.1 可靠性較高

PLC采用了工業(yè)級(jí)的硬件組件，如高質(zhì)量的處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出模塊等，這些組件經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和篩選，具有較高的抗干擾能力和穩(wěn)定性。PLC的硬件設(shè)計(jì)還考慮了環(huán)境因素，如溫度、濕度、振動(dòng)等，采用防塵、防水、防震等措施，以確保在惡劣的工作環(huán)境下仍能正常運(yùn)行。其次，PLC的軟件是由專業(yè)的工程師進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試的，采用嚴(yán)格的編程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)流程，以確保程序的正確性和穩(wěn)定性。在工業(yè)自動(dòng)化過程中，由于各種原因，如電力波動(dòng)、電磁干擾、設(shè)備故障等，可能會(huì)導(dǎo)致PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障。為了應(yīng)對(duì)這些情況，PLC采用了冗余設(shè)計(jì)和備份機(jī)制。例如，PLC系統(tǒng)通常會(huì)配置多個(gè)輸入輸出模塊，當(dāng)一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，其他模塊可以繼續(xù)工作，確保系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。此外，PLC的軟件也需要進(jìn)行定期的更新和升級(jí)，以修復(fù)已知的問題和提升系統(tǒng)的性能。通過定期的維護(hù)和保養(yǎng)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題，確保PLC系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[1]。

1.2 通用性較強(qiáng)

無論是生產(chǎn)線的控制、設(shè)備的監(jiān)控還是工藝的調(diào)整，PLC都能勝任，這種通用性使得PLC成為了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的重要組成部分。PLC的編程語(yǔ)言通常采用類似于傳統(tǒng)的電路圖的邏輯圖形式，如梯形圖和功能塊圖。這種編程方式使得PLC的編程相對(duì)簡(jiǎn)單，易于理解和修改。PLC支持多種編程語(yǔ)言，如指令列表、結(jié)構(gòu)化文本等，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇最適合的編程方式。PLC系統(tǒng)通常由中央處理器、輸入輸出模塊和通信模塊等組成。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的模塊進(jìn)行組合，以滿足不同的控制要求。而且，還支持多種通信協(xié)議，如以太網(wǎng)、Modbus等，可以與其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控。PLC系統(tǒng)采用工業(yè)技術(shù)設(shè)備升級(jí)的硬件技術(shù)和可靠的軟件算法，能在工作環(huán)境下正常運(yùn)行，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)還可以自動(dòng)切換到備用設(shè)備，確保生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.3 功能性較強(qiáng)

PLC具有多種輸入輸出接口，與各種傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備進(jìn)行連接。這使得PLC能夠接收來自不同傳感器的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯規(guī)則進(jìn)行處理和判斷。同時(shí)，PLC借助輸出接口控制執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的控制，這種多樣化的輸入輸出接口使PLC能適應(yīng)不同的控制需求，具備更加靈活和全面的功能。其次，PLC內(nèi)部有一個(gè)強(qiáng)大的處理器能執(zhí)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和控制算法，它可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和邏輯規(guī)則，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，并根據(jù)結(jié)果做出相應(yīng)的控制動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，如邏輯判斷、計(jì)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等，滿足各種復(fù)雜的控制需求。此外，PLC的程序通過編程軟件進(jìn)行編寫和修改，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活的調(diào)整和改變，這種可編程性使得PLC能夠適應(yīng)不同的控制任務(wù)和工藝流程，支持定制化的控制方案[2]。

2? ?PLC系統(tǒng)的工作原理

PLC系統(tǒng)工作原理如圖1所示。PLC（可編程邏輯控制器）控制原理是PLC系統(tǒng)的核心，通常包括三個(gè)主要階段：

輸入采樣階段涉及到數(shù)據(jù)的識(shí)別和采集工作，PLC系統(tǒng)會(huì)不斷地讀取來自各種傳感器和輸入設(shè)備的信號(hào)。這些信號(hào)代表物理世界中的各種狀態(tài)和條件，如溫度、壓力、開關(guān)狀態(tài)等。采集到的數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的信號(hào)，并存儲(chǔ)在映象寄存器中，以備后續(xù)的處理和分析。

用戶程序執(zhí)行階段是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的過程。PLC系統(tǒng)會(huì)按照事先編寫的用戶程序，依次執(zhí)行各個(gè)程序指令。這些程序指令包括邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、條件判斷等，用于確定下一步的控制動(dòng)作。用戶程序的執(zhí)行通常按照從上至下、從左到右的順序進(jìn)行，確保了程序的邏輯一致性。

