電氣設(shè)備自動化控制系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用研究

張晟超

（紅塔集團(tuán)大理卷煙廠，云南 大理 671000）

0 前言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)漸趨成熟，以電氣設(shè)備為主要應(yīng)用器械的生產(chǎn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)了對釋放人力的探索，自動化控制成為發(fā)展的主流。以PLC 技術(shù)為核心的控制系統(tǒng)的應(yīng)用效率較高，自動化水平相對完善，因此得到了廣泛的應(yīng)用。為了更高效率地應(yīng)用PLC 進(jìn)行自動化控制，深化發(fā)展現(xiàn)代生產(chǎn)力，應(yīng)該加強(qiáng)對PLC 技術(shù)的深化研究，明確其應(yīng)用原理，持續(xù)優(yōu)化應(yīng)用環(huán)節(jié)，促進(jìn)自動化的全面發(fā)展。

1 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 即可編程邏輯控制器，是以存儲器為基礎(chǔ)部件、以可編程序為核心的應(yīng)用技術(shù)。在應(yīng)用PLC 技術(shù)時，由系統(tǒng)軟件接收解讀發(fā)出的指令，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用預(yù)期編制應(yīng)用程序。在輸出點掃描相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问絺鬏敂?shù)據(jù)，輸出點負(fù)責(zé)向處理器傳輸上述數(shù)據(jù)，從而指揮設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)命令。PLC 主要由3 個模塊構(gòu)成，主要為CPU 模塊、輸入模塊以及輸出模塊，此外還包括電源系統(tǒng)等。PLC 系統(tǒng)具備可操作性強(qiáng)、靈活性較高的應(yīng)用優(yōu)勢，自動控制系統(tǒng)的功能直接取決于存儲器程序，可以通過編程隨時更新系統(tǒng)的應(yīng)用功能。

2 技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 結(jié)構(gòu)靈活

PLC 系統(tǒng)應(yīng)用主要通過編程控制器來實現(xiàn)，與常規(guī)控制器相比，該控制器具有結(jié)構(gòu)靈活的特點，可根據(jù)應(yīng)用預(yù)期靈活地設(shè)計結(jié)構(gòu)。該控制器可分為大型系統(tǒng)和小型系統(tǒng)2 種結(jié)構(gòu)模式，能結(jié)合實際需求應(yīng)用和調(diào)整結(jié)構(gòu)規(guī)模。小結(jié)構(gòu)PLC的應(yīng)用范圍相對廣泛，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是規(guī)格小、占用空間有限，不僅便于安裝而且功耗相對較低，節(jié)能效果較好。雖然大結(jié)構(gòu)PLC 與小結(jié)構(gòu)PLC 相比，其體積和功耗較高，但同時其功能也更完善，能夠高效率地運行，系統(tǒng)容量充足，系統(tǒng)總體性能更強(qiáng)大。

2.2 應(yīng)用便捷

PLC 系統(tǒng)應(yīng)用的操作和日常檢修難度較低，有效降低了應(yīng)用成本。PLC 系統(tǒng)應(yīng)用中可通過顯示屏直觀地了解控制過程，和繼電器系統(tǒng)比較相似，系統(tǒng)解讀和編寫難度較低，通過圖形編譯和編程就可以完成表達(dá)過程，且邏輯控制復(fù)雜度較低，自動化程度較高，適用范圍廣。因該技術(shù)的設(shè)計屬于邏輯設(shè)計，簡化了外形線的應(yīng)用，設(shè)計系統(tǒng)耗時更短，可較快完成設(shè)計過程，改寫程序和運行程序也更方便，設(shè)備檢修和設(shè)備排查效率更高，維護(hù)成本較低，應(yīng)用更加便捷。

2.3 穩(wěn)定性強(qiáng)

常規(guī)控制系統(tǒng)比較容易因受到干擾的影響而發(fā)生系統(tǒng)故障，從而影響設(shè)備的穩(wěn)定運行。PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，在大規(guī)模集成電路中應(yīng)用PLC 結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計，運行中不易受到干擾的影響。電流系統(tǒng)發(fā)生故障時，可迅速檢出，系統(tǒng)電路和應(yīng)用設(shè)備不易受到損傷。設(shè)備發(fā)生故障后，報警系統(tǒng)將被觸發(fā)，PLC 系統(tǒng)接到警報進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實施抗干擾操作解除干擾故障，編程水平較高。

