探究PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用

張梓奕

(湖南工程學院，湖南 湘潭 411100)

1 引言

PLC 又被稱為可編程邏輯控制器，在系統中可以作為儲存器，也具有編程的相關功能，是信息化技術發展的代表，具有顯著優勢。在電氣工程自動化領域，PLC 技術改變了傳統的技術應用框架，顯著增強了自動化控制功能，產生深遠影響。因此，為更好地順應電氣工程項目的發展要求，應掌握PLC 技術的應用要點，充分發揮該技術的功能。

2 PLC技術分析

目前，PLC 技術可以依靠程序編寫、調整順序控制以及算法處理等功能操控電氣工程控制器，能夠滿足電氣工程自動化控制的功能。該技術在可編程中的性能顯著，可以根據自動化控制要求選擇具有響應速度快、兼容性強的內核處理器，保證了系統功能。在數據傳輸中，該技術可以實時展示電氣工程的相關運行參數數據，并經過人機交互系統展示電氣工程運行的數據。同時，PLC 系統在運行過程中只需要提供5 V 電源供電即可，具有穩定的運行效率，發生故障的概率低[1]。

從電氣工程自動化技術的應用現狀來看，在PLC 系統中可以通過圖像傳感器類攝像頭采集現場資料，相關數據可以在320×240 的像素下傳遞信息之后經薄膜晶體管顯示屏展示出三原色圖像，確保系統能夠真實還原出自動化功能的運行情況。在STM32 單片機中的處理單元可以分析自動化系統中每個數值的變化情況，在讀取圖像后可以通過圖像預處理以及二值化等方法簡化數據處理流程，保障了電氣工程設備的運行效率。

3 PLC技術在電氣工程自動化中的應用方案

3.1 PLC技術的基本工藝流程

根據電氣工程自動化的特性，PLC 技術的運行共分為3 個階段。第一階段是輸入采樣階段。在本階段可通過攝像頭等設備經循環掃描等方法識別電氣工程自動化的運行數據，如系統記錄開關、按鈕等相關輸入單元的運行數據，然后再將其上傳至I/O 單元中。第二階段是程序執行階段。在本階段PLC 將根據掃描順序，通過已經編寫好的程序識別匹配自動化系統程序與算法，并統計不同時間段的系統掃描數據與掃描狀態。第三階段是信息輸出階段。即在掃描結束后由中央處理器CPU 根據設定的數據處理流程來更新輸出設備的狀態與數據，再經外部設備接口驅動外設。整個PLC 技術的工藝流程如圖1所示。

根據PLC 工藝流程可以發現，該技術的主要特征就是可以按照用戶設定的程序完成電氣工程的自動化控制。在中央處理器的作用下，PLC 技術能夠更新設備的運行狀態以及控制開關等。在技術應用中，整個系統的構成包括擴展單元、輸入設備、輸出設備以及中央處理器等，在上述構件搭建系統后可以自動化控制各個功能模塊的運行[2]。

3.2 在信息數據采集中的應用

在電氣工程自動化中，PLC 技術可以提供信息數據采集與控制功能。在技術應用中，通過該技術可以編寫電氣設備的識別程序，在對信息處理過程進行篩選后，就可以利用信息采集終端來提取電氣工程自動化的相關信息，如系統可以按照編程內容選擇從左至右、從上到下的掃描程序來識別系統數據；或者掃描梯形圖等方法來采集運行數據。在獲得數據后經處理器可以在特定程序下快速抓取海量數據中的關鍵信息，完成數據采集的整個流程。

PLC 的內部結構如圖2所示。根據圖2中的基本架構，PLC 系統的程序、軟件以及定值等資料均可以上傳在存儲器中，同時考慮到電氣工程自動化對系統運行的影響，該系統支持通過PC 機接口完成數據上傳與下載等功能，只需要經過通信接口連接至自動化網絡中即可。而與電氣設備保持二次連線的部分，則可以經過DI 接口、AI 接口與DO 接口完成。

圖3為PLC 電源模塊的基本架構。例如，在電氣工程750 V 的保護裝置，DPU96、S7-200、S7-300 的DI 點，接入的輔助接點就是無源接點。它的電源是由PLC 裝置自身提供的24 V 電源，這種電源設計模式能夠滿足自動化控制要求。在該回路中，因為電源并非是從直流屏二次電源獲得的，在查找故障時不應采用正負對地檢測的方法，所以在故障檢測中應以PLC 電源模塊負極為0 電位并查找檢測點的正電壓，保證正常的系統功能。

3.3 在閉環控制中的應用

閉環控制是指針對某一被控制對象，經PID 控制器來比較實際數據與預先設定數據，在嚴格控制數據差值之后再將其反饋給輸入控制系統，并不斷進行系統糾正。而對于電氣工程自動化控制系統而言，在運行過程中經常會出現不規律變化的情況，如溫度、壓力、速度等，這些數據均為模擬量，在電氣設備控制中需要將上述數據的模擬量以及數字量等進行轉化[3]。

