PLC技術在機械電氣控制裝置中的應用探究

褚玉峰

引言

近年來，隨著我國科技的不斷創新，傳統技術在機電控制設備的實際應用中暴露出越來越多的問題。在這種情況下，就有必要對機電控制技術進行創新和改進。PLC技術作為領先的機械控制技術，不僅可以有效地提高機械設備的整體控制效率，同時能夠極大地提高機械控制裝置的自動化水平。

一、PLC 技術的概述

PLC技術，又稱可編程邏輯控制器是Programmable Logic Controller的簡寫，該技術通常以微處理器為基本，并且加入了計算機技術、現代通信科技、互聯網技術以及自動控制技術等在內的某種先進控制系統設備。PLC技術來源于20世紀70年代，并第一次成功地被運用到了汽車工業當中。后來由于信息技術的進步，PLC技術的計算能力、處理速度及其各種控制系統功能也不斷地提高和優化，并被廣泛運用到電氣設備自動化控制領域當中，進而逐漸形成統一的模式。而現如今，PLC技術應用發展中最重要的有FCS總線控制器和DCS集散控制器這兩種型式。筆者認為，PLC技術發展在未來必定會向著開放性的全分布式系統的走向蓬勃發展。

二、機械電氣研究現狀

由于計算機技術的發展，計算機控制技術也逐漸被運用在了制造業領域當中，工業控制計算機也應運而生，其技術水平、產品質量和應用價值都大大提高。90年代后期，我國自動化技術發展又面臨著第三次巨大的跨越。前兩次的科技跨越，依次是微電子技術為基礎的以模擬信號為首的電子設備和自動化儀表盤等，和由計算機高速計算所組成的以I/O功能模塊為首的大型管理系統等。而第三個飛躍則是以現場總線技術的出現和發展為標志，將以現代計算機技術、數據通信與控制技術融合為基礎的新系統。在這種系統的發展中，可編程控制器（PLC）也應運而生。起源于70年代初，并成功地在汽車制造業中廣泛投入使用；到了90年代，由于PLC的處理速度、計算與測控等功能的不斷商品化，使其不斷地向著電子—儀器—計算機控制一體化方向前進。在如今，以PLC為基本的PID回路控制系統，也普遍使用在電子產品的連續制造和小批量生產的流程中。而且，采用了PLC技術的DCS控制器也在越來越多的領域得到了應用。PLC由CPU、內存、I/O輸入輸出端口（輸入輸出接口、外圍設備端口、擴展槽等）、外部設備編程器和開關電源等構成。連接控制器總線、供電總線通道、位置總線通道和數據信息總線通道，PLC內部單元可以構成一臺整機。在外部，則按照控制對象選擇設備并選用相應的控制策略組成了一套整體的PLC控制器結構。而PLC則根據內部結構又可以分成固定式和模塊式兩類[1]。

三、在機械電氣控制裝置中PLC技術的類型

可編程邏輯控制器（PLC）是一種特殊的工業生產控制器，通過數字化操作系統。PLC技術是當前自動化相關技術分析和實踐環節中運用比較重要的一類技術方法，這類可編程的控制設備在多方面均可以表現出有利的作用價值。由于PLC控制系統采取了模組形式，內部結構緊密，控制系統配置靈活多樣，抗擾動力量強、可信度強、程序設計語句簡單易讀、柔性好、錯誤后能夠在線修正等優勢，廣泛應用于開關邏輯控制系統、機器自動數字控制、機器人控制系統、負反饋控制系統、多級自動控制器等。近年來，在煤炭開采機械、冶金機械設備等重型工業生產機械設備中，PLC技術逐步取代了傳統的繼電器觸發器控制系統，并獲得了不錯的效益。而PLC技術在工業產品制造中的廣泛應用則以DCS（集散控制系統）和現場控制系統（FCS）為主。

（一）集散控制系統

DCS主要用于控制風險分散、顯示集成和管理。它主要利用信息技術、自動控制技術和通信技術，通過特定的網絡與生產部門的監控主站和監控站互連，進行整體分配和集中管理。DCS的基本體系結構主要包括三個重要組成部分：通信總線、顯示裝置和控制系統。通信總線具有橋梁功能，并且聯絡起了控制部分和顯示部分。它的原則是“信息集中、危險分散”，即使信號也高度集中化，并且對設備制造整個過程中的質量管理也加以完善。

（二）現場總線控制

FCS控制系統是一個通信網絡，它與智能現場設備、數字式、雙面傳送、多分支架構互連，并支援多節點、總線型、雙向的全數字通信。FCS主要由低層infranet網、監控節點、現場環境等部分所構成，形成了一種全新的分布式網絡結構系統。現如今，FCS在制造業及智能化等應用領域也受到了更多的重視。

