电气设备自动化控制系统中PLC技术的应用研究

张晟超

（红塔集团大理卷烟厂，云南 大理 671000）

0 前言

现代工业生产技术渐趋成熟，以电气设备为主要应用器械的生产环节加强了对释放人力的探索，自动化控制成为发展的主流。以PLC 技术为核心的控制系统的应用效率较高，自动化水平相对完善，因此得到了广泛的应用。为了更高效率地应用PLC 进行自动化控制，深化发展现代生产力，应该加强对PLC 技术的深化研究，明确其应用原理，持续优化应用环节，促进自动化的全面发展。

1 PLC 控制系统

PLC 即可编程逻辑控制器，是以存储器为基础部件、以可编程序为核心的应用技术。在应用PLC 技术时，由系统软件接收解读发出的指令，根据系统应用预期编制应用程序。在输出点扫描相关数据，通过数据传输的形式传输数据，输出点负责向处理器传输上述数据，从而指挥设备执行系统命令。PLC 主要由3 个模块构成，主要为CPU 模块、输入模块以及输出模块，此外还包括电源系统等。PLC 系统具备可操作性强、灵活性较高的应用优势，自动控制系统的功能直接取决于存储器程序，可以通过编程随时更新系统的应用功能。

2 技术应用优势

2.1 结构灵活

PLC 系统应用主要通过编程控制器来实现，与常规控制器相比，该控制器具有结构灵活的特点，可根据应用预期灵活地设计结构。该控制器可分为大型系统和小型系统2 种结构模式，能结合实际需求应用和调整结构规模。小结构PLC的应用范围相对广泛，该结构的优势是规格小、占用空间有限，不仅便于安装而且功耗相对较低，节能效果较好。虽然大结构PLC 与小结构PLC 相比，其体积和功耗较高，但同时其功能也更完善，能够高效率地运行，系统容量充足，系统总体性能更强大。

2.2 应用便捷

PLC 系统应用的操作和日常检修难度较低，有效降低了应用成本。PLC 系统应用中可通过显示屏直观地了解控制过程，和继电器系统比较相似，系统解读和编写难度较低，通过图形编译和编程就可以完成表达过程，且逻辑控制复杂度较低，自动化程度较高，适用范围广。因该技术的设计属于逻辑设计，简化了外形线的应用，设计系统耗时更短，可较快完成设计过程，改写程序和运行程序也更方便，设备检修和设备排查效率更高，维护成本较低，应用更加便捷。

2.3 稳定性强

常规控制系统比较容易因受到干扰的影响而发生系统故障，从而影响设备的稳定运行。PLC 控制系统结构得到优化，在大规模集成电路中应用PLC 结构可实现稳定的系统设计，运行中不易受到干扰的影响。电流系统发生故障时，可迅速检出，系统电路和应用设备不易受到损伤。设备发生故障后，报警系统将被触发，PLC 系统接到警报进行远程控制，实施抗干扰操作解除干扰故障，编程水平较高。

3 实际应用方向

3.1 系统模拟量监控管理

应用PLC 技术可对系统模拟量进行控制。自动化系统运行中涉及多种模拟量，其中常见模拟量控制包括温度控制、压强控制和流速控制等。上述模拟量为非固定模拟量，处于动态变化中，通过PLC 系统进行模拟量控制，即可实现数据量与模拟量的转换控制，记录A/D、D/A 变化数据，监控变化过程，精准控制模拟量，实现实时监控。应用PLC 技术的压力变送器的运行原理如下（见图1）。该运行系统操作简便，在输入端输入信号后，经过系统计算控制输出指定模拟量，就可以对系统的运行进行控制。

图1 压力变送器

模拟量转换的实现过程以数字量D/A 转换和A/D 转换为主，在该过程PLC 分析处理设备运行模拟量。PLC 可进行集中控制和分散控制。PLC 分散控制是针对不同控制对象单独设置PLC，交互传输信号，形成内部响应指令或进行连锁控制。此外，可通过数据通信总线使用上位机分散控制通信任务，使用数据线连接各生产线，单元独立PLC 系统控制单元对象。应用该设计可以保证单个PLC 发生停运故障时，其他生产线仍可正常通信。PLC 集中控制中，由单个PLC 控制多个电气设备，控制体系为中央集中模式，系统中设备由中央PLC 进行统一调度，形成连锁调度和步进控制等，该集成模式运行成本较低，缺陷是其中某对象需要进行程序调整时，中央PLC 需要停运，影响整个生产线。此外，应用PLC控制可进行运动控制，管理设备运行中直线运动过程或圆周运动过程，例如在电梯系统或机械人系统中，可采用多轴位置控制设计等进行系统控制[1]。

