電氣工程控制系統中PLC技術的應用分析

煙臺港集裝箱碼頭有限公司 齊英君 趙海銘

信息化技術的不斷研發和更新為我們的生產與生活帶來了極大的便利，其中PLC 技術也在一定程度上得到巨大的提升。PLC 技術為可編程的邏輯控制器技術，其在極其設備的制造中有著十分重要的應用。主要是因為該計算能夠對開關和順序進行自由控制，達到機械設備操控的自動化效果和目標。因此在電氣工程的控制系統中，要想切實提升其工程的自動化控制技術，則必須要對PLC 技術進行詳細法分析，以此來提升整體工程的自動化控制水平，加快生產效率，為人們提供高效、高質量的電氣服務。

1 PLC 技術的概念

PLC 技術是一種可以被擴展的編程控制器，也是一種基于計算機技術的控制方式。在本身PLC 系統中會分布如電源、中央處理器和模擬量的輸入和輸出模塊等形式，以此來實現真正的智能控制功能。PLC 技術原理為：結合輸入模塊的運行，將現場被讀取到的信號和設備狀態輸入到系統中，隨后結合中央處理器來根據程序所編寫的邏輯關系來實現智能的邏輯控制。

隨著計算機技術和自動化控制技術的不斷發展，很多人員將計算機和PLC 技術融合在一起，將其組合成為大型的DCS 系統[1]。同時在系統中也應用到了高速CPU 和計數以及脈沖控制等模塊內容，進而提升PLC 在實際過程中的控制能力，并且也可實現有效的數據共享和快速的程序設計等功能，并根據這些靈活的程序設計來以語句表和梯形圖來系統的表示現有的工藝流程。

2 PLC 技術的特點和應用價值

2.1 特點

其有著極為廣泛的應用。在目前的相關工程生產作業中，將PLC 或者是一些工控機等工控設備應用到生產過程中已經是現代制造企業普遍的做法，也可以表示為，現代的產品生產與制造、工業生產都離不開PLC 系統[2]。結合該系統能夠實現真實的人機交換、準確且高效的設備遠程可控制以及精準參數設置等功能，在工業生產現場可以隨處可見數據的實時傳輸。同時也可經過靈活的程序開發來對設備本身的智能化和自動化以及網絡技術化水平進行全面提升。另外在工業現場中，可以利用通訊協議來將其分散的控制節點和上位機進行融合，共同組成一套大型的控制系統，為技術人員乃至整個工程的生產與建設都創造了極大的便利條件。

網絡化的工業生產。在PLC 系統中，其所實現的數據集散控制和遠程的提取與控制等內容都是依靠著其本身靈活多樣的通訊接口所實現的，如目前工業生產中應用較為廣泛的數據監控平臺、DCS 系統等[3]。同時PLC 系統能夠利用自由口和Modbus等通訊協議來實現第三方設備的通訊。并且該系統也可利用時序的控制來對單一的網絡進行數據輪詢的操作，提升了整體網絡的利用率，拓展其利用的實際范圍。在PLC 豐富的通訊協議接口支持下，其能夠將現場的一些設備以數字化整合的方式共同融入到DCS 控制系統中，以此來實現現場設備層的有效控制，如傳感器、智能儀表和執行器等設備。

2.2 價值

PLC 技術本身具有較高的可塑性，在實際應用中以其極高的適用性和靈活性廣受工程生產的青睞。在一般的工程實施過程的控制中，其可以根據系統內豐富的邏輯程序來完成相對應的對象控制操作，且可采取與計算機技術同類型的數據格式來實現用戶簡便編程操作，如對循環、分支、選擇、判斷等結構進行工藝控制等。

同時在PLC 系統的編程軟件中，其為工程生產提供大量的軟件構件，如動斷觸點、寄存器、儲存器、定時器或者是一些特殊功能的繼電器等，尤其是以西門子為代表的PLC 龍頭企業僅有指令語句形式的編程語言，其可以像匯編語言一樣實現結構化的編程，在實際工程應用中可以對該程序進行重復使用，以便于實現子程序的創建，進而實現編寫成帶輸入與輸出接口的程序目標，這樣只要賦值于輸入儲存器就可以得到自己需要的結果。在此期間也可對子程序的重復調用來對成產期間重復進行的動作進行逐漸完成。如西門子公司在其軟件開發期間，將過程中控制中常見的PID 控制和變頻器控制以及讀寫系統實踐等編寫成功能模塊，程序開發人員可以使用這些模塊來減少編程存在的負擔，減少了大量去現場解決問題的時間。

又如一些電動機電流也可根據現場的儀表通訊接口來遠程傳送到控制以實現實時監控，這些現場數據的采集也保障工程生產過程的連續與安全性，并且對于節能等環保作業也有著極大的促進作用。

