PLC 在電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳經(jīng)文

（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北 宜昌443000）

PLC 自控系統(tǒng)也就是常說的可編程控制器，從本質(zhì)來看，屬于多學(xué)科融合的工業(yè)控制模式，綜合性較強(qiáng)，逐步在生產(chǎn)生活、電氣制造等方面發(fā)揮出重要作用，電氣裝置的自控體系融入PLC 系統(tǒng)能夠有效保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，滿足運(yùn)行效率需求。此外，PLC 技術(shù)的應(yīng)用也推動(dòng)著電氣裝置的自控體系朝著更加完善的趨勢發(fā)展，幫助公司優(yōu)化電氣設(shè)備的自控模式。當(dāng)前PLC技術(shù)已然成為現(xiàn)代電氣裝置自控體系的核心組成，可以輔助公司進(jìn)行生產(chǎn)管理優(yōu)化，減輕技術(shù)人員的工作負(fù)擔(dān)，降低成本投入。不僅如此，還能夠保證公司在工業(yè)制造過程中達(dá)到預(yù)期的效率指標(biāo)且產(chǎn)品質(zhì)量可靠。由此來說，以PLC 技術(shù)為基礎(chǔ)的電氣控制系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)模式有了較大的突破。

1 PLC 控制系統(tǒng)在電氣設(shè)備中的設(shè)計(jì)

1.1 評估控制任務(wù)

伴隨PLC 技術(shù)的逐步成熟，在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮出重要作用，目前大多數(shù)工控操作都可以借用PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要判斷是否需要搭建PLC 系統(tǒng)以及系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量的確認(rèn)，同時(shí)要明確具體的控制方式，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)和生產(chǎn)目標(biāo)，綜合分析目標(biāo)系統(tǒng)的特性和復(fù)雜度。應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)角度著手分析：第一，控制系統(tǒng)的整體規(guī)模。第二，生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)雜度。第三，系統(tǒng)可靠程度能否達(dá)標(biāo)。第四，信息數(shù)據(jù)的處理效率。

1.2 I/O 點(diǎn)數(shù)確定

測定系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要的輸入輸出接口參數(shù)，以及具體的I/O 模塊。除此以外，還需要把控目標(biāo)系統(tǒng)和PLC 的交互方式，便于對PLC 內(nèi)存合理分配。

1.3 PLC 機(jī)型的選擇

PLC 系統(tǒng)已經(jīng)成為電氣裝置自控體系中的核心部分。在判斷PLC 系統(tǒng)的型號類別、電源參數(shù)，接口數(shù)量以及內(nèi)存配比等方面要嚴(yán)格注意。保證電氣裝置的型號匹配，有助于提升PLC系統(tǒng)的運(yùn)行效率，為公司創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1 PLC 控制系統(tǒng)的硬件組成

PLC 也就是可編程控制器，指的是采用數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)的電子設(shè)備，目前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。通常系統(tǒng)硬件部分分為兩個(gè)模塊：其一是機(jī)箱和顯示設(shè)備，機(jī)箱內(nèi)配備有系統(tǒng)數(shù)據(jù)，模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)化模塊以及故障切除裝置等；其中主機(jī)用于傳輸并解析各項(xiàng)運(yùn)行命令，并完成對電機(jī)速度參數(shù)的控制以及輔助模塊的優(yōu)化。數(shù)字量包括有控制器，開關(guān)組件和觸發(fā)信號，經(jīng)由放大后可以控制具體的閥門和繼電裝置等。模擬量主要是收集電流，電壓以及溫度等信號。故障切除模塊，可以在電機(jī)溫度超標(biāo)，壓力參數(shù)過大以及柴油機(jī)運(yùn)行異常時(shí)進(jìn)行故障處理，避免影響擴(kuò)大化。

PLC 控制系統(tǒng)，能夠有效采集伺服電機(jī)的信號并完成處理，保證機(jī)車系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁控制和邏輯控制等功能。從本質(zhì)來看，是借助一系列通過程序操控的內(nèi)存模塊，完成程序設(shè)計(jì)，通過邏輯量來執(zhí)行各種用戶操作，最終經(jīng)由數(shù)字量、模擬量以及接口模塊完成實(shí)際的設(shè)備操作。因?yàn)橄到y(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行在較為惡劣的環(huán)境條件下，且系統(tǒng)輕便，便于操控，所以受到工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，逐步成為工控體系中不可替代的一部分。

1.4.2 PLC 控制系統(tǒng)優(yōu)勢

第一，在實(shí)際搭建PLC 系統(tǒng)時(shí)，所需要的安裝、調(diào)試過程較為便捷。這是由于PLC 采用程序控制，突破了傳統(tǒng)模式中繼電設(shè)備和計(jì)數(shù)裝置的限制，優(yōu)化了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，減輕工作負(fù)擔(dān)。