3 實際應(yīng)用方向

3.1 系統(tǒng)模擬量監(jiān)控管理

應(yīng)用PLC 技術(shù)可對系統(tǒng)模擬量進(jìn)行控制。自動化系統(tǒng)運行中涉及多種模擬量，其中常見模擬量控制包括溫度控制、壓強(qiáng)控制和流速控制等。上述模擬量為非固定模擬量，處于動態(tài)變化中，通過PLC 系統(tǒng)進(jìn)行模擬量控制，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)量與模擬量的轉(zhuǎn)換控制，記錄A/D、D/A 變化數(shù)據(jù)，監(jiān)控變化過程，精準(zhǔn)控制模擬量，實現(xiàn)實時監(jiān)控。應(yīng)用PLC 技術(shù)的壓力變送器的運行原理如下（見圖1）。該運行系統(tǒng)操作簡便，在輸入端輸入信號后，經(jīng)過系統(tǒng)計算控制輸出指定模擬量，就可以對系統(tǒng)的運行進(jìn)行控制。

圖1 壓力變送器

模擬量轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)過程以數(shù)字量D/A 轉(zhuǎn)換和A/D 轉(zhuǎn)換為主，在該過程PLC 分析處理設(shè)備運行模擬量。PLC 可進(jìn)行集中控制和分散控制。PLC 分散控制是針對不同控制對象單獨設(shè)置PLC，交互傳輸信號，形成內(nèi)部響應(yīng)指令或進(jìn)行連鎖控制。此外，可通過數(shù)據(jù)通信總線使用上位機(jī)分散控制通信任務(wù)，使用數(shù)據(jù)線連接各生產(chǎn)線，單元獨立PLC 系統(tǒng)控制單元對象。應(yīng)用該設(shè)計可以保證單個PLC 發(fā)生停運故障時，其他生產(chǎn)線仍可正常通信。PLC 集中控制中，由單個PLC 控制多個電氣設(shè)備，控制體系為中央集中模式，系統(tǒng)中設(shè)備由中央PLC 進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，形成連鎖調(diào)度和步進(jìn)控制等，該集成模式運行成本較低，缺陷是其中某對象需要進(jìn)行程序調(diào)整時，中央PLC 需要停運，影響整個生產(chǎn)線。此外，應(yīng)用PLC控制可進(jìn)行運動控制，管理設(shè)備運行中直線運動過程或圓周運動過程，例如在電梯系統(tǒng)或機(jī)械人系統(tǒng)中，可采用多軸位置控制設(shè)計等進(jìn)行系統(tǒng)控制[1]。

例如中央空調(diào)系統(tǒng)是生產(chǎn)生活常用系統(tǒng)，尤其是電子類生產(chǎn)線的車間必備設(shè)備之一即為中央空調(diào)設(shè)備，在生產(chǎn)時需要恒溫控制車間。該中央溫控過程可通過繼電器或者直接數(shù)字控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制，但與之相比，PLC 控制的自動化質(zhì)量較高，可有效抗干擾，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計較靈活，運行過程穩(wěn)定性更高，檢修方便，應(yīng)用優(yōu)勢顯著。

在礦井提升機(jī)控制中，該設(shè)備在地面安裝后，以斜坡道或井筒為通道進(jìn)行提升運行，以鋼絲繩為牽引控制提升容器。該設(shè)備屬于大型絞車，是煤礦開采的必要設(shè)備。通過PLC 系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制，可科學(xué)進(jìn)行提升調(diào)速，提升工作效率。開車信號抵達(dá)后，啟動開車按鈕，PLC 控制系統(tǒng)在變頻器中接入AC380V 電流，促使設(shè)備運行，通過直流制動控制電機(jī)，預(yù)防出現(xiàn)溜車風(fēng)險，同時釋放機(jī)械抱閘。PLC 系統(tǒng)控制設(shè)備速度曲線，可利用A/D 轉(zhuǎn)換信號，用變頻器輸出模擬量，完成控制過程?？刂七^程中同時應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器，對提升速度、所處位置進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

