PLC在工业电气自动化中的应用

汪 浩

（山信软件股份有限公司莱芜自动化分公司，山东 济南 271104）

在工业电气自动化领域，PLC的开关量逻辑控制、模拟量控制、运动控制、闭环过程控制以及数据处理等强大功能得到充分体现，因此，在化工、钢铁、石油、机械制造等行业的自动化生产中具有较高的应用频率。而且，在实际应用过程中，PLC技术的可靠性、稳定性、抗干扰能力、操作便捷等优势也推进了工业生产自动化、智能化、现代化发展进程。

1 PLC的工作原理

CPU即中央处理单元是可编程逻辑控制器的中枢控制单元，该单元通过对用户程序与数据的采集，来诊断用户程序中存在的语法错误，当错误纠正以后，这些程序与数据将统一存储在I/O映象区，当用户程序执行完毕，I/O映象区将数据信息传输到输出装置当中，通过这一过程的循环，而对工业生产过程中的每一道工序进行有效控制。因此，PLC的工作原理主要包括输入采样、用户程序执行以及输出刷新三个阶段。

1.1 输入采样阶段

输入采样是程序执行的初始阶段，这一阶段，PLC主要利用扫描的方式对用户数据进行读取，然后将采集的数据信息统一存储在I/O映象区，如果在采样过程中，计算输入的数据以及状态发生了变化，那么，I/O映象区存储的数据与状态并不会发生改变，即依然保持原有状态。因此，当输入I/O映象区的信号为脉冲信号时，信号的宽度不得小于一个扫描周期，一旦出现这种情况，信号的输入过程将视为无效[1]。

1.2 用户程序执行阶段

当输入采样工作结束后，系统将自动进入到用户程序执行阶段，这一阶段的扫描顺序主要遵循由上到下的原则，系统扫描的用户程序呈现出梯形图的样式。每扫描一个梯形图，往往先从图形的左侧开始，然后再按照先上后下的顺序对各触点构成的控制线路进行逻辑运算。当逻辑线圈将逻辑运算结果处理完毕后，通过输出线圈，将运算结果存储在I/O映象区相对应的位置。与输入采样阶段不同，这一阶段的I/O映象区中的数据与状态即便不会发生变化，那么RAM存储区的数据与状态发生变化的可能性也相对较大，因此，被刷新的逻辑线圈的数据与状态只有在下一个扫描周期才能对上一周期的程序产生作用，这与输入采样阶段具有较为明显的区别。

1.3 输出刷新阶段

当输入采样与用户程序执行阶段结束以后，PLC随即进入到程序输出刷新阶段，这一阶段，处于I/O映象区的数据与状态将被刷新输出，然后经由输出电路，由系统的外部设施对其进行驱动处理，这时，程序指令可以直接传输到系统当中，进而完成指令的执行任务，PLC的工作原理如图1所示。

图1 PLC的工作原理

2 PLC在工业电气自动化中的应用优势分析

PLC融合了计算机技术、自动控制技术、数字技术以及网络通信技术等高端技术，使得PLC控制器的性价比较高、功能强大。因此，PLC技术在工业生产领域的应用范围越来越广，其应用价值与优势也逐步突显出来。

2.1 程序设计与开发周期短

PLC中的中央处理单元主要负责采集和处理用户程序与各项数据，因此可以说，PLC强大功能的体现实际上取决于程序设计与开发阶段的工作成效，而从PLC系统的组成结构看，较过去的继电器相比，电子元器件较为集中，结构较为简单，这就给程序设计人员带来了诸多便利。设计人员只需借助于功能图、梯形图以及一些简单的语句指令对程序进行编写即可，而无需投入大量的人力资源与财力资源，而且大大缩短了程序设计与开发周期，如果设计人员专业基础差，那么经过培训与指导以后，短时间便能够掌握PLC的程序编写知识。同时，设计人员在编写应用程序时，可以根据PLC的应用场景制订针对性的设计方案，而无需考虑其它领域的应用场景，这就给PLC在工业生产领域的实际应用节省了大量时间。

2.2 应用领域广泛

PLC具有开关量逻辑控制、运动控制、工业过程控制以及数据处理等多种功能，其中开关量逻辑控制主要是可编程逻辑控制器取代了传统的继电器的功能，由对单台设备的控制过渡到对多台设备的控制，因此，这一功能在组合式数控机床当中得到切实体现，进而使生产效率得到大幅提升。运动控制是PLC系统能够对直线运动与圆周运动进行有效控制，这一功能的应用领域包括机床、机械加工以及电梯制造等。过程控制是对工业生产全过程进行精准控制，应用领域涉及冶金、热处理、石油化工等行业。而数据处理是指PLC系统具有矩阵预算、函数运算、逻辑去处、数据传送、数据转换等功能，既可采集工业生产过程中产生的大量数据，也可以对这些数据进行分析处理，尤其在冶金行业，这一功能应用的频率相对较高。

