PLC技術在電氣儀表自動化控制中的應用研究

摘要：在現代工業的發展進程中，電氣儀表自動化控制對提升生產效率、保障生產安全與產品質量意義非凡。可編程邏輯控制器（PLC）技術屬于先進的自動化控制技術，在電氣儀表自動化控制領域應用廣泛。將深入闡述PLC技術的原理、特性與編程語言，詳細探討在電氣儀表自動化控制里的數據采集、控制邏輯執行、故障診斷等應用，剖析該技術應用時的優勢和挑戰，并對其未來發展予以展望。期望為提高PLC技術在電氣儀表自動化控制中的應用給予理論與實踐的指引。

關鍵詞：PLC技術；電氣儀表；自動化控制；數據采集

電氣儀表可實時監測并反饋多種工業參數，像溫度、壓力、流量、電壓、電流等。自動化控制則依據這些參數精準調節與管理生產流程［1］。PLC技術因自身出色性能已成為電氣儀表自動化控制的重要技術方式。

1PLC技術概述

1.1PLC的基本原理

PLC的硬件主要由中央處理單元（CPU）、輸入輸出（I/O）模塊、電源、存儲器以及通信接口等部分組成。其中，CPU是PLC的核心部分，承擔著執行程序指令、邏輯運算與數據處理的任務。I/O模塊是PLC和外部設備相連的紐帶，分為模擬量I/O模塊與數字量I/O模塊。模擬量I/O模塊用來處理連續變化的模擬信號；數字量I/O模塊則用于處理離散的數字信號。電源為PLC系統供應穩定的電力。存儲器用來存儲用戶程序、系統程序以及數據，包含程序存儲器與數據存儲器。通信接口讓PLC能夠與其他設備進行數據交換。PLC采用循環掃描的工作模式，這種工作模式保證了PLC能夠有序地處理各類輸入輸出信號，并且可靠性和穩定性都很高［2］。

1.2PLC的特點

1.2.1與傳統控制手段對比的優勢

（1） 可靠性

傳統的繼電器接觸器控制系統易受機械觸點的磨損、電弧等影響，導致故障常有發生。PLC卻不同，它使用無觸點電子元件，內部電路結構經優化，抗干擾能力強。PLC有自診斷功能，可及時察覺自身硬件故障，還能報警、切換備用模塊等，系統可靠性大幅提高。

（2） 靈活性

傳統控制方式在布線結束后，若要改動控制邏輯極為艱難，常常要重新布線。PLC則靠軟件編程實現控制邏輯，當生產工藝變化或者控制功能需調整時，修改程序就行，不必變動硬件接線。這讓PLC能迅速適應不同生產需求，系統改造周期得以大大縮短。

（3） 通用性

PLC適用于多種工業領域和控制任務。它有豐富的I/O模塊和功能指令，能依據具體應用場景靈活配置。不管是簡單邏輯控制，還是復雜模擬量控制、運動控制等，PLC都能出色地完成。

1.2.2適應多種工業環境的能力

PLC在惡劣工業環境下仍可正常工作。其外殼由堅固金屬材料制成，防塵、防水、防震性能好。溫度方面，PLC能在較寬溫度范圍運行，像部分工業級PLC在-20～70 ℃的環境溫度下能穩定工作。在濕度高的環境中，PLC內部電路設計和防護措施可避免水分侵入引發短路等問題。另外，在有電磁干擾的環境下，PLC運用屏蔽技術、濾波技術等電磁兼容措施，能有效抑制外界電磁干擾對內部電路的影響。

1.3PLC的編程語言

1.3.1常見的PLC編程語言

（1） 梯形圖（LAD）

梯形圖屬于圖形化編程語言，其形式與傳統繼電器控制電路原理圖相近。它由母線、常開觸點、常閉觸點、線圈等基本元素構成，用連線表明邏輯關系。比如在電氣儀表自動化控制中，若要實現溫度超過某設定值時啟動冷卻設備的控制邏輯，在梯形圖中可用常開觸點表示溫度傳感器信號，當此觸點閉合（也就是溫度超過設定值）時，對應的線圈得電，進而啟動冷卻設備的控制繼電器。