例如中央空调系统是生产生活常用系统，尤其是电子类生产线的车间必备设备之一即为中央空调设备，在生产时需要恒温控制车间。该中央温控过程可通过继电器或者直接数字控制器进行系统控制，但与之相比，PLC 控制的自动化质量较高，可有效抗干扰，系统结构设计较灵活，运行过程稳定性更高，检修方便，应用优势显著。

在矿井提升机控制中，该设备在地面安装后，以斜坡道或井筒为通道进行提升运行，以钢丝绳为牵引控制提升容器。该设备属于大型绞车，是煤矿开采的必要设备。通过PLC 系统进行变频控制，可科学进行提升调速，提升工作效率。开车信号抵达后，启动开车按钮，PLC 控制系统在变频器中接入AC380V 电流，促使设备运行，通过直流制动控制电机，预防出现溜车风险，同时释放机械抱闸。PLC 系统控制设备速度曲线，可利用A/D 转换信号，用变频器输出模拟量，完成控制过程。控制过程中同时应用旋转编码器，对提升速度、所处位置进行监控和调节。

3.2 闭环控制

PLC 控制系统虽然相对稳定，但是在运行中存在风险，受风险因素影响可能发生停产，此时通过启动闭环控制可减少损失。闭环系统是提升系统安全系数的后备方案，设备常规运行受到影响时启动闭环系统可保证设备持续运行，维持生产运作，降低损失，保持盈利，保证运行效率。闭环控制过程如下（见图2）。

图2 闭环控制过程

自动化控制运行时存在大量非固定量，应通过控制非固定量促进可编程仪器精准控制模拟量。PLC 系统可动态监控闭环控制系统，第一时间定位设备运行异常。实施闭环控制时，可进行自动化启停，也可利用现场控制箱或者机旁屏进行手动启动。PLC 控制是启动泵机的主要方法，在PLC 控制中，根据泵机运行状态可随时调节控制操作。现场设备可使用机旁屏手动调试设备开关。在系统调节中分析泵机运行数据，科学控制泵机运行时间和运行强度，避免设备因超负荷运转而加重耗损。使用机旁屏开关时，应先调整为手动模式。电气设备控制通常在常规控制的基础上联合PLC 控制，通过综合控制提升泵机回路的安全系数，降低设备发生故障的概率。在PLC 控制中需要进行电子调节与电液执行控制，还需要测量监控转速等。通过多单元联合控制，保证电气系统调节器稳定运行，设置实际转速时应根据调制解调器的运行情况设定相应参数，促进科学控制。

3.3 启停控制

PLC 控制的核心是淘汰传统继电器，通过编程存储器对设备运行进行控制，增强控制成效。开关量控制受到环境因素 的影响，导致运行效率受限。联合PLC 通信技术完善继电器应用，促进电气设备高效稳定运行，对安全生产有积极意义。应用该控制模式可提升设备运行的精准度，简化开关量控制流程。例如在控制电动机设备时，需要设置PLC 系统输入端与输出端的开关量。在该设计中，按钮开关应分为2种模式，分别为接通状态与断开状态，按钮开关控制启停状态。接通状态下，光耦合器内设有光点三极管，该三极管和输入点I0.0 为对应关系，接通后二者导通，随着输入寄存器的变化，I0.00 经过转换显示为1，输入点I0.0 指示开关量信号信息。按钮接通时逻辑关系为“I0.0=1”，关闭时逻辑关系是“I0.0=0”，根据该逻辑进行二级制控制。在PLC 系统中对开关量进行控制时，继电器通电条件为Q0.0=1，此时接触器运行，系统控制电动机运行。与之相反，想要控制电动机停运的条件为Q0.0=0，此时继电器、接触器为非启动状态。简言之，PLC 系统中开关量控制即对相关设备的通电状态进行控制[2]。

在传统系统中，多使用电磁接触器对系统进行控制，与其他继电器相比，电磁接触器运行效率更高，然而该继电器的缺陷是触电预防不完善，应用风险较高，会影响系统的稳定运行。除此之外，电磁继电器需要使用更复杂的接线，无论是安装过程还是使用周期中都很难对其进行检修维护，且维护成本较高。综合PLC 技术可解决上述缺陷，利用虚拟继电器取代传统继电器，提升反应效率，完善返回量，应用成效较好。应用PLC 进行启停控制，可将原开关触点升级为启停模块输出点，自动化启停控制效果更佳。应用PLC 系统，可有效编码工艺控制流程，对控制系统进行逻辑优化，系统运行中，可对不同生产线和不同类型机床进行自动化启停控制。