3 PLC 控制系統的設計原則與內容

在電氣工程中，其整個系統的核心控制核心就是可編程的邏輯控制器，其控制器設計的質量關系到整個系統的運行和管理。在PLC 控制系統中需要注意三點控制原則。

對設計成本進行科學控制。成本的支出與企業生產的效益完全掛鉤，合理的成本控制不僅可以提升企業的經濟效益，同時也可為后續系統的維護與保養預留出資金，也為系統的升級和研發預留出重要的資金，保障整個系統的安全運行，這也是系統設計的首要原則。

提升控制效率以保障產品滿足質量要求。在原始的設計原則基礎上，明確詳細的控制系統需求，隨后對系統做好需求分析、選擇適合的CPU、確定輸入設備與輸出設備。

隨后設計I/O 模塊與CPU 模塊，繪制基本的系統原理圖，最后編寫控制程序，對程序進行調試和測試，完善其本身的系統功能[4]。

4 PLC 技術在電氣工程控制系統中的發展歷程

PLC 起源于上個世紀六十年代，當時美國通用汽車公司為了對其工廠生產線的問題進行調整，且繼電器順序控制系統電路修改費時一般出現難以維護的重要問題[5]。在PLC 出現之前，汽車行業的總體控制和順序控制以及安全互鎖邏輯控制必須要根據多種繼電器、定時器和一些專用的閉環控制器來完成，這些器械的體積龐大，且噪聲極大，在后續相關聯絡系統檢修期間對于操作人員的要求也相對較高，也浪費了大量的人力和物力資源。

為了解決這些問題的發生，美國通用汽車公司在1968年開始招標，并設計一套新的系統來代替繼電器系統。由此美國數字設備公司（DEC）于1969年開發出第一臺PDP-14的控制器，并且在自動裝配線上成功使用。隨后在上個世紀七十年代初期將微處理器技術引入到PLC 中后，促使PLC 具有算術功能和多位數字的信號輸出與輸入功能。

于1971年，日本從美國引入該技術，并且也迅速發展與開發自己的DCS-8的可編程控制器。德國與法國從1973年到1974年也有著自己的技術；中國在1977年開發了自己第一款可編程的邏輯控制器，但是其所使用的微處理器內核是MC14500。在上個世紀七十年代中期，遠程通信、模擬輸出和NC 伺服控制等技術被加入到PLC 中[6]。等到八十年代以后，引入了PLC 高速通訊網絡功能，這也使其增加了一些特殊的輸入與輸出端口、人機交互界面和高功能指令等功能，對于數據的采集與分析有著高效率的保障。在目前的大環境背景下，PLC 技術前景十分廣闊，如電氣工程等多個相關行業都開始應用到該技術，但是在實際應用期間容易受到主觀與客觀的影響導致其作用沒有被完全發揮。因此在未來還需要進一步探究該技術的內涵和應用范圍，使其為我們的工業生產創造更大的價值。

5 PLC 技術在電氣工程控制系統的實際應用

本文以電氣工程中很多工廠中的熱源供給設備—水—水換熱機組的PLC 應用為例。

5.1 案例背景

某地工程內智能換熱機組是將市政所輸送過來的高壓蒸汽經過減少壓力后在智能板式熱換器和50℃的水進行能量轉換，促使高壓蒸汽在放熱后能夠變為凝結水，并且所釋放出來的熱量也將系統中回水溫度進行來全面提升。另外通過熱循環泵不斷的循環工作，可以保障熱量可以傳遞到各個潔凈室空調機組和廠房內的用熱設備，而基于PLC 控制，能夠實現無人看管也能保持有條不紊的系統運行目標。本換熱機組的流程圖1所示。

圖1 智能換熱機組流程圖

智能熱水換熱機組將蒸汽熱源轉化成熱水源后，再有熱水循環泵輸送給其他使用點，其核心組件主要有汽—水熱交換器，熱水循環水泵、智能控制柜、驅動閥門、溫度探測器、壓力探測器。智能汽—水換熱機組設備性能比一般的水—水換熱機組功能強大，最主要體現在：換熱量大、換熱速度快、占用空間小、噪音小、無需人員監護，但設備組件類型比較多，控制程序比較復雜等特點。但在供熱系統中這種智能化設備具要高效、可靠。在工廠內，這套設備將處在關鍵能源輸送位置。所以本課題主要研究智能熱水換熱機組的設計及運行。

5.2 PLC 程序組成

本次控制系統選擇step7-20smart 中的LAD 編程軟件，其具有組織結構緊湊、組態靈活且具備功能欠打的指令集等優勢。項目內采取SIMATICPCS7V7.1軟件，工程師站用于組態的操作系統為Windows7，并采取集成的全局數據管理和組態工具TOOL SET。本次使用的CPU 型號為SR20Ac/DC/記單詞，位儲存器為256位，模擬圖像為56個字的輸入/輸出，板載數字量I/O 為12點輸入/8點輸出。

