電氣設備自動化控制系統中PLC技術的應用研究

張晟超

（紅塔集團大理卷煙廠，云南 大理 671000）

0 前言

現代工業生產技術漸趨成熟，以電氣設備為主要應用器械的生產環節加強了對釋放人力的探索，自動化控制成為發展的主流。以PLC 技術為核心的控制系統的應用效率較高，自動化水平相對完善，因此得到了廣泛的應用。為了更高效率地應用PLC 進行自動化控制，深化發展現代生產力，應該加強對PLC 技術的深化研究，明確其應用原理，持續優化應用環節，促進自動化的全面發展。

1 PLC 控制系統

PLC 即可編程邏輯控制器，是以存儲器為基礎部件、以可編程序為核心的應用技術。在應用PLC 技術時，由系統軟件接收解讀發出的指令，根據系統應用預期編制應用程序。在輸出點掃描相關數據，通過數據傳輸的形式傳輸數據，輸出點負責向處理器傳輸上述數據，從而指揮設備執行系統命令。PLC 主要由3 個模塊構成，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等。PLC 系統具備可操作性強、靈活性較高的應用優勢，自動控制系統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的應用功能。

2 技術應用優勢

2.1 結構靈活

PLC 系統應用主要通過編程控制器來實現，與常規控制器相比，該控制器具有結構靈活的特點，可根據應用預期靈活地設計結構。該控制器可分為大型系統和小型系統2 種結構模式，能結合實際需求應用和調整結構規模。小結構PLC的應用范圍相對廣泛，該結構的優勢是規格小、占用空間有限，不僅便于安裝而且功耗相對較低，節能效果較好。雖然大結構PLC 與小結構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，系統容量充足，系統總體性能更強大。

2.2 應用便捷

PLC 系統應用的操作和日常檢修難度較低，有效降低了應用成本。PLC 系統應用中可通過顯示屏直觀地了解控制過程，和繼電器系統比較相似，系統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過程，且邏輯控制復雜度較低，自動化程度較高，適用范圍廣。因該技術的設計屬于邏輯設計，簡化了外形線的應用，設計系統耗時更短，可較快完成設計過程，改寫程序和運行程序也更方便，設備檢修和設備排查效率更高，維護成本較低，應用更加便捷。

2.3 穩定性強

常規控制系統比較容易因受到干擾的影響而發生系統故障，從而影響設備的穩定運行。PLC 控制系統結構得到優化，在大規模集成電路中應用PLC 結構可實現穩定的系統設計，運行中不易受到干擾的影響。電流系統發生故障時，可迅速檢出，系統電路和應用設備不易受到損傷。設備發生故障后，報警系統將被觸發，PLC 系統接到警報進行遠程控制，實施抗干擾操作解除干擾故障，編程水平較高。

3 實際應用方向

3.1 系統模擬量監控管理

應用PLC 技術可對系統模擬量進行控制。自動化系統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、壓強控制和流速控制等。上述模擬量為非固定模擬量，處于動態變化中，通過PLC 系統進行模擬量控制，即可實現數據量與模擬量的轉換控制，記錄A/D、D/A 變化數據，監控變化過程，精準控制模擬量，實現實時監控。應用PLC 技術的壓力變送器的運行原理如下（見圖1）。該運行系統操作簡便，在輸入端輸入信號后，經過系統計算控制輸出指定模擬量，就可以對系統的運行進行控制。

圖1 壓力變送器

模擬量轉換的實現過程以數字量D/A 轉換和A/D 轉換為主，在該過程PLC 分析處理設備運行模擬量。PLC 可進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置PLC，交互傳輸信號，形成內部響應指令或進行連鎖控制。此外，可通過數據通信總線使用上位機分散控制通信任務，使用數據線連接各生產線，單元獨立PLC 系統控制單元對象。應用該設計可以保證單個PLC 發生停運故障時，其他生產線仍可正常通信。PLC 集中控制中，由單個PLC 控制多個電氣設備，控制體系為中央集中模式，系統中設備由中央PLC 進行統一調度，形成連鎖調度和步進控制等，該集成模式運行成本較低，缺陷是其中某對象需要進行程序調整時，中央PLC 需要停運，影響整個生產線。此外，應用PLC控制可進行運動控制，管理設備運行中直線運動過程或圓周運動過程，例如在電梯系統或機械人系統中，可采用多軸位置控制設計等進行系統控制[1]。

