PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用

朱燕 李敏

（炎黃職業技術學院 江蘇省淮安市 223400）

受制于傳統電機的系統構架、技術模式較為滯后，傳統型電機設備的控制系統的應用程序由于無法有效識別端口，進而導致傳統電機無法對所需數據進行讀取和分析。與此同時，傳統型電機也無法完成對自身的實時監控和運行狀態評估，導致運維人員無法第一時間發現并解決隱患。基于上述情況，更加智能且全面的PLC 技術在電氣工程自動化控制領域逐漸獲得青睞，該技術在提升電機運行效率、保障運行質量和穩定性方面，表現優異。

1 PLC技術應用背景

Programmable Logic Controller 的英文簡稱為PLC，中文名稱為“可編程邏輯控制器”，主要應用于工業領域的數字運算操作電子系統。通過借助計算機技術，PLC 技術得到持續革新，運行質量明顯得到質的提升。隨著PLC技術在工業領域所發揮的作用不斷增強，科研人員和技術人員對該技術的研究也在不斷深入，不僅使PLC技術在自動化領域獲得了廣泛認可，還為促使其進一步發展積累了豐富的實踐經驗。從PLC 技術在電氣工程自動化控制的應用效果角度看，對于該技術的應用越發成熟，尤其在開關量的邏輯控制以及數字量的智能控制等方面具有廣泛的實踐基礎。

2 PLC技術及其系統構成剖析

2.1 PLC的技術分析

繼電器屬于傳統型電機設備系統的重要組成部分，其具有較強的電磁干擾特性，信號傳輸期間，所產生的電流較大，設備周圍所形成的電磁場較強，可能會對系統中的其他電此信號的傳輸造成較大的干擾。例如，電磁繼電器產生的磁場可能會與電機設備周圍的高壓線路產生的磁場重疊后形成加強區域，不僅導致磁場輻射范圍顯著擴大，還對電機設備系統造成明顯影響。PLC 技術下的機電設備，主要通過輸入和輸出兩種方式降低電磁信號的干擾，進而減少接觸不良等問題的發生[1]。

傳統機電設備的編程程序，則大多較為復雜，其內部運行機制脈絡較為復雜，經驗程序和系統程序交叉運行，除此之外還包括相應的驅動程序。除了編程程序復雜外，傳統機電還需存儲和處理數量龐大的數據信息，不僅會給技術操作者的操作行為帶來困難，還會導致電機的運行效率難以得到提升。反觀采用PLC 技術的機電設備，其編程較為簡單，且借助于計算機技術和互聯網技術，可以對機電設備進行遠程操控，極大程度上提到了管理者和技術人員對電機系統的操控能力。采用了PLC 技術的應用程序還可以對多種信號和程序進行自動識別，避免了操作人員反復、大量輸入系統運行指令。例如，操作人員需要通過USB 接口才能對傳統機電設備的控制系統進行編程或輸入指令，且需等待系統識別后才能進行相應操作。但借助于PLC 自動識別技術，機電系統可以自動識別指令并對相應端口進行自動驅動。

2.2 PLC技術的架構分析

圖1：PLC 結構框圖

PLC 技術系統的主要架構通常包括五部分：終端處理器、交換機、存儲器、傳輸設備和電源系統，其工作流程為：大量數據經過終端處理器的處理后，傳輸設備對處理后的數據進行加密并傳輸至交換器，被加密的數據在交換器中進行解密，在根據指令傳送至存儲器中，進而實現了對信息的收集、處理、傳輸、分析和存儲[2]。

（1）系統指令屬于未加密的明文，在傳輸設備中采用二進制對數據進行加密。二進制下，傳輸設備會將自動收集到的信息轉換成由0 和1 組成的數字代碼，進行壓縮后再行傳輸，而這些由0 和1 組成的字符串，便是加密和解密的主體。PLC 系統采用二進制進行加密后，交換機設備便可以自動識別和處理所收集到的信息和指令，以滿足后續信息加工、處理需求。

（2）存儲器可以高速存儲海量數據，以滿足系統對數據的調取、傳輸和分析需求。

（3）信息系統還離不開電源系統的支持，電源系統是保證PLC 系統正常運行的關鍵，還可以根據機電設備控制系統的運行要求和實際運行狀態自動調節電流強度，以此保證系統平穩運行。

例如，當系統長期處于高壓運行狀態或監測到存在電流異常情形時，電源系統的自動保護機制會自動開啟，并通過切斷電源、發出警報的方式降低安全事故的方式概率，此外系統還具有上傳異常數據分析報告的功能，借此技術人員可以第一時間提出具有針對性的解決方案。

3 PLC技術在電氣工程自動化領域中的功能優勢

3.1 通用性強，便于操作

PLC 技術的編程語言的實際操作相對簡單，機電設備管理人員無需掌握全面且復雜的計算機編程技術，系統出于開發階段所需要的時間較少，現場調試時的操作也比較簡單、便捷。還可以在不拆除硬件的前提下，根據用戶的具體需求和機電設備的實際運行情況，在線更改控制方案，當然，設備運維人員也可以在現場對設備的控制程序進行調試。

PLC 控制系統具有軟件功能，通過合理利用軟件功能，可以實現繼電器控制系統中需要某些器件才能實現的功能，簡化了運維人員的操作流程，顯著降低機電設備安裝環節的工作量，減輕機電設備運維人員的工作壓力。因此，相較于繼電器控制系統，PLC 控制系統對提升電氣設備工作效率的作用更加突出。