2.3 抵御外界干扰能力强

极强的抗干扰能力是PLC技术的显著特点，一方面，过去的继电器控制系统使用了大量的时间继电器与中间继电器，导致触点接触不良，进而引发各种不同类型的故障。而PLC技术用软件和程序取代了这些继电器，硬件元件数量大幅减少，在这种情况之下，系统的接线率较之过去相比将缩减1/10—1/100，使得触点接触性能够始终保持一个良性的接触状态，故障率也将明显下降，据现场实验数据表明，可编程逻辑控制器的平均无故障时间能够达到数万小时以上。另一方面，由于PLC技术采用了电光隔离技术，电源具有独立性，而且系统内部设置了自动监控程序，可以随时对设备的运转状态进行有效监控与实时监测，如果系统出现程序错误，或者设备的动作行为出现差错，自动监控功能可以快速的确定故障类型与部位，进而快速排除故障隐患[2]。

3 PLC在工业电气自动化中的应用效果

目前，PLC技术在冶金、电力、石油化工、机械制造等领域得到广泛应用，在实际应用过程中，由于PLC独有的功能优势，使得工业生产效率大幅提升的同时，也给企业创造了更多的经济效益。因此，下面就PLC在数控机床以及火电系统中的实际应用效果进行详细阐述。

3.1 在数控机床中的应用效果

顾名思义，数控机床主要是借助于数字技术，对机床的运动轨迹、动作行为进行有效控制，随着数字技术与计算技术的高速发展，数控机床的自动化与智能化水平也越来越高。其内部结构主要由输入输出设备、CNC单元、伺服单元、驱动装置、PLC以及电气控制装置组成。目前，PLC在数控机床中的应用主要有两种方式，一种是内装式PLC，另一种是独立式PLC。

内装式PLC也称之为集成式PLC，这种应用方式主要是基于内部总线对信号进行传输与控制，其中，PLC与机床侧的信息数据传送都需要借助于输入与输出接口来完成，工作原理如图2所示。

图2 内装式PLC的工作原理

而独立式PLC也可以称之为外装式PLC，在应用这种方式，PLC属于一个独立完整的控制系统，其应用优势主要体现在用户可以根据专业的产品线，对PLC多样化的产品进行调整，以便于直接应用于工业生产的各流程当中。

在实际应用过程中，PLC的自我诊断功能使数控机床的故障率大幅降低，尤其对于大型的机械制造企业来说，一旦数控机床出现运行故障，将严重影响整个生产流程，进而给企业造成巨大的经济损失。而应用PLC技术以后，PLC系统控制器可以根据连锁信号装置发出故障预警，而且预警信号将同步显示在终端显示器上面，这就给故障排除争取了大量时间。需要注意的是，技术人员在应用PLC的故障诊断功能时，应当明确以下两方面内容，第一，首先需要明确机床的内部结构以及工作原理，比如刀库、刀架、液压装置、压力开关的准确位置与承担的功能，这样才能快速准确的确定故障部位。第二，技术人员应当熟知各个操作条件下的各种标识，比如开停车标识、电机启动标识、连锁开关阀门紧闭与松开标识以及各种限位信号，以此可以随时掌控机床的运转状态[3]。

3.2 在火电系统中的应用效果

在火电系统中，PLC的应用程序主要体现在水处理、煤炭输送、煤渣清理以及除灰等工艺流程，通过PLC功能模块对程序指令的执行，可以确保火电系统能够始终处于正常运行状态。比如在煤炭输送工艺中，输送系统主要由主站层、远程IO站以及现场传感器组成，而PLC则位于主站层当中。其中，主站层与远程IO站利用光纤通讯总线建立一种连接关系，当系统启动以后，远程IO站与输送系统中的传感器通过二次控制电缆相连，而终端操作人员可以在控制室当中对煤炭的输送流程进行有效控制。在煤炭输送系统正常运转时，PLC可以支持正常的运转过程，如果输送系统出现运行故障，那么PLC的故障诊断功能将发挥作用，及时向终端传递故障预警信号，这时，技术人员可以根据系统的反馈信号第一时间做出响应，进而将系统故障造成的损失降到最低点。因此可以说，PLC在火电系统中的实践应用，不仅缓解了现场工作人员的工作压力，提高了生产效率，同时，也延长了火电系统的使用寿命，这对企业的长远健康发展将具有重要的现实意义。

