PLC技術在機械電氣控制裝置中的應用

王 軍

（金肯職業技術學院 機械與汽車工程學院，南京 211156）

隨著市場經濟的不斷發展，現代建筑逐漸向智能化和自動化方向發展。人們開始追求低能耗和高舒適度的優質生產生活環境。將可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術應用于機械電氣控制，能夠有效提高系統自動化控制效率、能力和水平。近年來，PLC技術日趨成熟，對機械電氣發展起到了十分重要的作用。

1 PLC技術

20世紀90年代以來，我國機械自動化技術處于高速發展狀態，是我國自動化技術變革的高潮，控制系統形式豐富多樣，即第三次自動化技術革命，使得我國自動化技術實現了質的飛躍。PLC技術是當前電氣工程領域備受關注的新型技術。該項技術將計算機技術和自動化技術融為一體，能夠儲存相關數據信息，根據具體需求編寫相關程序，實現各種運算，并可在輸入程序模塊和輸出程序模塊之間建立有效鏈接，實現對機械電氣設備的有效控制。最開始應用PLC技術是為了取代繼電器控制系統。隨著相關技術的不斷完善，PLC技術應用在機械電氣控制系統之初出現的大部分問題得到了有效解決，提升了系統可靠性和穩定性。PLC技術基本流程包括采樣輸入、輸出刷新以及自動化程序控制等。利用數據掃描方式進行采樣，在完成采樣數據輸入后能夠自動進行數據輸出刷新。PLC控制系統結構見圖1。

圖1 PLC控制系統結構圖

2 PLC技術特點分析

2.1 提高工作效率

PLC技術兼具計算機技術與自動化技術兩者的優點，能夠有效優化機械電氣系統安裝流程，使得安裝方便快捷。使用PLC技術后，機械電氣設備由軟件編程來管控完成相應命令，大幅降低了工作強度，解放操作工人的同時，改善了機械電氣設備運轉效果，大大提高了工作效率[1]。

2.2 兼容性較好

PLC技術具有較好的兼容性，能夠與多種技術完美融合。人們優化機械電氣系統正是利用PLC技術具備良好的兼容性，將系統自身機械電氣設備用作輔助繼電器，減少系統導線連接，有效提升確保控制系統反應速度及效率。此外，它具備生產過程控制、數據處理和預算能力，加上能夠通過擴展對外模塊實現其他功能，因此具備很高的靈活性和可塑性，在工業生產上得到了廣泛應用。

2.3 抗干擾能力較強

傳統的機械電氣控制系統存在明顯的設計缺陷，很容易受到外界因素干擾。實際應用中，人們往往將PLC技術與集成技術結合，采取隔離模塊設計形式。集成化后的控制系統可以接收海量數據信息，優化整個機械電氣運行流程，具備更強的抗干擾能力。

2.4 具備故障檢測功能

機械電氣控制系統在運行過程中不可避免會發生故障。PLC控制系統具有自我檢測功能，發現機械設備存在故障時，能夠在很短時間內查找出故障發生部位并發出警報，并且能夠按照軟件提供的信息分析故障原因并反饋給工作人員，以便迅速采取措施，恢復機械電氣設備的正常運行。

2.5 推進機電一體化發展

PLC設備體積小、重量輕、設計安裝方便、編程方式簡潔，加上信息化技術的不斷完善，使得PLC控制系統具備強大的運算速度，推進了計算機技術和工業環境的深度融合，進一步推進了機電一體化發展。

3 PLC技術控制類型

3.1 集散型控制

集散型控制是指將分散在不同區域內的多臺機械電氣設備根據需求采取分開方式進行管理和控制，利用計算機技術、控制技術以及通信技術將其有效連接，從而實現對分散控制點的集中控制。此控制方式中，所有分散部分全部通過通信線路相連接，借助計算機強大的控制功能實現集中控制。各機械設備既具有獨立分散性，又具有歸并集中性，不僅能夠有效避免機電設備過于分散難以控制的問題，還能夠有效規避因某一機電設備故障引發整個控制系統癱瘓的風險。

