電氣工程自動(dòng)化控制中PLC 技術(shù)的應(yīng)用

帥寶珍

云南省玉溪工業(yè)財(cái)貿(mào)學(xué)校 云南玉溪 653100

1 PLC 技術(shù)的相關(guān)概述

1.1 PLC 概述

（1）PLC 發(fā)展史。在20 世紀(jì)60 年代初期，生產(chǎn)線的控制主要采用繼電器控制裝置，其可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等都較差。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)PLC 技術(shù)（可編程序控制器）有了啟蒙，并于60 年代末成功研制了一臺(tái)可編程序控制器且通過(guò)試驗(yàn)。直到目前，PLC 不僅僅是起初所提到的可編程序控制器控制繼電器回路那么簡(jiǎn)單，還可以做邊緣計(jì)算、運(yùn)動(dòng)控制等，而且仿真也前進(jìn)了一大步，由MATLAB/Simulink 建模仿真，自動(dòng)代碼生成的程序可以下載到PLC 存儲(chǔ)器上，實(shí)現(xiàn)硬件環(huán)境測(cè)試[1]。

（2）PLC 的特點(diǎn)：①學(xué)習(xí)PLC 編程容易，其界面和程序看上去比較直觀，容易理解；②控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，而且修改起來(lái)比較容易，所使用時(shí)間較短；③系統(tǒng)維護(hù)方便。

（3）PLC 組成。市面上PLC 種類繁多，例如通用品牌有西門子、歐姆龍、三菱等，每個(gè)品牌旗下又有很多型號(hào)的PLC，但其主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致是相通的，主要有五個(gè)部分組成，其組成原理圖如圖1 所示。

圖1 PLC 的組成

①中央處理器CPU。主要用來(lái)邏輯運(yùn)算及數(shù)學(xué)運(yùn)算等，并且協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。

②存儲(chǔ)器。用于存放系統(tǒng)編程程序及監(jiān)控運(yùn)行程序、用戶程序、邏輯及數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程變量及其他所有信息。

③電源。包括系統(tǒng)電源、備用電源等。

④輸入/ 輸出單元。輸入單元用來(lái)進(jìn)行輸入信號(hào)的隔離濾波及電平轉(zhuǎn)換；輸出單元用來(lái)對(duì)PLC 的輸出進(jìn)行放大及電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

⑤通信接口。是PLC 與外界通信的通道。

1.2 PLC 在電氣自動(dòng)化中的作用

在電氣工程自動(dòng)化控制中，PLC 技術(shù)具有非常重要的作用，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

①有利于電氣設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的增加。由于PLC 的核心部件是CPU，所以可將其視作為計(jì)算機(jī)中一個(gè)具有強(qiáng)大邏輯控制功能的應(yīng)用系統(tǒng)，其通過(guò)邏輯運(yùn)算可快速完成相關(guān)程序的編輯，并實(shí)現(xiàn)軟件存儲(chǔ)。在電氣自動(dòng)化控制中應(yīng)用PLC 后，能夠使電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量隨之增多，由此可以為運(yùn)行檢修提供可靠的參考依據(jù)[2]。

②有利于促進(jìn)電氣設(shè)備智能化。常規(guī)的電氣設(shè)備智能化程度相對(duì)較低，隨著PLC 技術(shù)的應(yīng)用，可使電氣設(shè)備的操作實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制，通過(guò)對(duì)CPU 中存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，能夠快速判斷出電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，大幅度提升了電氣設(shè)備的智能化程度。

1.3 核心技術(shù)

PLC 技術(shù)的涉及范圍廣，使用率也比較高，在電氣工程中有著不可替代的作用，它最主要的核心技術(shù)就是控制技術(shù)。PLC 技術(shù)的控制系統(tǒng)由四部分組成，其中包括中央處理器、電源、存儲(chǔ)介質(zhì)以及輸入輸出口。組成的四部分不能單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，它可以直接影響控制系統(tǒng)的運(yùn)行。另外，PLC 技術(shù)自身是有很多利用價(jià)值的，針對(duì)一定的需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可以隨時(shí)增添合適的外援設(shè)備，使PLC 技術(shù)的控制性能能夠發(fā)揮其最大的作用。電源部分是負(fù)責(zé)PLC 控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)和閉合過(guò)程的。輸入輸出端口是與外部設(shè)備的連接點(diǎn)，建立外部和內(nèi)部的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息交換的目的。中央處理器就是接受并且分析用戶的命令。存儲(chǔ)介質(zhì)最主要就是可以為用戶帶來(lái)最方便的服務(wù)，在短時(shí)間內(nèi)找出有效數(shù)據(jù)供用戶使用[3]。