此外，PLC 產品可以具有可實現標準化生產、占地空間小、操作程序簡約便捷等優勢。

3.2 抗干擾能力強，安全穩定

鑒于繼電器控制系統中的某些器件可以被PLC 控制系統的軟件功能所取代，直接減少了技術人員在接線方面的工作量，還有助于降低線路故障的發生概率。例如，PLC 控制系統下的機電設備即使處于較強的信號干擾下，其硬件和軟件也可以保持正常運轉，整個機電設備的硬件和軟件在運行過程中的連貫性和穩定性更強，產品的運行能力得到有效保障。

3.3 技術獲得廣泛認可

正因為PLC 技術在電氣工程領域具有諸多優勢，隨著我國成為世界制造行業的新陣地，大量的自動化生產線也進行了PLC 的應用改造。根據工控網統計的數據顯示，2019年我國PLC 市場規模約114 億元，其占到工業自動化市場規模的9%，位居第二大產品板塊。盡管2019年市場規模較2018年相比略有下降，但從近5年發展趨勢看，其市場規模仍處于發展態勢。在大型和中型PLC市場，受制于技術壁壘以及該技術對確保自動化生產穩定性、可靠性具有至關重要的作用，客戶對于產品的價格敏感度并不高，因此，西門子、通用、施耐德、羅克韋爾等公司占據絕對市場地位，反觀小型PLC 產品，由于其應用相對簡單，客戶更看重產品的性價比，因此該市場的供應商除西門子、三菱等傳統巨頭供應商外，信捷電氣、深圳合信等國內廠商的發展較快，獲得了客戶的認可。

4 PLC技術在電氣工程自動化領域的應用情況

電氣自動化領域中，PLC 技術憑借其所具備的全面、高效、智能化的功能優勢，其應用范圍處于持續擴大狀態中，主要可歸納概括為三個方面，即：開關量控制、閉環控制、順序控制。下面，將分別介紹PLC 技術在各個層面運用情況分析：

4.1 開關量控制

以繼電器控制系統為例，傳統電氣工程自動化設備中，內部線路復雜，運維人員需要用大量的時間進行梳理，其工作復雜度高，維護工作量大，還可能因為運維所需時間較長進而影響到設備的運行效率，嚴重時還會影響企業的生產經營。

PLC 控制系統則可以通過開關量控制功能對系統運行狀態進行實時監測，極大程度上緩解了運維人員的工作壓力，提升了機電設備運行的穩定性。其具體工作原理為：開關量控制功能可以對系統運行狀態進行實時監測，根據監測到的情況對電流大小進行自動控制，且當設備處于平穩運行狀態，開關量會處于低檔狀態；一旦設備系統處于高功率運行狀態，尤其是當其實際運行功率接近甚至超過機電設備的額定功率時，開關量控制系統會發揮調節功能，通過跳轉至輔助電源的方式以實現系統額定電壓的增長。

PLC 技術開關量控制系統所具有的自我故障診斷、修復功能，不僅可以對系統各個部分的運行狀態進行監控，對預判出的險情提前進行預警提示，自動調整和修復問題；還可以詳細記錄并分析已經發生的故障，運維人員定期對這些信息進行分析梳理，可以有效避免機電設備后續運行中出現相同的故障。由此可見，PLC 控制系統可以為機電設備的運維提供強有力的技術支撐，無論是隱患提前預警還是故障發生時的快速反應機制，亦或是故障發生后的數據分析功能，在有效降低電氣自動化控制系統故障方面發揮的作用，功不可沒。

4.2 閉環控制

電機啟動系統中涉及眾多技術，包括但不限于聲控、遙感、生物識別等，這些技術可能縮短電氣啟動所需時間，還具有操作便捷等優勢，但在后續運行環節中，易在狀態感知和調控等方面存在瑕疵。

PLC 閉環控制系統主要應用于電機啟動系統中，可以較少液壓、轉速、電流調控等方面的異常狀況。例如，當電機長時間處于高壓運行狀態時，其內部油管和電路所遭受的壓力不斷增加，一旦油管內部壓力突破1.0MPa，液壓油可能發生濺射，增加油管內部被腐蝕的隱患。利用PLC 技術的閉環控制程序，可以有效避免上述情況的發生，該程序可以對油管內部壓力進行實施監測，并根據感應器傳回的數據對設備的壓力情況進行分析后，進而控制調測開關。即使液壓狀態超過了正常范圍，自動控制系統可以通過特定操作減少液壓壓力，且只有在壓力達到正常范圍后，才會重新恢復操作[3]。

除此之外，PLC 技術的閉環控制系統在監測轉子的運行效率和溫度方面，同樣發揮著重要作用，具有平衡轉速與溫度的功能。例如，電機轉速的增加會削弱電機的散熱性能，因高速運轉的轉子造成電機的溫度超出正常值時，或電機長期處于高溫狀態時，設備內部的保險裝置很容易被損壞，輕則影響電機運行效率，重則導致電機毀損。

4.3 順序控制

通俗將，PLC 技術對于電氣工程自動化控制系統中的順序控制具有非常重要的功能價值，有效提升了自動化控制系統的運行效率和流暢度。例如，當傳統的電氣系統應用于火力發電廠時，可能會產生燃燒物或者不易分解或排出的雜質。為解決上述問題，電廠員工首先需要利用風機鼓風，將上述物質集中起來。然后再人工處置這些物質。這種方式不僅效率低，效果也不盡如人意，且電廠工作人員所面臨的工作環境也較為惡劣，不利于員工的安全健康。

使用PLC 技術后，傳感器系統可以對發電過程中產生的燃燒物或雜質進行檢測，然后觸發相應的程序實現對燃燒物及雜質的自動集中處置。由此可見，在火力發電廠生產經營過程中，應用PLC控制系統后，可以高效、便捷的處理發電系統的運行效率，及時消除燃燒物及雜質對發電系統運行安全的潛在影響，也有助于推動火力發電廠向綠色、環保、節能型電廠進行轉型。