3.4 PLC 数控

应用PLC 系统对工业生产进行控制，可分为直线型系统控制和点位型系统控制，其中后者在工业数控中较常用。利用点位型系统可进行孔洞机床加工。PLC 数控系统可提升转换加工效率，对孔洞机床加工的适用性较强。例如使用PLC系统进行单板机数控系统设计，对内部装置进行整改，实现单板机和全智能数控优势的结合，改善应用功能。在PLC 应用发展中，数字化应用和智能化应用是主要方向。应用PLC系统进行自动控制时应进一步优化抗电磁干扰性能，以加强运算控制精度，提升环境适应性[3]。

3.5 智能仓储管理

仓储是工业生产的重要环节。为加强空间利用，需要对现代仓储进行立体仓库设计，采用多层货架模式充分利用存储空间。该仓库在应用中必须通过运输装置运送货物，应用PLC 系统可以对立体仓库进行管理。PLC 控制系统可精准控制输入输出操作，完善仓储管理工作。通过该系统可随时监控仓储数据，合理调配货物。通过应用PLC 系统可以缓解仓管工作压力，提升自动化水平，提升仓储空间的利用效率。以PLC 系统为基础进行立体仓库设计时，主要需要设计5 个子系统，分别负责存储、货物运输、控制页面、信息管理系统以及仓储监控系统，5 个子系统运行执行取货送货指令[4]。

3.6 步进控制系统

应用PLC 系统进行自动化控制时，系统通常需要执行多个控制动作，这些动作相互独立，综合完成对整体系统的控制。动作执行需要依据一定次序，该系统即步进控制系统，或称顺序控制系统。应用该系统需要根据系统全周期运行的状态变化进行运行阶段分解，规定运行顺序，限制时间条件等，使其在不同内部环境或输入条件下执行预期操作。应用PLC 系统进行步进控制时，应依据顺序功能流程规划各步动作，限定步骤推进条件，符合条件时上步动作完成，下步动作开始。步进控制在PLC 程序设计中应用普遍，具有调试修改便捷的优势，且易于阅读。

应用步进控制可节省人力，促进生产降耗。例如在应用该程序进行火力发电控制时，通过PLC 系统科学控制设备运行顺序，结合PLC 技术进行输入控制，保证能源材料充分燃烧，降低废物排放量，通过自动化控制替代人员值班，可降低企业的运营成本。

步进控制可对电气设备进行精准联锁控制。继电器硬件所用电路通过步进控制设计可优化逻辑顺序，提高运行的灵活性，增强控制的效率性与稳定性。在应用PLC 系统对步进控制进行编程时，可选择起保停法设计、SCR 指令控制或者进行置位复位设计。在该设计中，要重点对特定生产过程进行步进逻辑划分，根据动作执行逻辑顺序和系统内部状态进行节点划分，提前根据工艺要求设定动作顺序，然后利用输入信号控制动作执行。使用信号输入指令时需要进行指令移位处理和信号比较，并联合指令传送，从而完成输入过程。在该环节中可选用多种方法实现对系统的控制，但应用指令可以简化对顺序控制程序的设计，降低系统CPU 的占用，使程序更快速完成扫描，降低工艺修改难度。在应用步进顺序时，中间控制阶段应围绕定时器开展，促进自动化运行。常规情况下，在编程时设定定时器数据，当受控对象发生工艺变化时，应对定时器参数进行重新设定[5]。

例如使用PLC 控制系统可对交通信号系统进行优化。应用PLC 控制交通信号灯，利用系统的定时器功能和外部环境反馈的数据，对信号灯进行渐进式控制，该方法在岔路口交通指挥中具有较高的实用价值。PLC 交通信号自动控制系统中设有实时时钟，通过PLC 编程全时段自动控制信号灯，缓解交通管理系统的压力。PLC 控制器可联网通信，交通部门通过PLC 控制系统可统一管理局域网，调控交通信号灯，有效地缩短了车辆候灯时间，在保证安全通行的同时提高了交通运输的效率。

4 结论

综上所述，在PLC 控制系统的应用过程中，应完善细节设计，分析影响系统精度和效率的主要因素，优化技术应用。PLC 系统应用中的线路老化和其他相关因素会影响动作精准执行，干扰指令的传达过程和终端系统的运行。PLC 控制系统在现代电气设备控制中的应用范围较广，为提高生产力，应科学应用该技术，促进系统安全可靠运行，有效释放人力，促进经济发展。