PLC在電氣自動化控制系統中的應用

文/黃智英 柴春花

PLC在電氣自動化控制系統中的應用

文/黃智英 柴春花

信息技術、網絡技術、微電子技術等新興技術為現代化工業發展注入了新的活力，提高了工業在我國國民經濟發展中的地位，使工業成為我國社會經濟快速發展的重要推動力。在工業電氣自動化領域，傳統的電氣自動控制系統由于多使用電氣線路的實際接線方式，導致其存在變更困難、耗時耗力的問題。PLC針對這一問題，只在輸入端與輸出端使用較小的接線量，且具有高可靠性、高抗擾能力、維護變更方便等優勢，在電氣自動化領域極具發展前景。本文對PLC在電氣自動化控制系統中的應用方向與應用前景進行了探索與分析，對提高工業電氣自動化水平具有一定參考意義。

PLC 電氣自動化控制系統 順序控制

1 引言

工業是我國經濟發展的支柱性產業，是推動中國經濟高速增長的重要力量，自改革開放以來，工業在中國國民經濟中占有舉足輕重的地位。隨著我國社會經濟的快速發展與信息化程度的提高，信息技術、網絡技術、微電子技術等新型技術都得到了長足的發展，在提高我國工業自動化水平方面具有重要積極意義。工業電氣自動化是工業現代化的重要標志與核心技術，在現代工業體系中發揮著非常重要的作用，在世界工業發展史上具有劃時代的意義。工業電氣自動化可以改善勞動者的勞動環境條件，提高工業生產的自動化水平，進而提高工業生產的效率與工業生產的經濟性，因此，積極探討與深入研究國家工業電氣自動化的新技術及其應用實現具有十分深遠的現實意義。傳統的電氣自動控制系統之間多用電氣線路進行實際連接,這種實際接線的連接方式使得儀器設備的維護工作變得復雜繁瑣，一旦系統控制內容有所變化，需要大量變動電氣線路，極耗人力與物力。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的出現解決了傳統電氣自動控制系統存在變更困難的問題，在提高工業自動化水平的同時，為電氣自動化控制的應用與維修變更帶來了更多的便利，因而在工業電氣自動化領域廣泛使用。本文以PLC為研究對象，探討PLC在電氣自動化控制系統中的應用，對我國工業電氣自動化的發展具有重要促進意義。

2 PLC及其特性

PLC是一種數字運算操作的電子系統，其采用一類可編程的存儲器用于內部存儲程序與控制邏輯，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC 的工作原理是，在系統程序的管理下，通過運行應用程序，對控制要求進行處理判斷，并通過執行用戶程序來實現控制任務。PLC的基本結構組件包括電源、CPU、系統程序存儲器、用戶程序存儲器、接口電路、功能模塊以及通信模塊，電源為PLC系統的運行提供穩定的交流電壓；CPU是PLC系統的核心，負責判斷系統的狀態，并根據實時狀態控制數據的處理與數據的傳輸發送；系統程序存儲器用于存放系統軟件；用戶程序存儲器用于存放編寫好的應用軟件，是所有操作命令的集合；接口電路用于系統輸入輸出數據與信號；功能模塊包括定位功能、計數功能等模塊；通信模塊用于在PLC系統的輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個階段的聯網通訊。PLC的工作流程為，首先根據本掃描周期輸入采樣階段所處的狀態輸入映像區中的數據，在程序執行階段和輸出刷新階段，輸入映像區中的數據不會因為有新的輸入信號而發生改變；接著將程序輸出指令的執行結果輸出為映像區中的數據，在輸入采樣階段和輸出刷新階段，輸出映像區的數據不會發生改變；最后，將輸出狀態寄存器中的數據作為控制信號，經由與外部負載連接的輸出端向各輸出點傳達，以控制工業設備的運轉狀態。

PLC在在電氣自動化控制系統的應用方面具有獨特的優勢，具體優勢與特性如下：

2.1 高可靠性與高抗干擾能力

工業電氣設備的可靠性是影響設備質量的重要因素，也是工業領域密切關注的關鍵性能。現今多通過用大規模的集成電路制造并形成PLC的內部電路，在設計與制造的過程中也有詳細完善的生產工藝作為生產指導，因此，制造出的PLC具有高可靠性與極強的抗干擾能力，能夠保障PLC連續工作20000小時以上而不發生故障，具有其他電氣設備所不能相比的。

2.2 編程語言簡單易用

PLC采用的編程語言種類豐富，如梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結構化語句描述語言等，這些語言簡單易學，極易理解與掌握，相關工程技術人員可以在較短的時間內精通PLC的編程語言，并將其編寫成指令，實際應用于工業電氣自動化控制中。

2.3 多樣化、高適用性

目前PLC種類多樣、功能多樣，但是PLC的工作原理與組成結構基本類似，因此其多樣的產品系列已經完善而齊全，用戶可以根據的自己的需要與自動化控制的規模大小，靈活地組合PLC的模塊，實現PLC系統的可定制、可配置，使其在工業電氣自動化中具有較強的適用性。此外，PLC具有較強大的計算能力，在工業電氣自動化控制中，PLC可以利用其強大的邏輯處理功能模塊實現對數據的快速正確處理，滿足自動化控制中大數據量的計算需求。