3.2 閉環(huán)控制

PLC 控制系統(tǒng)雖然相對穩(wěn)定，但是在運行中存在風(fēng)險，受風(fēng)險因素影響可能發(fā)生停產(chǎn)，此時通過啟動閉環(huán)控制可減少損失。閉環(huán)系統(tǒng)是提升系統(tǒng)安全系數(shù)的后備方案，設(shè)備常規(guī)運行受到影響時啟動閉環(huán)系統(tǒng)可保證設(shè)備持續(xù)運行，維持生產(chǎn)運作，降低損失，保持盈利，保證運行效率。閉環(huán)控制過程如下（見圖2）。

圖2 閉環(huán)控制過程

自動化控制運行時存在大量非固定量，應(yīng)通過控制非固定量促進(jìn)可編程儀器精準(zhǔn)控制模擬量。PLC 系統(tǒng)可動態(tài)監(jiān)控閉環(huán)控制系統(tǒng)，第一時間定位設(shè)備運行異常。實施閉環(huán)控制時，可進(jìn)行自動化啟停，也可利用現(xiàn)場控制箱或者機(jī)旁屏進(jìn)行手動啟動。PLC 控制是啟動泵機(jī)的主要方法，在PLC 控制中，根據(jù)泵機(jī)運行狀態(tài)可隨時調(diào)節(jié)控制操作。現(xiàn)場設(shè)備可使用機(jī)旁屏手動調(diào)試設(shè)備開關(guān)。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)中分析泵機(jī)運行數(shù)據(jù)，科學(xué)控制泵機(jī)運行時間和運行強(qiáng)度，避免設(shè)備因超負(fù)荷運轉(zhuǎn)而加重耗損。使用機(jī)旁屏開關(guān)時，應(yīng)先調(diào)整為手動模式。電氣設(shè)備控制通常在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上聯(lián)合PLC 控制，通過綜合控制提升泵機(jī)回路的安全系數(shù)，降低設(shè)備發(fā)生故障的概率。在PLC 控制中需要進(jìn)行電子調(diào)節(jié)與電液執(zhí)行控制，還需要測量監(jiān)控轉(zhuǎn)速等。通過多單元聯(lián)合控制，保證電氣系統(tǒng)調(diào)節(jié)器穩(wěn)定運行，設(shè)置實際轉(zhuǎn)速時應(yīng)根據(jù)調(diào)制解調(diào)器的運行情況設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，促進(jìn)科學(xué)控制。

3.3 啟?？刂?/h3>

PLC 控制的核心是淘汰傳統(tǒng)繼電器，通過編程存儲器對設(shè)備運行進(jìn)行控制，增強(qiáng)控制成效。開關(guān)量控制受到環(huán)境因素 的影響，導(dǎo)致運行效率受限。聯(lián)合PLC 通信技術(shù)完善繼電器應(yīng)用，促進(jìn)電氣設(shè)備高效穩(wěn)定運行，對安全生產(chǎn)有積極意義。應(yīng)用該控制模式可提升設(shè)備運行的精準(zhǔn)度，簡化開關(guān)量控制流程。例如在控制電動機(jī)設(shè)備時，需要設(shè)置PLC 系統(tǒng)輸入端與輸出端的開關(guān)量。在該設(shè)計中，按鈕開關(guān)應(yīng)分為2種模式，分別為接通狀態(tài)與斷開狀態(tài)，按鈕開關(guān)控制啟停狀態(tài)。接通狀態(tài)下，光耦合器內(nèi)設(shè)有光點三極管，該三極管和輸入點I0.0 為對應(yīng)關(guān)系，接通后二者導(dǎo)通，隨著輸入寄存器的變化，I0.00 經(jīng)過轉(zhuǎn)換顯示為1，輸入點I0.0 指示開關(guān)量信號信息。按鈕接通時邏輯關(guān)系為“I0.0=1”，關(guān)閉時邏輯關(guān)系是“I0.0=0”，根據(jù)該邏輯進(jìn)行二級制控制。在PLC 系統(tǒng)中對開關(guān)量進(jìn)行控制時，繼電器通電條件為Q0.0=1，此時接觸器運行，系統(tǒng)控制電動機(jī)運行。與之相反，想要控制電動機(jī)停運的條件為Q0.0=0，此時繼電器、接觸器為非啟動狀態(tài)。簡言之，PLC 系統(tǒng)中開關(guān)量控制即對相關(guān)設(shè)備的通電狀態(tài)進(jìn)行控制[2]。