四、PLC技術在機械電氣控制裝置中的應用價值

（一）促使機械電氣控制裝置的功能多樣化

PLC技術在機械電氣控制裝置中的使用，可以通過對機械電氣控制裝置有關命令的編制來操控機械設備，并根據相應的命令手動操作。同時，PLC技術的可編程控制器也主要分為數據采集與程序控制二部分，它主要是通過對有關文字信號、圖形信息和所顯示的數據等進行收集，進而對所收集到的信號加以處理和加工，最后再將已處理好的數據結果顯示在機械電子操控裝置的屏幕上，以便于管理員對機器的管理。另外，利用PLC技術還可以對機器工作過程中產生的異常情況進行監測與告警，以此確保自身控制系統的安全性和電氣控制裝置的安全性，從而給公司經營創造了巨大的效益，為公司固定資產的生產安全提供了重要保證。

（二）簡化機械電氣控制裝置的操作過程

PLC是一個可編程的控制系統，而將PLC技術運用到機械電氣控制裝置中，有關技術人員能夠通過編輯命令來控制設備的運行，因此大大降低了人員生產成本，為有關技術人員的生命安全和財產安全提供了良好保障。總的來說，有關技術人員在對機械電氣控制裝置實施作業的過程中，只要求根據PLC產生的命令完成相應的動作，大大減輕了工作難度，簡化人為完成設備動作的復雜性，進而大大提高機械電氣控制裝置的工作質量，不斷推動了制造工藝與生產力的發展，并推動機械行業的長久發展[2]。

五、PLC技術在機械電氣控制裝置中的應用

（一） PLC技術在機械設備控制系統中的應用

對于機械設備的控制系統大致包括了集中式控制系統和分散式控制系統兩類，以下將分別對PLC技術在這兩類控制系統中的廣泛運用情況進行了剖析：首先，由于PLC技術在集約型控制系統中的廣泛運用，使得集中式控制系統包括功能較強的PLC中央控制系統以及其他的各類設備，而且它還能夠利用設備內部的合理程序及其適當的組合方法對特定程序加以管理，具有較高的運行效率。但此控制系統如果出現了故障問題，就應該馬上終止此控制系統的整體工作，從而防止它對整個制造流程造成的直接危害；其次，PLC技術在分散式控制系統中的運用。由于分散式控制系統在工作流程中，往往要求將多種不同生產線組合起來并實現合理的數據銜接，從而要通過多個機器對生產線實現有效管理，而將PLC技術運用在其中可以使得每一種管理對象被不同的PLC技術進行有效管理，同時PLC技術還可以直接結合某些信息通過實時傳遞系統網絡內部之間的連鎖反應，以便實現有效分散控制工作。

電氣控制裝置是電氣自動化系統的主要部分。有眾多復雜的設備和控制系統。由于傳統電氣控制裝置靈敏度較低、運行過程繁瑣、智能程度較低，它給電氣系統的控制帶來了很大的壓力。PLC技術廣泛應用于電氣控制裝置中，可以有效克服了中國傳統電氣控制裝置中存在問題。通過PLC技術在電氣控制裝置中的廣泛應用，基本完成了對電氣自動化系統的全過程數字監控，大大地提高了電氣自動化系統的整體性能。同時由于PLC技術與電子計算機的發展與運用，電氣機械自動化水平也獲得了明顯提升。以全方位、多功能、高度智能的自動化電氣控制設備，代替了中國傳統、簡單、設備落后的中國傳統自動化電氣控制設備。PLC工藝技術中的DCS架構完成了對電氣自動化系統的現場監測與流程管理，大大提升了電氣自動化系統的技術水平。通過PLC工藝技術管理數字化、信息化電氣系統，完成了設備和控制系統的高度集中管理與監控，有效縮短了運行流程，提升了工作效能。

（二）PLC技術在順序控制中的應用

電氣自動化系統的工作時間將越來越多，所以其效率變動也將會越來越大，這將會影響到運營制造流程的經濟性，但是采用適當的方式實現順序控制就能夠很好地改變這一情況。在當前的家電智能化控制過程中，所謂順序控制技術具體是指采用逐步調節控制器的組合開關量。而PLC技術則主要是指采用進一步的優化傳統繼電器控制單元，來逐步的提高控制器的順序特性和靈敏度。另外，其還能夠使得智能化裝置控制的單元更加模塊化，并以此來實現在整個工作過程中對智能設備的單元控制，這樣就能夠在很大程度上降低由于控制器順序紊亂而導致裝置控制質量差所產生的各種差異狀況。如在人機接口中的遠程IQ站和主站層的控制系統構建過程中科學而有效地采用PLC技術，另外還可以利用現場傳感器裝置來實現對監控站點的合理優化，進而利用集控室中的PLC控制系統來實現對電氣自動化裝置的合理調節等。這不但可以極大地提高系統整體的管理效能，而且系統運行起來也是相當簡單。