2 電氣工程自動(dòng)化控制中PLC 技術(shù)的應(yīng)用研究

2.1 在汽車制造中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車制造產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的要求越來(lái)越高，而PLC 技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了汽車制造產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)張，該技術(shù)包含了運(yùn)動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)總線、機(jī)器視覺(jué)等方面的控制。

汽車生產(chǎn)線主要有四大工藝，沖壓、焊裝、涂裝、總裝，每道工序中都會(huì)有機(jī)械手、傳輸控制等。例如焊裝、總裝等工藝中生產(chǎn)線需要從上一道工序傳到下一道工序當(dāng)中，對(duì)于這種流水線生產(chǎn)，PLC 無(wú)疑是最好的控制方式；在焊裝、涂裝工序中利用機(jī)械手進(jìn)行操作，不僅降低了涂料對(duì)人所帶來(lái)的危害，而且增加了質(zhì)的提升。操作人員只需要通過(guò)人機(jī)界面就可以觀察機(jī)器設(shè)備是否正常及操作，工件通過(guò)多道工序后，由質(zhì)保部門進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)工件或車身涂裝是否有瑕疵，以確定是否要進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)與維修。

2.2 開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)

開(kāi)關(guān)量控制其實(shí)就是數(shù)字量控制，即是“0” 和“1” 的控制。通過(guò)引入開(kāi)關(guān)量的控制概念，可以對(duì)以往繼電控制模塊進(jìn)行改進(jìn)，例如電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，如果通過(guò)繼電器控制，在安全、控制精確度和穩(wěn)定性上均比不過(guò)PLC 進(jìn)行控制。

通過(guò)PLC 開(kāi)關(guān)量控制方式可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行啟停狀態(tài)操控時(shí)可精準(zhǔn)的完成工作狀態(tài)。以往的設(shè)備在進(jìn)行啟停過(guò)程中時(shí)，通過(guò)傳統(tǒng)的繼電器來(lái)進(jìn)行傳輸信號(hào)并完成指令，傳統(tǒng)繼電器是利用機(jī)械式的原理進(jìn)行工作，在進(jìn)行信號(hào)傳遞過(guò)程中，易發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)無(wú)法傳輸狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)設(shè)備發(fā)出指令。故引入PLC 控制概念，以及通過(guò)傳感器可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的應(yīng)用，來(lái)控制繼電器線圈的吸合與斷開(kāi)，有效代替了傳統(tǒng)的控制方法，提高了精度。電子型控制器通過(guò)指令可迅速完成對(duì)信息的識(shí)別并進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，具有高靈敏性、高速度性、高精確性等優(yōu)點(diǎn)[4]。

2.3 控制變配電工程

目前，PLC 技術(shù)在我國(guó)電氣工程的行業(yè)當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用并且取得了一些有效的成果，其中最典型的應(yīng)用案例就是我們可以通過(guò)PLC 設(shè)計(jì)變電站主回路和控制回路電路，利用組態(tài)王WINCC 進(jìn)行軟件監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。通過(guò)上述兩個(gè)設(shè)計(jì)方式聯(lián)合，可以實(shí)現(xiàn)工作人員不需要靠近變電站，在一定的距離下就能完成監(jiān)控和操作，免去了工作人員靠近電站的危險(xiǎn)和輻射。上述案例說(shuō)明PLC 技術(shù)可以對(duì)我國(guó)變配電工程方面進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理，它不僅可以通過(guò)程序編碼設(shè)置對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行規(guī)范化的管理，而且可以在一定程度上減少電力企業(yè)的資金支出。因?yàn)樵谧兣潆姽こ痰目刂乒芾磉^(guò)程中是存在著一定危險(xiǎn)性的，工作人員只有具備非常專業(yè)的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐能力才能夠充分保證自身的人身安全。因此，如果通過(guò)PLC 技術(shù)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制，就可以完全規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)，而且PLC 技術(shù)具備的功能非常廣泛，除了可以實(shí)現(xiàn)變配電工程進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理，更重要的是可以對(duì)其進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控和關(guān)注跟蹤，而工作人員只需要通過(guò)電腦終端對(duì)其進(jìn)行監(jiān)察就可以使我國(guó)的電氣工程管理系統(tǒng)穩(wěn)定有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，這極大地提高了我國(guó)電氣工程行業(yè)發(fā)展的工作效率和科學(xué)性。PLC 技術(shù)可以利用企業(yè)自身的先進(jìn)性有效避免這些問(wèn)題，大大減少了電氣工程出現(xiàn)安全隱患的幾率，促進(jìn)我國(guó)電力資源企業(yè)公司的快速發(fā)展。