3.2 總線型控制

此種控制方式在PLC技術中最常見，是把機械電氣部分設備與計算機網絡直接連接來實現機械電氣設備自動化控制。這種控制方式能夠實現信息數據雙向傳輸，利用總線將控制節點、現場機械設備和網絡整合為一個有機整體，實現就診管理控制。它的結構形式簡單、控制方式靈活、功能豐富多樣以及應用成本低廉，對提升企業經濟效益具有十分重要的作用[2]。

4 PLC技術在機械電氣控制系統中的應用

4.1 PLC技術的網絡通信功能開發

網絡通信是PLC技術應用最廣泛的領域之一。它的技術原理是將PLC連接因特網，使其具備網絡通信功能。為強化PLC功能，可以在PLC系統里內置Web服務器。當前，許多科技公司投入大量資源開展研究，希望可以將PLC與因特網及Web連接，獲取更多技術支持。科技公司推出許多新型產品，有的產品提升了連接速度，有的產品實現了多軌道運行，有的產品優化了連接操作系統，有的產品實現了遠程監視和動態訪問。

采用企業提供的大豆制品配方，在上一步最優結果的基礎上，分別加入0.010%，0.015%，0.020%，0.025%，0.030%的焦亞硫酸鈉，滅菌保溫后進行顏色檢測，計算樣品得分。以企業原始配方的大豆制品作為空白對照。

4.2 開關量邏輯控制

PLC技術運行基礎是實現開關量的邏輯控制，也就是用PLC技術取代繼電器來控制電路邏輯。當PLC技術應用于開關量邏輯控制時，能夠不僅僅只針對某一臺設備進行控制，而是將其接入整個生產工藝流程，協調控制多臺不同的機電設備，實現高質量的一致協調性。

4.3 運動控制

PLC技術可以實現一定范圍內的直線運動或者圓周運動，通過控制運動模塊規劃機械設備運行規律和距離，運用多軸節點控制模塊驅動步進電氣控制器，實現對機械設備規律性和重復性運行動作的控制。

4.4 故障排查

PLC技術應用于機械電氣設備控制系統，使得控制系統可以動態檢測設備運行狀態，并將其形成信息反饋給相關工作人員。工作人員根據實時數據判定當前每臺設備的運行狀態是否正常。當其中某臺設備出現故障時，系統會及時發出警報，提醒工作人員檢查維修相關的電氣設備。PLC控制系統反饋的具體信息，有助于工作人員準確找到機械故障并進行快速維修，大大縮短了故障排查時間，提高了維修效率[3]。

4.5 生產變量控制

生產變量控制就是控制生產過程中的模擬量。實際生產過程中，變量直接影響整個生產過程，進而影響生產效率。一般來說，生產線變量繁多且難以預測[4]。運用PLC控制系統能夠實現變量的有效控制，使其處于相對穩定狀態，保障生產過程的高效穩定運行。

5 PLC技術應用實例分析

5.1 在煤炭機械電氣設備自動化控制中的應用

當前，我國煤炭生產過程中很多機械電氣設備應用了PLC技術。本文以選煤控制系統PLC技術應用為例進行分析。基于PLC技術的選煤控制系統，整體框架見圖2。PLC控制系統選取西門子S7-300，子系統包括原煤生產系統、上煤系統、返煤系統和外調煤系統。利用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）完成對整個系統的控制，涵蓋狀態監測、參數顯示、運行控制和閉環控制等內容。