例如中央空調系統是生產生活常用系統，尤其是電子類生產線的車間必備設備之一即為中央空調設備，在生產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字控制器進行系統控制，但與之相比，PLC 控制的自動化質量較高，可有效抗干擾，系統結構設計較靈活，運行過程穩定性更高，檢修方便，應用優勢顯著。

在礦井提升機控制中，該設備在地面安裝后，以斜坡道或井筒為通道進行提升運行，以鋼絲繩為牽引控制提升容器。該設備屬于大型絞車，是煤礦開采的必要設備。通過PLC 系統進行變頻控制，可科學進行提升調速，提升工作效率。開車信號抵達后，啟動開車按鈕，PLC 控制系統在變頻器中接入AC380V 電流，促使設備運行，通過直流制動控制電機，預防出現溜車風險，同時釋放機械抱閘。PLC 系統控制設備速度曲線，可利用A/D 轉換信號，用變頻器輸出模擬量，完成控制過程。控制過程中同時應用旋轉編碼器，對提升速度、所處位置進行監控和調節。

3.2 閉環控制

PLC 控制系統雖然相對穩定，但是在運行中存在風險，受風險因素影響可能發生停產，此時通過啟動閉環控制可減少損失。閉環系統是提升系統安全系數的后備方案，設備常規運行受到影響時啟動閉環系統可保證設備持續運行，維持生產運作，降低損失，保持盈利，保證運行效率。閉環控制過程如下（見圖2）。

圖2 閉環控制過程

自動化控制運行時存在大量非固定量，應通過控制非固定量促進可編程儀器精準控制模擬量。PLC 系統可動態監控閉環控制系統，第一時間定位設備運行異常。實施閉環控制時，可進行自動化啟停，也可利用現場控制箱或者機旁屏進行手動啟動。PLC 控制是啟動泵機的主要方法，在PLC 控制中，根據泵機運行狀態可隨時調節控制操作。現場設備可使用機旁屏手動調試設備開關。在系統調節中分析泵機運行數據，科學控制泵機運行時間和運行強度，避免設備因超負荷運轉而加重耗損。使用機旁屏開關時，應先調整為手動模式。電氣設備控制通常在常規控制的基礎上聯合PLC 控制，通過綜合控制提升泵機回路的安全系數，降低設備發生故障的概率。在PLC 控制中需要進行電子調節與電液執行控制，還需要測量監控轉速等。通過多單元聯合控制，保證電氣系統調節器穩定運行，設置實際轉速時應根據調制解調器的運行情況設定相應參數，促進科學控制。

3.3 啟停控制

PLC 控制的核心是淘汰傳統繼電器，通過編程存儲器對設備運行進行控制，增強控制成效。開關量控制受到環境因素 的影響，導致運行效率受限。聯合PLC 通信技術完善繼電器應用，促進電氣設備高效穩定運行，對安全生產有積極意義。應用該控制模式可提升設備運行的精準度，簡化開關量控制流程。例如在控制電動機設備時，需要設置PLC 系統輸入端與輸出端的開關量。在該設計中，按鈕開關應分為2種模式，分別為接通狀態與斷開狀態，按鈕開關控制啟停狀態。接通狀態下，光耦合器內設有光點三極管，該三極管和輸入點I0.0 為對應關系，接通后二者導通，隨著輸入寄存器的變化，I0.00 經過轉換顯示為1，輸入點I0.0 指示開關量信號信息。按鈕接通時邏輯關系為“I0.0=1”，關閉時邏輯關系是“I0.0=0”，根據該邏輯進行二級制控制。在PLC 系統中對開關量進行控制時，繼電器通電條件為Q0.0=1，此時接觸器運行，系統控制電動機運行。與之相反，想要控制電動機停運的條件為Q0.0=0，此時繼電器、接觸器為非啟動狀態。簡言之，PLC 系統中開關量控制即對相關設備的通電狀態進行控制[2]。

在傳統系統中，多使用電磁接觸器對系統進行控制，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防不完善，應用風險較高，會影響系統的穩定運行。除此之外，電磁繼電器需要使用更復雜的接線，無論是安裝過程還是使用周期中都很難對其進行檢修維護，且維護成本較高。綜合PLC 技術可解決上述缺陷，利用虛擬繼電器取代傳統繼電器，提升反應效率，完善返回量，應用成效較好。應用PLC 進行啟停控制，可將原開關觸點升級為啟停模塊輸出點，自動化啟停控制效果更佳。應用PLC 系統，可有效編碼工藝控制流程，對控制系統進行邏輯優化，系統運行中，可對不同生產線和不同類型機床進行自動化啟停控制。