2.4 在自動(dòng)切換中的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)大量實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，部分電氣控制系統(tǒng)發(fā)生故障問(wèn)題后，基本上都需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能使故障消除，并使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。在故障修復(fù)這一過(guò)程中，可能會(huì)使故障逐步擴(kuò)大，從而引發(fā)其他問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不可逆的損壞。如果應(yīng)用PLC 技術(shù)后，在發(fā)生故障的同時(shí)，PLC 系統(tǒng)的自動(dòng)診斷功能會(huì)自行啟動(dòng)，此時(shí)可以通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果反饋給操作人員，由此可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)故障進(jìn)行排除。PLC 具備的可編程功能，使程序的改寫變得非常簡(jiǎn)單，在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)又能滿足企業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求。

2.5 在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，PLC 技術(shù)和操控系統(tǒng)更加趨向于人性化，使得與電氣工程的契合度不斷提高。第一，在電氣工程數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。將PLC 技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，將誤差概率降低到零；第二，在交通控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。過(guò)去的交通控制系統(tǒng)因?yàn)椴僮鞑粔蛞?guī)范、誤差比較大，極易導(dǎo)致交通控制出現(xiàn)問(wèn)題，例如信號(hào)燈反應(yīng)遲緩、紊亂等。PLC 技術(shù)不僅可以應(yīng)用在交通信號(hào)燈中，信號(hào)燈的反應(yīng)速度會(huì)更加快速和精準(zhǔn)，確保道路交通暢通有序，還可以將PLC 技術(shù)應(yīng)用在道路系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)施中，可實(shí)現(xiàn)24h 無(wú)人監(jiān)管，真正實(shí)現(xiàn)降本增效；第三，在中央空調(diào)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用。通過(guò)PLC 與傳感器結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)自主控溫，從而保證建筑物內(nèi)部環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)能滿足固定式值的要求，使得人類在逛商場(chǎng)或居住中獲得最佳的舒適感。

2.6 在民用電梯中的應(yīng)用

隨著城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，在未來(lái)發(fā)展中，PLC 技術(shù)將會(huì)有越來(lái)越多的應(yīng)用。目前，高樓大廈的不斷涌現(xiàn)，電梯作為有效的交通設(shè)備，在人們的生活中起著較為重要的作用。但是對(duì)于電梯的安全性和時(shí)效性還有待加強(qiáng)，隨著生活節(jié)奏的加快，電梯的安全性和智能時(shí)效性顯得格外重要。從而以新型PLC 為控制核心的電梯控制程序得到了發(fā)展。原因在于PLC 具有程序修改方便，而且隨著時(shí)代進(jìn)步的發(fā)展，控制器也是在不斷升級(jí)，但是其替代品更換也相對(duì)簡(jiǎn)單。

當(dāng)乘坐電梯時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到一種現(xiàn)象，電梯樓層很高或離你較遠(yuǎn)，每次都需要一定時(shí)間的等待，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)增加了我們的出行時(shí)間。我們可以通過(guò)PLC 的智能控制功能—大數(shù)據(jù)分析，或者開(kāi)發(fā)一款手機(jī)APP（可以用來(lái)和PLC 之間進(jìn)行通訊以及出行預(yù)約）。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析可以得出整棟樓層每天每個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)荷狀態(tài)；通過(guò)APP 我們可以提前控制電梯或預(yù)約，然后當(dāng)我們走到電梯口時(shí)電梯就在你的樓層等待。那么安全性，我們可以利用PLC智能化程序識(shí)別加速度突然超出預(yù)留值，通過(guò)電梯控制程序快速計(jì)算，并及時(shí)做出反應(yīng)，避免不必要的安全事故發(fā)生。我們還可以設(shè)置電梯內(nèi)部特殊按鈕，當(dāng)按鈕被按下時(shí)，監(jiān)控控制器與電梯控制器之間進(jìn)行通訊，識(shí)別乘客是否發(fā)生了意外事件，確認(rèn)后可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)直接傳送給控制中心、醫(yī)療機(jī)構(gòu)或相關(guān)執(zhí)法機(jī)關(guān)，這樣當(dāng)乘客在電梯中發(fā)生威脅生命的安全問(wèn)題時(shí)，相關(guān)機(jī)構(gòu)在接收到信息時(shí)可以快速定位乘客所在位置，并及時(shí)做出相應(yīng)的動(dòng)作。而目前電梯呼叫主要是發(fā)生故障時(shí)和控制中心進(jìn)行溝通，讓控制中心聯(lián)系電梯維護(hù)相關(guān)工作人員前來(lái)維修和解救被困乘客。隨著人工智能的快速發(fā)展，PLC 技術(shù)的更多應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣，從剛開(kāi)始PLC 只是代替了傳統(tǒng)的繼電控制系統(tǒng)開(kāi)始，到目前，通訊、仿真、服務(wù)等有了越來(lái)越多的進(jìn)步與發(fā)展，相信不久的將來(lái)，我們所幻想的情景通過(guò)技術(shù)的發(fā)展都能在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。