在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，多使用電磁接觸器對系統(tǒng)進(jìn)行控制，與其他繼電器相比，電磁接觸器運行效率更高，然而該繼電器的缺陷是觸電預(yù)防不完善，應(yīng)用風(fēng)險較高，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。除此之外，電磁繼電器需要使用更復(fù)雜的接線，無論是安裝過程還是使用周期中都很難對其進(jìn)行檢修維護(hù)，且維護(hù)成本較高。綜合PLC 技術(shù)可解決上述缺陷，利用虛擬繼電器取代傳統(tǒng)繼電器，提升反應(yīng)效率，完善返回量，應(yīng)用成效較好。應(yīng)用PLC 進(jìn)行啟?？刂?，可將原開關(guān)觸點升級為啟停模塊輸出點，自動化啟?？刂菩Ч?。應(yīng)用PLC 系統(tǒng)，可有效編碼工藝控制流程，對控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯優(yōu)化，系統(tǒng)運行中，可對不同生產(chǎn)線和不同類型機(jī)床進(jìn)行自動化啟?？刂?。

3.4 PLC 數(shù)控

應(yīng)用PLC 系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行控制，可分為直線型系統(tǒng)控制和點位型系統(tǒng)控制，其中后者在工業(yè)數(shù)控中較常用。利用點位型系統(tǒng)可進(jìn)行孔洞機(jī)床加工。PLC 數(shù)控系統(tǒng)可提升轉(zhuǎn)換加工效率，對孔洞機(jī)床加工的適用性較強(qiáng)。例如使用PLC系統(tǒng)進(jìn)行單板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計，對內(nèi)部裝置進(jìn)行整改，實現(xiàn)單板機(jī)和全智能數(shù)控優(yōu)勢的結(jié)合，改善應(yīng)用功能。在PLC 應(yīng)用發(fā)展中，數(shù)字化應(yīng)用和智能化應(yīng)用是主要方向。應(yīng)用PLC系統(tǒng)進(jìn)行自動控制時應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化抗電磁干擾性能，以加強(qiáng)運算控制精度，提升環(huán)境適應(yīng)性[3]。

3.5 智能倉儲管理

倉儲是工業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。為加強(qiáng)空間利用，需要對現(xiàn)代倉儲進(jìn)行立體倉庫設(shè)計，采用多層貨架模式充分利用存儲空間。該倉庫在應(yīng)用中必須通過運輸裝置運送貨物，應(yīng)用PLC 系統(tǒng)可以對立體倉庫進(jìn)行管理。PLC 控制系統(tǒng)可精準(zhǔn)控制輸入輸出操作，完善倉儲管理工作。通過該系統(tǒng)可隨時監(jiān)控倉儲數(shù)據(jù)，合理調(diào)配貨物。通過應(yīng)用PLC 系統(tǒng)可以緩解倉管工作壓力，提升自動化水平，提升倉儲空間的利用效率。以PLC 系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行立體倉庫設(shè)計時，主要需要設(shè)計5 個子系統(tǒng)，分別負(fù)責(zé)存儲、貨物運輸、控制頁面、信息管理系統(tǒng)以及倉儲監(jiān)控系統(tǒng)，5 個子系統(tǒng)運行執(zhí)行取貨送貨指令[4]。

3.6 步進(jìn)控制系統(tǒng)