同時，為實現閉環控制的功能，需要將電氣工程自動化所采集的資料反饋至PLC 中，如在以溫度為調整對象時，可以利用PLC 經PID 指令控制通斷，此時PID 指令第一步會輸出模擬量信號，可以用于控制開關量變化。所以在PLC 技術中，廠家通常會準備配套的A/D 與D/A 轉換模塊來控制PLC 的模擬量，整個系統操作流程如圖4所示。

在該技術該體系下，PID 反饋回路的作用可以保證電氣工程電機穩定運行，在PLC 控制技術的支持下可以借助來回路來調控電氣設備的輸入、輸出參數，并維持穩定的電氣輸出參數，保證系統正常運行。

3.4 在順序控制上的應用

PLC 技術在電氣工程自動化控制中，可以通過算法與編程的手段來控制電氣工程設備運行的相關參數，這是提升系統自動化水平的關鍵點。在PLC 編程中，通過使用適當的編程與算法來安排系統的執行順序。在執行順序的控制中能夠確保程序結構清晰明了，并且簡化了整個執行程序的操作過程，保障程序的完整性與嚴謹性，不會因為無效操作而造成成本的增加，這也成為該技術的關鍵點。

在順序控制設計過程中，需要將電氣工程自動化控制系統的操作流程劃分為若干個階段，這些階段被稱為“步”。“步”與不同的系統輸入狀態、內部條件以及時間條件對接，保證系統可以自動運行管理指令。在PLC 中，“步”是通過順序工程流程圖實現的，在過程中的每一“步”都具有相應的變化條件，從第一“步”進行到第二“步”時往往有具體的操作條件，只有在確定條件滿足結束程序后才會開展下一個動作，而上一個動作的信息會被清除。所以為確保PLC 控制功能得以實現，提出了以下設計方法：(1）“步”的劃分。在將整個電氣工程自動化控制劃分為若干個順序連接階段后，用編程單元來替代“步”，此時“步”是根據PLC 輸出狀態的變化來劃分的，任何一“步”中不會出現輸出狀態改變的情況，但是相鄰“步”之間的輸出狀態存在明顯差異。(2）確定轉換條件。當系統從當前步驟轉變為下一步時，轉換條件成為重要影響因素，此時電氣工程自動化的轉換條件包括外部輸入信號，如指令開關、按鈕以及限位開關等；或者選擇PLC 內部信號，如計數器與定時器的接通/ 斷開等；或者采用若干個信號的邏輯、非邏輯組合方式。(3）繪制程序工程流程圖。按照上述分析與控制內容與步驟、程序等繪制流程圖。(4）編制梯形圖。按照順序工程流程圖編制程序方式形成圖形圖程序； 若PLC 技術支持工程流程圖編程，則可以將PLC 中編制的程序作為最終程序。

在編制PLC 流程中還需要注意的是：(1）兩個“步”不能直接連接，此時需要通過轉換將相鄰的“步”隔開；(2）兩個轉換之間不能直接連接，需要用“步”將轉換之間隔開；(3）順序功能流程圖是起始步中不可缺少的內容，在數據處理中能夠與待處理系統的初始狀態相對應，若沒有進行該步驟，則無法表示初始狀態，系統返回停止狀態。

4 應用效果評價

4.1 保證了電氣工程自動化控制的性能

在PLC 技術中可以選擇STM 嵌入式微控制芯片，該芯片具有快速響應的優勢，在電氣工程自動化控制中可以確保系統控制的實效性。芯片中的數據傳輸與控制指令并非采用相同數據線，所以在數據處理中可以提升電氣工程運行效率。在PLC 技術中可以采用16 位或者32 位程序編寫的方法，可以保證編寫效率并降低操作難度。該技術中所使用的Cortex處理器中具有內核自帶位帶操作的方法，不允許對任意端口的I/O 口做介質控制，并且在數據處理中可以通過32 位地址空間單獨訪問空間，并且能夠對某一功能做存儲或者訪問，能夠實現快速控制的功能。

4.2 可以提供豐富的功能支持

在電氣工程自動化控制中，借助可編程控制芯片可以提供豐富的開發資源。芯片中可提供64 引腳，并且支持多樣化的功能設計，能提供12 個中央處理單元來改善服務處理器的效能，經外部設備連接設備，保證了良好的系統控制效果，保證了芯片與處理器的兼容性，可以滿足大部分電氣工程設備的功能要求。同時，該技術可以提供睡眠、停機與待機等幾方面的功能，在系統運行中能夠降低設備運行中的能耗，提高了系統的性能。

5 結語

在當前電氣工程自動化控制中，通過PLC 技術可以進一步完善控制系統功能，該系統借助順序控制、閉環控制等功能來強化系統的自動化控制效果，在技術上具有可行性，并且最終實踐經驗證明，該技術可以強化電氣工程自動化控制功能，并提供良好的功能支持，符合未來電氣工程自動化控制系統功能拓展的要求，具有可行性。