（2） 指令表（IL）

指令表是基于指令助記符的編程語言，類似計算機匯編語言，以助記符形式表示操作指令，像LD（裝載）、AND（與）、OR（或）、OUT（輸出）等。指令表編程語言的優點是程序緊湊、執行效率高，適合有一定編程經驗的用戶編寫復雜控制邏輯。

（3） 功能塊圖（FBD）

功能塊圖運用類似數字電路中邏輯門（如與門或門、非門、定時器、計數器等）的圖形符號表示各種功能塊。把這些功能塊按一定邏輯關系連接起來，就能構建復雜控制邏輯。功能塊圖的特點是邏輯結構清晰，便于進行模塊化編程。

1.3.2不同編程語言在電氣儀表自動化控制中的適用性梯形圖語言因其直觀性，能迅速把傳統繼電器控制邏輯轉變成PLC程序。指令表語言在程序執行中效率高且在控制邏輯復雜的電氣儀表自動化控制中有優勢。功能塊圖語言適用于大型、復雜電氣儀表自動化控制系統的設計。

2PLC技術在電氣儀表自動化控制中的應用

2.1數據采集

2.1.1數據連接方式

PLC和電氣儀表的數據連接方式主要有模擬量輸入連接與數字量輸入連接這2種。輸出模擬信號的電氣儀表，如部分溫度傳感器、壓力傳感器等，一般會輸出4～20 mA的電流信號或者0～10 V的電壓信號。

2.1.2采集數據的類型及原理

PLC能夠采集多種電氣儀表的數據。以采集電壓和電流數據為例，對于電壓數據，電氣儀表輸出的電壓信號接入PLC的模擬量輸入模塊后，模擬量輸入模塊中的電路會先對電壓信號進行分壓、濾波等預處理，之后利用模數轉換器（ADC）把模擬電壓信號轉化為數字信號。而對于電流數據，模擬量輸入模塊會把電流信號經精密電阻轉變為電壓信號，再開展后續處理。

2.1.3采集數據的處理方法

在數據采集期間，為提升數據的準確性與可靠性，PLC需要對采集的數據進行處理。濾波是常見的數據處理方式之一，借助濾波算法能夠消除采集數據里的噪聲干擾。例如運用一階低通濾波算法，它依據當前采集值與上一次濾波后的值按照特定權重算出濾波后的結果，進而將數據里的高頻噪聲平滑掉。數據轉換也是關鍵的處理環節。采集到模擬量數據后，要把它轉化成實際的物理量值。比如，對于4～20 mA的電流信號采集，假定采集到的數字量為N，對應的物理量（像壓力）的量程是Pmin-Pmax，那么能夠憑借公式把數字量轉化為實際的壓力值，這里的Nmin和Nmax分別是對應4 mA和20 mA電流信號的數字量值［3］。

2.2控制邏輯執行

2.2.1通過邏輯運算實現控制邏輯

PLC借助自身內部的邏輯運算功能實現電氣儀表的控制邏輯。與、或、非運算是最為基本的邏輯運算。在電氣照明系統的控制里，存在A和B2個開關，規定唯有這2個開關都閉合（即A與B）時燈才會亮，這就能夠憑借PLC與邏輯運算來實現。PLC的輸入點分別與開關A和B的狀態信號相連接，在程序中運用與邏輯指令針對這2個輸入信號開展運算，當運算結果為真時，輸出點對燈的繼電器進行控制使其得電，燈就亮了。除了基本邏輯運算之外，PLC還能夠進行組合邏輯運算。

2.2.2典型控制任務中的實現過程

以設備啟停控制為例，在對水泵進行控制時，利用液位傳感器對水箱中的水位予以監測。液位傳感器輸出的信號連接到PLC的輸入點，當水位處于下限值以下時，PLC接收到相應的輸入信號后，經邏輯運算，輸出信號對水泵啟動繼電器加以控制，從而讓水泵開始抽水。而當水位達到上限值時，液位傳感器的信號出現變化，PLC再次進行邏輯運算，輸出信號使水泵停止運行。