第二，實(shí)際應(yīng)用PLC 系統(tǒng)時(shí)，程序結(jié)構(gòu)簡潔，易于設(shè)計(jì)。通常使用的編程方式為梯形圖語言，這是面向用戶的程序設(shè)計(jì)。可編程控制器實(shí)際運(yùn)行梯形圖的過程中，可以通過內(nèi)部的解釋器將其轉(zhuǎn)化成匯編語言，從而完成對應(yīng)操作。正如我們熟知的是，PLC 系統(tǒng)的符號同電路原理類似，梯形圖設(shè)計(jì)更加直觀，便于上手操作。掌握繼電器原理圖的工作人員能夠在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)梯形圖編程模式，完成功能設(shè)計(jì)。

第三，適用范圍廣，外部硬件設(shè)備成熟且應(yīng)用方便。以當(dāng)前PLC 系統(tǒng)的發(fā)展來說，可編程控制器具有規(guī)范化，模塊化，程序化的特點(diǎn)，外部配套的硬件設(shè)備成熟，能夠滿足不同用戶的差異性需求。實(shí)際搭建系統(tǒng)時(shí)，可以結(jié)合系統(tǒng)的具體功能完成結(jié)構(gòu)配置，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)功能。同時(shí)系統(tǒng)接線方便、通過接線端子即可實(shí)現(xiàn)交互。在系統(tǒng)搭建完成后，通過全面的安全檢測即可運(yùn)行使用。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或被惡意篡改，可以將其發(fā)送到存儲空間，進(jìn)行備份，有助于系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1.5 PLC 系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計(jì)

1.5.1 電源部分的抗干擾設(shè)計(jì)

電源變壓裝置是電源模塊的核心部分，期望有效抵消干擾因素，通常選擇隔離變壓設(shè)備，同時(shí)容量參數(shù)往往要超過額定需求的1.2 倍以上。PLC 系統(tǒng)使用的電源模塊，要在允許的情況下，加裝濾波設(shè)備，選用雙絞線模式進(jìn)行級連，由此便可以降低信號干擾，提升運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.5.2 輸入輸出信號的抗干擾設(shè)計(jì)

期望輸入、輸出信號保持穩(wěn)定，需要借助絕緣I/O 組件。（1）對于輸入信號的干擾來說，主要是線路之間的差模干擾，應(yīng)當(dāng)借助濾波器進(jìn)行消除，同時(shí)線路和大地間的共模干擾可以利用接地控制進(jìn)行消除。（2）輸出部分的干擾大多是PLC 的開關(guān)量，結(jié)合負(fù)載情況進(jìn)行優(yōu)化。

1.5.3 外部配線的抗干擾設(shè)計(jì)

系統(tǒng)外部線路之間出現(xiàn)的互感和分布電容會(huì)干擾信號的傳輸。期望降低干擾的影響，要為交直流的輸入、輸出都配備相應(yīng)電纜線路。此外，還需要在集成線路和晶體管電路中增設(shè)屏蔽模塊。

2 PLC 技術(shù)在電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

2.1 PLC 機(jī)型與功能的選擇

技術(shù)人員進(jìn)行PLC 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的過程中需要考量電氣自控體系的根本目標(biāo)，選用同電氣系統(tǒng)運(yùn)行工況和控制目標(biāo)相匹配的型號，同時(shí)要嚴(yán)格把控PLC 系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。是否可以真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)是關(guān)鍵所在，為系統(tǒng)預(yù)留操作空間是PLC 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)，由此可以保證電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中的延展性，確保PLC 系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的控制要求，推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域的穩(wěn)步前行。

2.2 I/O 地址的選擇

I/O 模塊的地址是電氣裝置自控系統(tǒng)的基石，也是完成PLC控制的關(guān)鍵。因此需要操作人員把控好I/O 地址的確認(rèn)，確保控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。操作人員設(shè)計(jì)地址參數(shù)的過程中，要綜合分析系統(tǒng)功能，有助于電氣裝置的自控體系具備良好的延展性，符合公司的生產(chǎn)需求。離散模式的輸入輸出在實(shí)際確認(rèn)時(shí)要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)完成，由此保證PLC 系統(tǒng)中開關(guān)量、傳感裝置等模塊的通用性。若操作人員進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)時(shí)選取差異化的電源指標(biāo)，本文認(rèn)為應(yīng)當(dāng)增設(shè)隔離開關(guān)來保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2.3 系統(tǒng)控制元件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊是保證電氣裝置自控體系實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能的核心要素，要保證以存儲設(shè)備的合理分配為基礎(chǔ)，進(jìn)一步完成空間配置，同時(shí)要選用指定的存儲設(shè)備、初始系統(tǒng)、功能組件以及輔助模塊進(jìn)行測試，其中需要重點(diǎn)調(diào)試軟件程序，這也是最為重要的一部分。期望控制模塊達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，滿足相應(yīng)的運(yùn)行目標(biāo)，就需要操作人員在實(shí)際控制系統(tǒng)中裝設(shè)控制模塊，通過具體測試來判定性能是否達(dá)標(biāo)。