2.4 維護工作簡單方便

由PLC的工作流程可知，PLC只在輸入端與輸出端有實際的電氣線路，系統內的其他線路則是通過軟件進行連接，減少了系統需要的接線量。此外，PLC具有很強的自我診斷能力，PLC能夠在自身發生故障時，及時將其所診斷出的故障信息傳遞給相關工程技術人員，幫助技術人員快速判斷與識別故障信息，盡快找到故障發生的原因與故障發生位置，提高故障的檢修率與時耗。

3 PLC在電氣自動化中的應用方向與應用場景

在工業電氣的自動控制領域，PLC具有極為廣泛的應用前景，本文從順序控制與開關量控制兩個應用方向分別進行闡述。

3.1 PLC在順序控制中的應用

順序控制是工業生產過程、工程機械設備等領域中的一種典型控制方式，順序控制是指按照工業生產的預先設置好的工藝順序，各個執行機構依次有序地執行相應的操作，執行操作的先后順序應當嚴格按照生產工藝的順序，以保證整個工業生產過程的正常運轉。順序控制在工業領域應用甚廣，例如包裝生產線、搬運機械手的運動、火力發電廠除灰系統的運作等。以火力發電廠的除灰系統為例，除灰系統以壓縮空氣為除灰的動力源，通過密封管道除去粉煤灰并以壓縮空氣為載體將粉煤灰傳輸運送到灰庫中，經由灰庫向外無污染排灰，保證鍋爐系統的正常運轉。除灰系統的運行流程是串行的，首先將化石燃料燃燒后產生粉煤灰從鍋爐中清除并排入到倉泵中，然后不斷向倉泵中輸送壓縮后的空氣，通過空氣的流動帶動倉泵內的粉煤灰的流動，實現粉煤灰的加壓流化，接著將流態粉煤灰與流動氣體經出灰閥排出到灰庫中，最后通過持續的進氣，不斷吹掃倉泵與輸灰管道中殘存的粉煤灰，實現電廠的除灰過程。因此，通常都是使用PLC來控制如除灰系統這類順序控制系統。系統的運行管理人員通過在控制室內對電腦進行操作，遠程控制氣力除灰系統的進灰閥、進氣閥、出灰閥等，實現對除灰系統進灰、加壓流化、送灰、吹掃這一串行流程的遠程運行控制，減少除灰系統的人工操作，提高除灰系統的自動化程度與正確運轉機率。監控人員通過操作監控室中的電腦，對除灰系統所在現場的傳感器進行遠程控制，實時獲取現場傳感器發送回的現場視頻等信息，實現對除灰系統運行狀態的遠程監控，降低電廠人員值班的成本支出。

3.2 PLC在開關量控制中的應用

“開”和“關”是通電設備的最基本、最典型功能與狀態，開關量用于反映開和關兩個狀態，用0和1來表示，要不就是開的狀態，要不就是關的狀態，通常來說，只有開和關兩種狀態的物理量都可以稱之為開關量，如繼電器的接通或斷開等。開關量可以分輸入開關量和輸出開關量，輸入開關量一般都是指獲得某個設備的開關狀態的反饋，開關量控制指的是對于某些設備的開關進行指令控制，通常開關量控制是通過內部繼電器實現開關量的輸出。開關量控制系統是熱工自動化應用當中使用的一種程序控制系統，PLC通過用虛擬的繼電器取代實體機械繼電器，在電路斷路器的控制應用中，由于虛擬繼電器的反應時間極短，幾乎可以忽略不計，虛擬繼電器可以在極短的反應時間內控制電路的斷路與開關，解決了機械繼電器反應時間較長，不同電路的斷路存在時間差的問題。尤其隨著機組的容量越來越大，系統越來越復雜，參數越來越高，例如一臺500MW發電機組的主機控制設備約1600個，從啟動到并網開關量操作有400～600個，在對這些設備進行同時操作時必然存在指令與執行延誤的問題，會對設備與器材造成一定的損耗，而采用PLC進行開關量控制，則可以實現大量設備與機械器材的同時、方便、可靠的運轉，實現對大量設備開關量的統一控制。

4 結論

PLC是在系統程序的管理下，通過運行應用程序，對控制要求進行處理判斷，并通過執行用戶程序來實現控制任務。由于其可靠性高、抗干擾能力強、變更維護方便等特性與優勢，PLC在工業電氣自動化領域具有較廣的發展前景。本文以PLC為研究對象，分析PLC在電氣自動化的順序控制與開關量控制中的應用場景，對提高PLC在電氣自動化控制系統中的應用與普及具有重要的積極意義。

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作者單位巴音郭楞職業技術學院機械電氣工程學院 新疆維吾爾自治區庫爾勒市 841000

黃智英（1973-），女，四川省渠縣人。大學本科學歷。現為巴音郭楞職業技術學院機械電氣工程學院講師。研究方向為電氣自動化。柴春花（1979-），女，甘肅省武威市人。大學本科學歷。現為巴音郭楞職業技術學院機械電氣工程學院講師。研究方向為機械制造及自動化