應(yīng)用PLC 系統(tǒng)進(jìn)行自動化控制時，系統(tǒng)通常需要執(zhí)行多個控制動作，這些動作相互獨立，綜合完成對整體系統(tǒng)的控制。動作執(zhí)行需要依據(jù)一定次序，該系統(tǒng)即步進(jìn)控制系統(tǒng)，或稱順序控制系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)需要根據(jù)系統(tǒng)全周期運行的狀態(tài)變化進(jìn)行運行階段分解，規(guī)定運行順序，限制時間條件等，使其在不同內(nèi)部環(huán)境或輸入條件下執(zhí)行預(yù)期操作。應(yīng)用PLC 系統(tǒng)進(jìn)行步進(jìn)控制時，應(yīng)依據(jù)順序功能流程規(guī)劃各步動作，限定步驟推進(jìn)條件，符合條件時上步動作完成，下步動作開始。步進(jìn)控制在PLC 程序設(shè)計中應(yīng)用普遍，具有調(diào)試修改便捷的優(yōu)勢，且易于閱讀。

應(yīng)用步進(jìn)控制可節(jié)省人力，促進(jìn)生產(chǎn)降耗。例如在應(yīng)用該程序進(jìn)行火力發(fā)電控制時，通過PLC 系統(tǒng)科學(xué)控制設(shè)備運行順序，結(jié)合PLC 技術(shù)進(jìn)行輸入控制，保證能源材料充分燃燒，降低廢物排放量，通過自動化控制替代人員值班，可降低企業(yè)的運營成本。

步進(jìn)控制可對電氣設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)聯(lián)鎖控制。繼電器硬件所用電路通過步進(jìn)控制設(shè)計可優(yōu)化邏輯順序，提高運行的靈活性，增強(qiáng)控制的效率性與穩(wěn)定性。在應(yīng)用PLC 系統(tǒng)對步進(jìn)控制進(jìn)行編程時，可選擇起保停法設(shè)計、SCR 指令控制或者進(jìn)行置位復(fù)位設(shè)計。在該設(shè)計中，要重點對特定生產(chǎn)過程進(jìn)行步進(jìn)邏輯劃分，根據(jù)動作執(zhí)行邏輯順序和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行節(jié)點劃分，提前根據(jù)工藝要求設(shè)定動作順序，然后利用輸入信號控制動作執(zhí)行。使用信號輸入指令時需要進(jìn)行指令移位處理和信號比較，并聯(lián)合指令傳送，從而完成輸入過程。在該環(huán)節(jié)中可選用多種方法實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，但應(yīng)用指令可以簡化對順序控制程序的設(shè)計，降低系統(tǒng)CPU 的占用，使程序更快速完成掃描，降低工藝修改難度。在應(yīng)用步進(jìn)順序時，中間控制階段應(yīng)圍繞定時器開展，促進(jìn)自動化運行。常規(guī)情況下，在編程時設(shè)定定時器數(shù)據(jù)，當(dāng)受控對象發(fā)生工藝變化時，應(yīng)對定時器參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定[5]。

例如使用PLC 控制系統(tǒng)可對交通信號系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)用PLC 控制交通信號燈，利用系統(tǒng)的定時器功能和外部環(huán)境反饋的數(shù)據(jù)，對信號燈進(jìn)行漸進(jìn)式控制，該方法在岔路口交通指揮中具有較高的實用價值。PLC 交通信號自動控制系統(tǒng)中設(shè)有實時時鐘，通過PLC 編程全時段自動控制信號燈，緩解交通管理系統(tǒng)的壓力。PLC 控制器可聯(lián)網(wǎng)通信，交通部門通過PLC 控制系統(tǒng)可統(tǒng)一管理局域網(wǎng)，調(diào)控交通信號燈，有效地縮短了車輛候燈時間，在保證安全通行的同時提高了交通運輸?shù)男省?/p>

4 結(jié)論

綜上所述，在PLC 控制系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，應(yīng)完善細(xì)節(jié)設(shè)計，分析影響系統(tǒng)精度和效率的主要因素，優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用。PLC 系統(tǒng)應(yīng)用中的線路老化和其他相關(guān)因素會影響動作精準(zhǔn)執(zhí)行，干擾指令的傳達(dá)過程和終端系統(tǒng)的運行。PLC 控制系統(tǒng)在現(xiàn)代電氣設(shè)備控制中的應(yīng)用范圍較廣，為提高生產(chǎn)力，應(yīng)科學(xué)應(yīng)用該技術(shù)，促進(jìn)系統(tǒng)安全可靠運行，有效釋放人力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。