3 PLC 技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用建議

3.1 提高集成度

對(duì)于PLC 自動(dòng)控制而言，想要實(shí)現(xiàn)集成管理的目標(biāo)，就必須逐步增強(qiáng)電氣設(shè)備的兼容性。因此，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在電氣接口的選擇上，應(yīng)當(dāng)盡量以相同接口為主，這樣便于系統(tǒng)集成。為使子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)性能獲得進(jìn)一步提升，可在統(tǒng)一的平臺(tái)下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通過(guò)上述措施，能夠?yàn)橄到y(tǒng)集成目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)[5]。

3.2 強(qiáng)化管理

PLC 在電氣工程中的合理運(yùn)用，為自動(dòng)化控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了條件。當(dāng)電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制后，人為操作失誤可以大幅度減少，在自動(dòng)化控制模式下，還可以完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，操作人員的工作量隨之減輕。想要使PLC 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在電氣工程中得到全面發(fā)揮，有必要對(duì)管理進(jìn)行強(qiáng)化，通過(guò)對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，使他們了解并掌握PLC 的功能，增強(qiáng)應(yīng)用效果。

3.3 重視培養(yǎng)技術(shù)人才

對(duì)于推廣和應(yīng)用PLC 技術(shù)的相關(guān)人員，應(yīng)注重PLC 技術(shù)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能的培養(yǎng)。對(duì)于企業(yè)而言，其應(yīng)該積極的開(kāi)展PLC 技術(shù)操作人員的專項(xiàng)培訓(xùn)，包括技能培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)交流等。從職業(yè)教育層面來(lái)看，我們應(yīng)大力推進(jìn)校企合作，聯(lián)合企業(yè)開(kāi)發(fā)實(shí)用型教學(xué)課程，甚至可以聘請(qǐng)優(yōu)秀企業(yè)技術(shù)人員去學(xué)校上課，促進(jìn)職業(yè)教育更高層次的發(fā)展，也為學(xué)校培養(yǎng)更多的職業(yè)教育師資與學(xué)生。

3.4 建立并完善PLC 技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

從PLC 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，其在應(yīng)用上表現(xiàn)得十分廣泛，適用于各個(gè)行業(yè)。但是從各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用要求來(lái)看，其中表現(xiàn)出較大的差異性，這也使得PLC 技術(shù)在應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)一定不同。因此，電氣企業(yè)在對(duì)PLC 技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)注重對(duì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化與完善，使PLC 技術(shù)與電氣自動(dòng)化控制表現(xiàn)出更高的匹配度，切實(shí)使其更加完善，應(yīng)用更加科學(xué)合理。由于使用的標(biāo)準(zhǔn)適用于大多數(shù)電力公司，它們可以作為整個(gè)電力行業(yè)的適用標(biāo)準(zhǔn)，并為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考，促使整個(gè)電力行業(yè)自動(dòng)化控制的快速發(fā)展。

4 發(fā)展前景分析

在電氣工程及其自動(dòng)化控制的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，借助PLC 技術(shù)以結(jié)合電氣工程產(chǎn)品，不斷完善其應(yīng)用環(huán)境，且能夠加強(qiáng)設(shè)計(jì)工作，以充分協(xié)調(diào)機(jī)器與人之間的關(guān)系，進(jìn)而加快電氣工程及其自動(dòng)化控制的發(fā)展進(jìn)程。PLC 技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中則需要充分考慮到其應(yīng)用的專業(yè)性，以將計(jì)算機(jī)應(yīng)用和系統(tǒng)控制進(jìn)行有效的融合，在保障電氣工程工作效率及質(zhì)量的同時(shí)，能夠有效降低員工的工作強(qiáng)度。通過(guò)電氣工程設(shè)備的動(dòng)態(tài)跟蹤，以此實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能化和安全化。

5 結(jié)語(yǔ)

在這個(gè)快速發(fā)展的社會(huì)背景下，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)水平有了較大的提高和飛躍。目前利用國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)我國(guó)電氣工程行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀研發(fā)出了先進(jìn)高端的PLC 技術(shù)，為我國(guó)電氣工程行業(yè)的發(fā)展提供很大的便利。但是，這項(xiàng)技術(shù)在具體使用過(guò)程中仍然會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，需要不斷對(duì)其進(jìn)行深入的研究，了解其中蘊(yùn)含的技術(shù)原理，熟練掌握操作技術(shù)，加強(qiáng)我國(guó)電氣工程自動(dòng)化管理水平，最大限度地減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，提高工作效率，這是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是我們應(yīng)該努力的方向。