輸出刷新階段涉及將處理過的信號(hào)傳送到終端設(shè)備，執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。PLC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶程序的執(zhí)行結(jié)果，更新輸出信號(hào)狀態(tài)，以控制各種執(zhí)行元件，如電動(dòng)機(jī)、閥門、燈光等。這一階段的目標(biāo)是將控制指令傳遞給實(shí)際的執(zhí)行設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的預(yù)定任務(wù)。

3? ?PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化中的具體應(yīng)用

3.1 立體倉(cāng)庫(kù)中的應(yīng)用

供熱站自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)合理運(yùn)用PLC技術(shù)、人機(jī)交互設(shè)備，能夠在最少時(shí)間內(nèi)采集大量信息和數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)控模塊與其接口設(shè)備能夠有效監(jiān)控一級(jí)網(wǎng)、二級(jí)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，利用PLC技術(shù)更加安全穩(wěn)定的連接一級(jí)網(wǎng)和二級(jí)網(wǎng)，更加迅速采集系統(tǒng)中供水溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，采集各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，借助微處理器對(duì)采集信息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)綜合處理，程序存儲(chǔ)器有效調(diào)整電磁閥，保證系統(tǒng)中變頻器更加安全可靠地運(yùn)行。供熱站和相關(guān)設(shè)備運(yùn)行過程中，設(shè)備能夠有效管控循環(huán)水量，提高供熱站的整體運(yùn)行質(zhì)量和效率。PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中主要通過以下幾種方法進(jìn)行控制：①控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)根據(jù)二級(jí)網(wǎng)供熱溫度曲線，有效控制系統(tǒng)中熱交換器一級(jí)網(wǎng)流量，借助控制器控制一級(jí)網(wǎng)內(nèi)部回流管道電磁閥，當(dāng)一級(jí)網(wǎng)供應(yīng)到達(dá)熱交換器之后，有效控制二級(jí)網(wǎng)供應(yīng)水溫度。②控制循環(huán)泵。系統(tǒng)借助控制器進(jìn)行控制，進(jìn)一步保證循環(huán)泵的各項(xiàng)性能，高效控制二級(jí)網(wǎng)供水和回水設(shè)定壓力，并且控制二級(jí)網(wǎng)循環(huán)流量[2]。③補(bǔ)水泵調(diào)整。增強(qiáng)補(bǔ)水泵運(yùn)行質(zhì)效的管理，有效控制系統(tǒng)的輔助流量，自動(dòng)化補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)背壓、輔助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。④溫度調(diào)整。PLC系統(tǒng)內(nèi)，有效調(diào)節(jié)二級(jí)網(wǎng)溫度，促進(jìn)二級(jí)網(wǎng)流量更加穩(wěn)定，對(duì)供熱站具有良好的調(diào)節(jié)作用[3]。

3.2 數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床屬于機(jī)械加工領(lǐng)域常用的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、電子、PLC等技術(shù)的有機(jī)融合，合理優(yōu)化機(jī)械加工流程，可提高產(chǎn)品加工精度。PLC系統(tǒng)安全可靠性較高，體積小，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，成為數(shù)控機(jī)床中十分重要的組成結(jié)構(gòu)。PLC系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用包含多種類型的配置方式，需要相關(guān)人員結(jié)合實(shí)際需求，選擇相適應(yīng)的配置方式，提高PLC系統(tǒng)應(yīng)用質(zhì)效。例如，①機(jī)床側(cè)安裝PLC，主要目的是實(shí)現(xiàn)繼電器的邏輯控制（如圖2所示）。該配置方式主要是PLC系統(tǒng)運(yùn)行過程中和數(shù)控系統(tǒng)利用I/O接口來完成信息的交換控制，②PLC系統(tǒng)當(dāng)中存在M根連線，這些線束是連接機(jī)床的重要介質(zhì)，當(dāng)二者結(jié)合到一起之后，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉母黝悢?shù)據(jù)信息進(jìn)行處理與交換。由于這一過程不需要多根連線，這就有效減少了應(yīng)用成本，并為后續(xù)維護(hù)工作提供較多便利。③使PLC作為一種獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，普遍在接近CNC的位置安裝，或者將PLC安裝在數(shù)控機(jī)床內(nèi)，借助數(shù)控機(jī)床側(cè)的I/O模塊完成機(jī)床和PLC之間的信息交換。該種配置方式在部分中大型數(shù)控機(jī)床中具有良好的適用性，具有接線少、安全穩(wěn)定性高等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。④PLC系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床借助通信線完成信息交換過程。該種配置方式為獨(dú)立型PLC，有效減少接線，同時(shí)能夠增加信息交換量。