3.4 PLC 數控

應用PLC 系統對工業生產進行控制，可分為直線型系統控制和點位型系統控制，其中后者在工業數控中較常用。利用點位型系統可進行孔洞機床加工。PLC 數控系統可提升轉換加工效率，對孔洞機床加工的適用性較強。例如使用PLC系統進行單板機數控系統設計，對內部裝置進行整改，實現單板機和全智能數控優勢的結合，改善應用功能。在PLC 應用發展中，數字化應用和智能化應用是主要方向。應用PLC系統進行自動控制時應進一步優化抗電磁干擾性能，以加強運算控制精度，提升環境適應性[3]。

3.5 智能倉儲管理

倉儲是工業生產的重要環節。為加強空間利用，需要對現代倉儲進行立體倉庫設計，采用多層貨架模式充分利用存儲空間。該倉庫在應用中必須通過運輸裝置運送貨物，應用PLC 系統可以對立體倉庫進行管理。PLC 控制系統可精準控制輸入輸出操作，完善倉儲管理工作。通過該系統可隨時監控倉儲數據，合理調配貨物。通過應用PLC 系統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 系統為基礎進行立體倉庫設計時，主要需要設計5 個子系統，分別負責存儲、貨物運輸、控制頁面、信息管理系統以及倉儲監控系統，5 個子系統運行執行取貨送貨指令[4]。

3.6 步進控制系統

應用PLC 系統進行自動化控制時，系統通常需要執行多個控制動作，這些動作相互獨立，綜合完成對整體系統的控制。動作執行需要依據一定次序，該系統即步進控制系統，或稱順序控制系統。應用該系統需要根據系統全周期運行的狀態變化進行運行階段分解，規定運行順序，限制時間條件等，使其在不同內部環境或輸入條件下執行預期操作。應用PLC 系統進行步進控制時，應依據順序功能流程規劃各步動作，限定步驟推進條件，符合條件時上步動作完成，下步動作開始。步進控制在PLC 程序設計中應用普遍，具有調試修改便捷的優勢，且易于閱讀。

應用步進控制可節省人力，促進生產降耗。例如在應用該程序進行火力發電控制時，通過PLC 系統科學控制設備運行順序，結合PLC 技術進行輸入控制，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，可降低企業的運營成本。

步進控制可對電氣設備進行精準聯鎖控制。繼電器硬件所用電路通過步進控制設計可優化邏輯順序，提高運行的靈活性，增強控制的效率性與穩定性。在應用PLC 系統對步進控制進行編程時，可選擇起保停法設計、SCR 指令控制或者進行置位復位設計。在該設計中，要重點對特定生產過程進行步進邏輯劃分，根據動作執行邏輯順序和系統內部狀態進行節點劃分，提前根據工藝要求設定動作順序，然后利用輸入信號控制動作執行。使用信號輸入指令時需要進行指令移位處理和信號比較，并聯合指令傳送，從而完成輸入過程。在該環節中可選用多種方法實現對系統的控制，但應用指令可以簡化對順序控制程序的設計，降低系統CPU 的占用，使程序更快速完成掃描，降低工藝修改難度。在應用步進順序時，中間控制階段應圍繞定時器開展，促進自動化運行。常規情況下，在編程時設定定時器數據，當受控對象發生工藝變化時，應對定時器參數進行重新設定[5]。

例如使用PLC 控制系統可對交通信號系統進行優化。應用PLC 控制交通信號燈，利用系統的定時器功能和外部環境反饋的數據，對信號燈進行漸進式控制，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中設有實時時鐘，通過PLC 編程全時段自動控制信號燈，緩解交通管理系統的壓力。PLC 控制器可聯網通信，交通部門通過PLC 控制系統可統一管理局域網，調控交通信號燈，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的效率。

4 結論

綜上所述，在PLC 控制系統的應用過程中，應完善細節設計，分析影響系統精度和效率的主要因素，優化技術應用。PLC 系統應用中的線路老化和其他相關因素會影響動作精準執行，干擾指令的傳達過程和終端系統的運行。PLC 控制系統在現代電氣設備控制中的應用范圍較廣，為提高生產力，應科學應用該技術，促進系統安全可靠運行，有效釋放人力，促進經濟發展。