圖2 選煤控制系統框架

5.1.1 檢測控制功能

一方面，PLC系統實時收集生產過程的參數與數據，對其進行處理分析后調整自動執行裝置，通過顯示設備向工作人員傳遞相關信息。另一方面，PLC系統控制所有監測設備，動態接收檢測設備傳輸的信號，通過合理設置報警信號，實時記錄故障信息，并且能夠保存故障發生部位、時間等關鍵數據。當故障發生時，PLC系統利用聲音報警和監測窗口文字顯示通知操作人員[5]。

該系統軟件具備如下功能：一是各子系統按照工作順序來控制，單個子系統保護由主控制系統統籌；二是自動控制和測量壓重介質，有效減少進入重介循環系統的煤泥含量；三是控制上位機來顯示所有設備信息，如參數配置、運行狀態等；四是分析設備信號類型及自身需求，將控制深度進行等級劃分。通常控制深度分為三級，其中三級為“顯示”，二級為“顯示+報警”，一級為“顯示+報警+聯鎖”。

5.1.3 應用程序

選煤系統應用程序框架，見圖3。OB 101與OB 102共同構成啟動模塊，儲存煤礦產量數據、液位參數和地址設定等相關信息。啟動選煤控制系統時，率先調用此模塊。定時中斷模塊分為兩部分：一是為OB 38模塊，設定定時缺省時間為10 ms；二是為OB 34模塊，設定定時缺省時間為200 ms。這兩個模塊定時參數均為可調。需要注意，循環掃描模塊內只有OB 01模塊。

圖3 應用程序框架

5.1.4 上位機

在上位機工作站中安裝有監控軟件和操作系統，通過顯示設備來監視整個系統的運行狀態，并進行故障診斷排查。PLC接收系統將運行過程數據通過因特網傳輸至上位機。上位機的系統功能主要包括控制子系統的運行次序、控制系統的運行過程、采集系統產生的數據、記錄故障報警事件處理過程及實際操作、實時顯示系統運行數據信息、對數據進行整合分析及仿真畫圖、形成生產過程模型圖和變量趨勢等。

5.1.5 通信網絡

系統采用西門子SIMATIC NET完成通信，總線結構采取Profibus，大幅減少了現場管線鋪設量，減少了成本費用和安裝工作量，與傳統控制模式相比總體成本降低30%～40%。

5.2 集控系統功能

5.2.1 操作功能

操作功能主要包含兩部分內容。一是事故停車。急停按鈕能夠使來煤方向車輛緊急停止而不影響其他設備。出現事故時，工作人員根據事故嚴重程度決定是否按下此按鈕。二是正常停車。按下啟動按鈕，發出預告信號，此信號在無事故發生時會持續1 min。發送成功后，設備車按逆煤方向啟動設備車。一旦出現故障，按下禁止啟動按鈕，結束預告信號發送，待故障處理完成后，按下解禁按鈕再次啟動設備車。

5.2.2 就地箱功能

設置就地箱是為了方便及時調試檢修系統，確保系統正常運轉。就地箱安裝有就地和集中功能按鈕，能夠有效控制就地停止與啟動，還能夠完成集控系統停止和啟動。

5.2.3 保護功能

PLC系統接入配電盤熱繼電器常開端，是為了保護系統。例如：一旦出現過流過熱現象，系統會停止生產，以便相關工作人員根據系統反饋的故障原因及時處理；皮帶跑偏超限時，跑偏開關會自動打開。為確保系統運行安全，預防事故的發生，可以根據實際情況加裝堆煤檢測開關。

5.3 原料位置檢測

采取高精度超聲波測量儀器（精度可達毫米級）對煤倉中煤礦位置展開測量，滿足煤倉原料位置檢測需求。每個煤倉內設置測試探頭，其上安裝超聲波傳感器，利用回聲定位原理實現測量，通過計算可以得出煤礦原料位置狀態對比信息。

6 結語

PLC技術對機械電氣設備控制系統有著十分明顯的優化作用，能夠有效降低故障發生概率，提高生產效率和生產穩定性，因此應當大力推廣PLC技術應用，促進行業快速穩定發展。