（三）PLC技術在開關量控制中的應用

要想將PLC技術在各類機電操控設備中的運用作用最大程度發揮出來，就必須充分了解開關量控制這一要素。但是，因為這個方法有很多使用點，它的連接操作也相當復雜，同時，它的運行穩定性和可靠性也很容易受到外部環境條件的限制，因此上述問題不但影響到其工作效果，同時還限制著其技術的進一步發展。所以，在積極開展電氣自動化控制系統工作中繼電器的改造與優化十分有必要，并由此來有效降低控制系統操作過程中出現故障的概率。具體可以通過PLC開關量控制來加以處理，這樣就可以很好地提高電氣自動化控制系統的工作品質。另外，通過這種技術的應用還可以實現對整個控制系統的集中管理，并且可以在系統實際工作的時候進一步完善這些有問題的部件，從而更有效地保證自動管理系統使用效果的提高。例如把PLC設備控制技術有效地運用到運輸系統中，里面的每一個帶式輸送機都通過兩個電動機來供給能量，這樣的話整個控制系統的總運送量就可以超過400t/h。如果使用開關量來實現控制，那么首先就需要開啟排列在最后的那臺帶式輸送機，之后再嚴格依照次序來將機組開啟，在運送工作完成以后，再通過合理地使用控制開關量依次將機組關閉，這樣就可以在極大程度上提高了運送工作時的控制效果，同時操控起來也是非常的簡單。

（四）在智能控制系統中的應用

PLC技術具有可靠性高、抗干擾能力強、邏輯控制功能強等特點，能很好地適應惡劣的環境。因此，將PLC技術應用到智能控制系統中，可以不斷提高系統的控制功能，從工業生產現場收集完整的資料，加強對項目現場的控制。由于采用了差分接收、半雙工、均衡傳輸等通信方式，有效地控制了共模干擾問題，一對雙絞線就可以完成多站組網工作，有效地減少了工業現場布線任務的工作量，更大程度節約了生產成本。

（五）空氣壓縮機中PLC技術的應用

當前，采用傳統的單片機實現機械控制的通用功能會增加工業機械電氣控制裝置受到影響的概率，導致工業機械電氣控制系統的生產效率降低。另外，傳統的機械式空壓機在很多方面都達不到相關標準，因此存在著很大的風險。而PLC工藝技術，作為一門新興的工業機械電器裝置控制技術，有著相當大的優越性，因此將它運用到空氣壓縮機中，也是必然趨勢。一般PLC工藝技術的空氣壓縮機都是利用微機控制和手動控制，針對煤炭制造作業中的實際狀況對空氣壓縮機加以調節，以便于達到安全、平穩、有效、規范的操作。其中，微機控制可以直接從生產中獲取溫度、氣壓變送器、斷水裝置等電子設備的工作信號，并將其送入CPU中進行數據處理，經處理后的數據處理信號便可以反映生產工作的實際情況，隨后再產生與其相對應的指令，使手動空中控制器可以根據指示實現對空氣壓縮機的調節與優化，從而大大提高了空壓機的工作效率。與傳統的單片機相比，它的靈活性和有效性更強，因此可以有效地提高空壓機的使用性能。

（六）對原理圖進行分析

原理圖對PLC技術在機電控制裝置中的應用具有指導作用。通過PLC技術可以指導整個機電控制系統的發展趨勢。因此，為了將PLC技術應用到電氣控制裝置中，有必要對原理圖進行檢查和分析，使其只有在原理圖沒有錯誤的情況下才能投入運行和實施。對于原理圖的分析，我們可以從以下幾個方面入手：首先，在電路原理圖中標出最基本的電氣設備。例如，在原理圖中應將電機的位置作明顯的標記，以清楚地顯示電路的基本情況，從而達到保護電路的目的，不斷提高系統的控制能力；其次，在設計原理圖的過程中，要結合機電控制裝置的結構，了解控制裝置的工作原理和類型，從而設計出與電氣控制裝置相匹配的PLC技術原理圖；第三，根據原理圖對設計電路進行檢查，及時發現并糾正問題，從而提高電路原理圖設計的合理性。同時，相關人員還應識別電路環節，明確電路保護裝置和控制器具，避免相關人員在實際機電操作過程中找不到相應裝置而造成不必要的損失[3]。

六、合理化運用PLC技術的方式

為了實現該技術的合理應用，必須進行準確的控制和分析，以避免相關因素的不利影響。首先要合理選擇設備和控制系統，并與相關軟硬件設備進行匹配，減少干擾。由于市場上使用的PLC設備豐富多樣，為了實現準確的分析和應用，需要在一定程度上考慮應用環境和條件。其次，要防止外部信號入侵，保護IO信號。這種干擾的實際范圍應小于電源干擾，但也應引起相關部門的重視，提高設備的實際抗干擾能力，加強信號濾波處理，科學安排信號傳輸方式，降低干擾強度。

結束語

綜上所述，在機械電氣控制裝置中運用PLC技術，不但可以改變傳統電氣控制系統的發展模式，解決傳統機械電氣控制系統面臨的某些問題，還可以大大提高企業的制造效益，降低投資，推動企業的高速發展。