3 PLC 在電氣設(shè)備上的應(yīng)用舉例

某企業(yè)的生產(chǎn)線選用20 世紀(jì)80 年代設(shè)計(jì)的電氣自控體系，通過繼電設(shè)備、接觸模塊進(jìn)行控制。整體上接線繁瑣，事故率高，難以運(yùn)行維護(hù)，同時(shí)經(jīng)由長期的運(yùn)行使用后老化明顯。基于此，我們決定對原有的控制體系進(jìn)行優(yōu)化，利用可編程控制器替換傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，增設(shè)通信模塊，動(dòng)態(tài)反應(yīng)各個(gè)部件的運(yùn)行工況，做好事故預(yù)警措施。真正實(shí)現(xiàn)控制與監(jiān)測的有機(jī)結(jié)合。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對于原有生產(chǎn)線進(jìn)行控制優(yōu)化，結(jié)合具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和控制設(shè)備，確定好實(shí)際的地址參數(shù)。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的外部干擾和污染程度。確定使用由美國AB 公司研發(fā)的SLC500 型號可編程控制設(shè)備，配套兩級監(jiān)控體系。上位機(jī)作為同操作人員的交互樞紐，完成實(shí)際PLC 系統(tǒng)的軟件調(diào)試和程序架構(gòu)，并控制下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和信號監(jiān)測，自動(dòng)管控現(xiàn)場的生產(chǎn)設(shè)備。不僅如此，還需要和終端進(jìn)行交互，將需要的數(shù)據(jù)資料打印記錄。下位機(jī)是數(shù)據(jù)監(jiān)測的核心，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)測定和流程把控等功能。屬于面向過程的控制模式，通過兩個(gè)處理設(shè)備分別進(jìn)行模擬量和數(shù)字量的分析，經(jīng)由通信模塊進(jìn)行交互。SLC500 型號的設(shè)備能夠有效消除外部干擾，根據(jù)實(shí)際的控制目標(biāo)和精度要求，可以選用配套的指令集合、高級程序架構(gòu)以及輔助模塊。目前最新的可編程控制器可以為用戶提供960 個(gè)I/O接口，能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程設(shè)計(jì)，具有三種運(yùn)行狀態(tài)，且內(nèi)置有通信模塊，無需外部網(wǎng)絡(luò)組件即可進(jìn)行信息的高速交互。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 采用美國AB 公司的RSVIEW32 監(jiān)控軟件進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

通過AB 公司研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成組態(tài)設(shè)計(jì)，直觀清晰地實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制任務(wù)。組態(tài)系統(tǒng)在Windows 環(huán)境中以標(biāo)準(zhǔn)窗口進(jìn)行顯示，便于用戶操作，僅需要通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊即可完成控制功能。監(jiān)控模塊借助結(jié)構(gòu)化編寫方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的初始操作和數(shù)據(jù)類型定義。PLC 系統(tǒng)可以借助存儲單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，根據(jù)數(shù)據(jù)模擬實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)圖，反應(yīng)設(shè)備工況，并給出相應(yīng)的參數(shù)改變情況。綜合實(shí)際情況傳輸新數(shù)據(jù)并發(fā)送操作指令。

3.2.2 下位機(jī)編程軟件

程序編寫環(huán)境也是由美國AB 公司設(shè)計(jì)搭建的，平臺中提供了33 位的梯形程序編寫模式。可以穩(wěn)定運(yùn)行在Windows 環(huán)境下，為用戶提供簡潔的操作界面，易于完成梯形圖設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高工作效率，降低成本投入。

3.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在PLC 內(nèi)部程序上選用抗干擾措施；（1）儀表與PLC 分柜安裝，增強(qiáng)抗干擾能力；（2）認(rèn)真設(shè)計(jì)輸入輸出路徑，在確保系統(tǒng)完善的基礎(chǔ)上，盡量壓縮輸入輸出點(diǎn)數(shù)。

4 結(jié)論

綜上所述，PLC 自動(dòng)控制技術(shù)對于電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)來說可以簡化繼電器邏輯，這樣不僅可以使整個(gè)電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)得到簡化，還能進(jìn)一步提高電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行中的功能性、穩(wěn)定性、可靠性以及安全性。