以某电厂输煤控制系统为例，该系统依托于PLC与上位机的强大功能，对煤炭原料的输送能够进行有效控制，其控制系统结构如图3所示。在PLC系统与上位机之间，主要通过PC/

图3 输煤控制系统结构示意图

PPI通信电缆建立连接关系，PLC与输煤系统之间通过电缆建立连接关系，当系统启动以后，可以自动完成给煤、输煤、配煤等工序。在电厂当中，最为常见的输煤系统主要包括1台叶轮输煤机、4条输煤皮带机、2台碎煤机以及3台犁煤器。

该系统依托于PLC技术，可以自动完成故障检测流程，同时，还具备保护联锁功能的作用，因此，整个输煤系统能够持续保持在一个正常的运转状态。尤其在检测输煤系统中的皮带打滑、皮带跑偏、皮带撕裂、落煤筒堵塞等故障时，能够快速确定故障位置，设备检修人员根据故障反馈信号能够第一时间做出应急反应，进而快速排除故障隐患，这就给各首生产工序的正常进行提供了强大的技术支持和保障。

3.3 在矿井提升机控制系统中的应用效果

在矿井提升机控制系统当中，借助于PLC技术可以满足对提升机自动控制的需求，一方面能够实现罐笼运行速度的准S形曲线，保证罐笼能够精准平层，另一方面，可以对提升机的实时运行状态进行远程监控，一旦出现运行故障，系统将第一时间将故障信号反馈给终端操作平台，进而快速应急反应，PLC系统硬件结构如图4所示。

图4 PLC系统硬件结构图

在图4当中，实线代表电缆连接，虚线则代表光纤连接。由于矿井提升机的作业条件恶劣，工艺流程复杂，因此，对提升机的安全稳定性能提出了较为严格的要求，而图4当中的PLC系统硬件结构设计，能够大大增强提升机系统的安全稳定性。首先1#PLC主要选用了PLC-5/25主处理器，该处理器主要具有发出执行口令，以及诊断提升机系统故障的作用。与此同时，在系统进入到运行状态以后，可以向2#PLC发出开车与行程控制指令，以保证系统能够正常运行。另外，为了降低运行成本，技术人员专门选择了PLC-5/12处理器作为该提升系统的适配器。通过对该PLC硬件系统的应用，既提高了信息传递的可靠性，同时，也避免了外界电磁辐射等干扰源的干扰，在这种情况下，提升机的运行效率将得到大幅提升。

4 PLC技术的未来发展趋势

4.1 网络智能化发展趋势

随着互联网技术的迅猛发展，PLC网络系统已经逐步向开放式、品牌化方向过渡，尤其在近几年，PLC的品牌效应不断发酵，一些PLC品牌制造商不断推陈出新，并相继研发出了一些适应市场、满足工业生产需求的PLC网络系统。另外，现场总线技术在各种智能化设备当中应用频率越来越高，比如智能化工业仪表、传感器、智能型驱动执行机构以及智能型电磁阀等。这些设备与PLC之间通过双绞线或者光缆的方式连接在一起，构建了一个庞大的智能化、自动化控制网络，操作人员只需要在远端便可以实现对各种设备运行状态的监测与控制。

4.2 微型化发展方向

PLC的体积逐步向微型化方向发展，比如三菱集团生产的FX-IS型PLC，其大小与一个小型的断电器无异，但是，相比对一些大型的PLC系统，其运算能力毫不逊色，并且可以自动调节电位器的时间。另外，PLC的模拟量处理功能越来越强大，比如PID调节功能、温度控制功能、精准定位功能、步进驱动功能、报表统计功能等，与DCS集散控制系统的功能差别变得越来越小，因此，在未来发展进程中，PLC的集成化控制功能也将越加完善。

4.3 简易化发展方向

在PLC系统设计领域，难度相对较大的工作主要程序编写与设计，如果不经过专业训练与学习，很难完成软件的编程任务，加之目前PLC研发市场鱼龙混杂，各开发设计厂商所使用的编程语言也不尽相同，在这种情况下，终端用户无法在短时间内掌握多门编程语言，因此，这就使PLC的使用功能受到严重限制。而随着编程技术水平的不断提升，PLC软件设计人员PID控制、网络通信、位置控制、数据记录等方面大做文章，并逐渐降低程序编写难度，以至于终端用户无需经过专业培训，便可以完成一些简单的程序编写任务，这就给用户带来了诸多便利。

5 结语

综上，PLC在工业电气自动化中的应用给工业生产企业带来了发展机遇，因此，企业应当始终秉持与时俱进的态度，积极借鉴一些先进的技术经验与成功的案例，并不断提升技术人员的专业技术水平，在充分发挥PLC技术各项功能优势的前提下，加快推进工业生产自动化与智能化发展进程。