圖2 數(shù)控機(jī)床側(cè)的PLC配置方式

數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用PLC系統(tǒng)，利用其功能指令實(shí)現(xiàn)BCD二進(jìn)制編碼撥盤數(shù)據(jù)輸入，在數(shù)字撥盤上面，可以清晰顯示0～9個(gè)數(shù)字值，并且每一個(gè)撥盤所代表的十進(jìn)制數(shù)據(jù)也有所不同。如果數(shù)據(jù)量巨大，則可以借助多片BCD碼與撥盤建立并聯(lián)關(guān)系。需要注意的是，BCD碼撥盤裝置的設(shè)置，不需要顯示電路的支持，這就使系統(tǒng)內(nèi)部的硬件電路數(shù)量大幅減少，進(jìn)而使工作人員的操作過程變得更加簡(jiǎn)單，并且，也有效減少了電機(jī)步數(shù)。數(shù)控機(jī)床操作端增加輸入鍵，便于操作人員輸入數(shù)據(jù)，促進(jìn)PLC更加迅速處理多種信息數(shù)據(jù)，節(jié)約數(shù)據(jù)輸入時(shí)間，提高生產(chǎn)質(zhì)效。另外，PLC系統(tǒng)自身安全可靠性較高。和以往的繼電器相比，數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障問題，優(yōu)先排除PLC系統(tǒng)，排查外部元器件的安全故障隱患。比如，數(shù)控機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)短路、斷路等故障，這些故障出現(xiàn)以后需要確定故障的準(zhǔn)確位置，排除PLC系統(tǒng)的自身原因。通過故障自診斷系統(tǒng)來確定故障點(diǎn)，一旦故障類型確定以后，系統(tǒng)將直接發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)[3]。當(dāng)接收到故障信號(hào)以后，工作人員可以及時(shí)采用相應(yīng)的維護(hù)措施高效處理故障問題，從而最大程度減少系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能。

3.3 水處理中的應(yīng)用

水處理中，借助PLC技術(shù)能夠獲得良好的控制效果，不同系統(tǒng)保持獨(dú)立，能夠進(jìn)行單獨(dú)管理操作。PLC技術(shù)在水處理系統(tǒng)中具有數(shù)據(jù)采集、順序控制、增強(qiáng)編程控制等功能。當(dāng)上位機(jī)屏幕顯示信息數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)發(fā)生一定轉(zhuǎn)變，或者相關(guān)運(yùn)行參數(shù)超出報(bào)警閾值，系統(tǒng)參數(shù)體現(xiàn)出不同顏色，及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

3.4 混合材料制備中的應(yīng)用

相關(guān)企業(yè)發(fā)展中經(jīng)常應(yīng)用混合材料制造裝置，其工藝技術(shù)本質(zhì)主要是多種資源綜合的過程。在混合料制造操作之前，相關(guān)人員詳細(xì)測(cè)試制造裝置時(shí)以人工為主，消耗較多時(shí)間和精力，并且檢測(cè)效果并不理想，容易出現(xiàn)誤檢、漏檢現(xiàn)象，導(dǎo)致制造的混合材料產(chǎn)品質(zhì)量不合格，需要重新進(jìn)行加工制造，增加成本。為此，人們?cè)诨旌喜牧袭a(chǎn)品檢驗(yàn)操作中合理應(yīng)用PLC技術(shù)，可提高檢驗(yàn)質(zhì)量和效率，保證產(chǎn)品安全質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本?；旌喜牧霞庸し治鲋蠵LC技術(shù)的具體表現(xiàn)為借助PLC控制器更加精準(zhǔn)篩除不合格的原材料，準(zhǔn)確處理填入加工料槽內(nèi)的原材料。另外，應(yīng)用PLC管理原材料的過程中，進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，能減少混合料產(chǎn)品的有害物質(zhì)，提高原材料利用效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來更多經(jīng)濟(jì)效益。

3.5 礦井設(shè)備上的應(yīng)用

煤炭行業(yè)發(fā)展中，相關(guān)工作開展具有較高的危險(xiǎn)性，容易出現(xiàn)安全事故，而應(yīng)用PLC技術(shù)可以有效提高礦井監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)用性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下通風(fēng)情況、有害氣體含量，了解井下操作人員的實(shí)際生產(chǎn)情況。同時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行中，當(dāng)出現(xiàn)問題或者監(jiān)測(cè)能力缺失時(shí)，PLC設(shè)備能夠快速判斷事故情況，分析事故成因，立即進(jìn)行事故報(bào)警，便于維護(hù)人員高效開展維修工作，保障井下作業(yè)的安全可靠性，提高礦井生產(chǎn)力。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)能夠有效減少系統(tǒng)運(yùn)行故障，提高工作質(zhì)量和效率。技術(shù)人員在應(yīng)用PLC技術(shù)的過程中應(yīng)全面分析多種影響因素，提高技術(shù)應(yīng)用水平，保證工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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