在參數調節控制方面，以空調系統中的溫度調節舉例。溫度傳感器把室內溫度信號傳輸給PLC的模擬量輸入模塊，PLC把采集到的溫度數值與設定的溫度數值進行對比。若實際溫度比設定溫度高，PLC經由邏輯運算輸出控制信號給空調的制冷設備，對制冷量進行調節，從而讓溫度降低；若實際溫度低于設定溫度，就對加熱設備進行控制，增加熱量，使溫度升高。

2.2.3復雜控制邏輯中的應用機制

在順序控制上，PLC可憑借順序功能圖（SFC）實現復雜的順序控制邏輯。例如在自動化生產線上，產品加工得依照多個工序依次開展，物料的輸送、加工、檢測等工序。SFC把整個生產過程拆分成多個步序，每個步序對應一項特定操作，PLC依據步序的轉移條件按順序執行各項操作。在每個步序里，PLC能夠對相關電氣儀表予以控制，例如在加工步序中，控制加工設備的運行參數，并且利用電氣儀表監測設備的運行狀態。在聯鎖控制里，PLC依照多個電氣儀表的狀態信號，經邏輯運算確保系統在安全、可靠的狀態下運行。例如在化工生產流程中，反應釜的溫度、壓力等參數需要進行聯鎖控制，保證反應釜的安全［4］。

2.3故障診斷

2.3.1監測故障信號的途徑

PLC監測電氣儀表故障信號有硬件監測與軟件判斷2種主要途徑。在硬件監測方面，PLC的I/O模塊自身具備一定的硬件故障檢測能力。比如，模擬量輸入模塊能夠檢測輸入信號是否超出正常的范圍，要是輸入信號過高或者過低，這或許意味著傳感器有故障或者線路連接存在問題。數字量輸入模塊則可以檢測輸入信號的電平是否正常，正常情況下應該為高電平的輸入信號，要是長時間處于低電平狀態，可能就表明對應的開關出現故障或者線路短路了。

2.3.2故障診斷方法

基于規則的故障診斷方法：依據預先設定的規則判斷故障。以電氣設備的電流監測為例，若規定當電流超出額定電流的1.5倍，并且持續時長超過10 s時判定為過載故障。則PLC對采集到的電流數據進行實時監測，一旦滿足該規則，就判定為過載故障。基于狀態監測的故障診斷方法：PLC為電氣儀表的正常工作狀態建立模型，之后把采集到的實時狀態數據與模型對比來診斷故障。

2.3.3故障診斷結果的反饋與處理方式

當PLC診斷出電氣儀表存在故障后，會以多種途徑反饋故障診斷結果。常見的方式是借助聲光報警器發出報警信號，以此提醒現場操作人員。同時，PLC還會記錄故障信息，這些信息可存儲于內部存儲器，或者經由通信接口發送至上位機。故障記錄涵蓋故障發生的時間、故障類型、相關電氣儀表的參數等內容，方便維護人員進行故障排查與分析。

3結語

PLC技術在電氣儀表自動化控制方面應用廣泛且極具意義。它依靠諸多優勢與功能，實現數據采集、控制邏輯執行和故障診斷等多方面工作。持續提升PLC技術的性能，從而進一步推動電氣儀表自動化控制水平邁向新高度。

參考文獻：

［1］趙浩然.基于PLC的電氣儀表自動化控制研究［J］.信息記錄材料，2024，25（8）：97-99.

［2］楊濤，李念.PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用［J］.造紙裝備及材料，2024，53（7）：113-115.

［3］季鵬飛.PLC技術在電氣工程及其自動化控制中的應用分析［J］.中國信息化，2024（4）：62-63，61.

［4］吳濤.淺談PLC技術在電氣工程及其自動化控制中的應用［J］.時代汽車，2024（7）：13-15.

作者簡介：馬奇友，男，四川瀘縣人，工程師，碩士研究生，研究方向：自動化電氣儀表及供應鏈管理。