5.3 智能換熱機組的運行流程

本次智能換熱機組所實現的主要功能包含：系統初始化、水泵的運行與控制、水泵的故障判斷和顯示、系統補水工程、溫度與壓力監測等功能。其中水泵的控制運行屬于主程序系統，而其他的系統初始化與水泵的故障判斷以及顯示等都屬于子程序塊。設備運行啟動之前先清理設備的控制流程。

整個換熱機組啟動存在手動與自動兩種控制模式。在系統手動啟動之后，熱水循環泵位置在工頻狀態下運行，難以實現對二次側循環熱水系統的關參數的控制，如壓力、水容量和溫度等，但是可以顯示出系統的故障類型。該系統也難以做到節能的效果，因此水泵在手動狀態期間，必須要有人進行全程監督和手動控制。同時在手動控制中也沒有報警連鎖功能，由此必須要選擇自動控制來保持系統的正常運行。

在自動控制模式下，如果機組二次供回水壓差和設定值存在偏差，循環的熱水泵需要先投遞一臺運行并且提升水泵的運行效率，這時由此側供熱的蒸汽閥門開度會增加，如果壓力依舊沒有與設定值相同，這樣第二臺水泵也會被投入運行。二次側壓力不足，以補水泵來實現供水運行。

需要注意的是，對于蒸汽閥門進行精準控制不僅可以滿足系統能量的需求，同時也可對能源的浪費情況進行控制。閥門的開關度一直會受到PLC 輸出指令控制，并且其所發出的指令一般都是來自于系統回水溫控的數據收集，再去針對系統設定的值和歷史數據來確認系統該去發出哪一種指令。PLC電氣控制系統能夠對系統收集的熱水會輸壓力和壓差值進行設計，如果實際值較設定值低，那么么整個機組循環系統會缺少熱能的傳媒，此時則需要增加系統的內傳媒系統，這時PLC 會將指令運行時間最短的補水泵發出啟動的信號，當壓力達到設定值后上線，這時回水壓力的數據會提供給PLC，請求補水泵停止工作，這時的補水泵也會對進口的壓力起到定壓的實際作用。

5.4 機組參數的調節和測試

本身控制系統柜平面上的組態軟件種類較多，由于本項目上采取的西門子的stp7-200smart 編程軟件，由此為了保障設備和程序之間相互吻合，與其配套的組態軟件也是西門子的品牌。軟件的控制系統中的上位機控制就是人和觸摸屏之間持有的可觀察的交流通道。而組態軟件也是對各個設備模塊所進行的邏輯組合來滿足設備運行的控制要求。這些組態軟件能夠對一些其他類型的系統出現的問題進行暫時性的解決，如研發成本過高或者軟件開發周期過長等。

西門子組態軟件除了具有極為直觀的操作界面應用以外，其設備顯示也十分的絢麗，有著高度絕佳的視覺效果以及創新性，并且其內部的存儲空間也相對較大，系統本身的處理性能和數據連通性能、可靠性等優勢被本項目所高度重視。

5.5 圖形界面的生成

圖形界面組態顯示如下的數據：閥門開啟度、蒸汽壓力、二次側供回水溫度、二次側回水壓力、循環水泵運行頻率、水箱水位、二次側供回水壓差值、故障。如果設備系統運行正常故障燈顯示綠色，紅色顯示系統有故障，同時蜂鳴器報警。圖形主頁右上方顯示實時時間。閥門開度在0%狀態下表示閥門完全關閉，循環水泵運轉頻率也在OHZ 同樣表示設備在停止狀態下。循環水泵在停止狀態下，二次側熱源供回水管道壓力慢慢趨近相同，壓差閥顯示OBar。設備二次側顯示的流體溫度將是智能設備附近溫度，不代表系統循環溫度，一般系統運行前都要人工操作，防止設備發生災難性故障，更不建議遠程啟動。觸摸屏上的自動旋鈕如果轉向手動時，整個循環的熱水泵將會在工頻狀態下運行，自動控制設備也達不到變頻和節能的效果。

5.6 設定調節閥參數

該調節閥參數的設定如表1內容所示。

表1 調節閥參數設定統計

6 結語

綜上所述，本文以電氣工程中的智能換熱設備中的PLC 技術應用進行簡要分析。經過其分析過程可以看出，根據PLC 控制的方法與技術，能夠促使電氣工程各項設備運行的效率和質量全面提升，并且也可根據各項控制的精準性與可靠性優勢在工程生產中得到廣泛應用。基于目前對PLC 技術的研究現狀，為了在該技術的數字化和可靠性方向上還有著進一步延伸的空間，也會在電氣工程中得到更加廣泛的應用。