PLC在工业电气自动化中的应用研究

石胜利

山东钢铁集团日照有限公司，山东日照，276800

0 引言

相比于传统的继电器，PLC具有功能强大、适应性好、可靠性高、抗干扰能力强、安装调试简单等优点，因而在工业生产领域被普遍推广和使用。该系统在工业电气设备中的应用，不仅提高了作业生产效率，节省了大量的人力资源成本，同时也推进了我国工业电气自动化的发展进程。特别是在近几年，经过广大科技研发人员的不懈努力，PLC系统的各项性能得到了有效改善，在工业生产过程中的实际应用效果也逐步凸显出来。

1 PLC概述

1.1 PLC结构组成

PLC主要由CPU模块、I/O模块、编程器以及电源模块等结构组成。其中，CPU模块是PLC系统的核心单元，包括中央处理单元与存储器。中央处理单元由运算器与控制器构成，主要负责接收和存储由编程器输入的用户程序，对编程方法、编程过程是否正确进行检查，并且也具有系统诊断功能。而存储器主要包括三种类型，即系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器，不同类型的存储器，所担负的任务也有所不同。系统程序存储器所储存的内容以系统程序为主，比如系统管理程序、用户指令解释程序、系统调用程序等；用户程序存储器所存储的内容是指在系统调试阶段产生的用户程序；而工作数据存储器则是在PLC使用过程中发生的各类数据、数值等信息。

I/O模块特指输入接口与输出接口，输入接口主要接收两种类型的输入信号，一种是开关按钮的开关量输入信号，另一种是模拟量输入信号。而输出接口主要负责连接受控对象的各种执行元件，比如电磁阀、调节阀等装置[1]。

编程器作为PLC的外围设备，主要负责对用户程序、调试程序以及监控程序的编译与处理。目前，较为常用的编程器主要包括简易编程器与图形编程器，简易编程器价格低廉、占用空间小，多用于一些小型的PLC，但是在使用这种类型的编程器时，需要联机以后才能进行编程操作。而图形编程器则自带一个显示屏，可以利用指令语句编程，也可以用梯形图进行编程，因此在脱机与联机状态下，都可以完成编程任务。近年来，随着PLC联网功能的日渐完善，一种新型的编程方式受到编程人员的普遍青睐，即计算机辅助编程，这种利用计算机载体进行编程的方式不仅编程量大，而且编程效率高。

电源模块主要为PLC系统提供稳压电源，借助于该模块可以将外部的供电电源转变成PLC系统内部中央处理单元、存储器、编程器、I/O接口等电路工作所需的直流电源。一旦外部电源出现故障或者临时断电的情况，可以直接启用锂电池这一后备电源，来保障PLC系统的正常运行。

1.2 PLC的工作原理

从图1当中可以看出，PLC系统的运行工作过程主要包括三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段，当系统完成这三个阶段的工作内容则被称作一个扫描周期。其中，输入采样阶段主要是PLC系统以扫描的方式将所有输入端输入的开或关、ON或OFF、“0”或“1”等信号状态读入到输入映象寄存器中，这一过程也被称为输入刷新。在用户程序执行阶段，PLC系统对用户程序按照一定的顺序进行扫描，一般按照先左后右、先上后下的顺序进行，这一期间，即便输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会发生改变。当程序执行完毕，则直接进入输出刷新阶段，这时，映象寄存器中输出继电器的状态将直接转存到输出锁存寄存器，然后对用户输出设备进行驱动，当输出刷新阶段的工作任务完成以后，即完成了一个扫描周期。

图1 PLC系统工作原理示意图

2 PLC在工业电气自动化中的应用优势分析

2.1 可靠性高

在PLC系统当中，I/O接口电路全部采用光电隔离，使工业生产现场的外电路与PLC内部的电路之间形成了一道隔离层，这就给PLC系统内部组件提供了安全保障。而系统的各个模块均采取了较好的屏蔽措施，使得PLC系统的抗辐射能力显著增强。另外，对于大型PLC系统来说，多数采用双CPU的冗余系统或者三CPU的表决系统，在这种情况下，PLC系统的稳定性能够得到可靠保障。

2.2 安装调试便捷，维修耗时短

由于PLC被统一安装在各种电气设备当中，因此，PLC完全可以脱离机房，而在各种作业条件下运行，工作人员在安装PLC及相应的接口电路时，只需要在作业生产现场即可完成。另外，一旦PLC的内部元器件出现故障，自诊断模块可以第一时间发出故障预警信号，这样终端操作人员便可以快速查找出故障的所在位置，为故障排除节省了大量时间。

2.3 编程简单，I/O接口多

PLC系统的编程模式主要以梯形图为主，在编程过程中，只需要编程人员输入简单的代码即可，而无需专业的计算机知识与编程知识，这不仅节省了编程时间，并且编程人员也更容易掌握编程技巧。另外，PLC系统的I/O接口较多，可以满足工业生产现场不同信号的传输需要，比如交流信号、直流信号、开关量信号、脉冲信号等，这些信号的传输载体都可以和生产现场的传感器、电磁线圈、控制阀等设备直接相连，进而给PLC系统的正常运行提供了坚实保障[2]。

3 PLC在工业电气自动化中的具体应用

3.1 PLC在数控机床中的应用

数控机床是机械加工领域一种常见的应用型设备，该设备融合了计算机技术、电子技术、自动控制技术以及PLC技术，使得机械加工流程得到进一步优化，产品的加工精度也得到进一步提升。由于PLC系统具有可靠性高、体积小、抗干扰能力强等特点，因此，其已经成为数控机床的一个关键组成结构。

3.1.1 PLC系统的配置方式

PLC系统在数控机床中的配置方式主要包括四种类型。

第一种是将PLC安装在机床侧，专门用于完成传统继电器的逻辑控制，如图2所示。这种配置方式的工作原理是：PLC与数控系统之间主要借助于I/O接口来完成信息的交换过程，然后向机床发出执行指令，使机床完成与口令相对应的动作，比如切削动作、铣镗动作、磨削动作等。这种配置方式往往需要多条连线，因此，连线过程较为复杂，并且极易发生混线的情况。

图2 机床侧的配置方式

第二种配置方式是将PLC系统内装，即PLC只有M根连线与机床相连，机床与PLC系统之间的信息交换过程只需要在数控系统内部完成。因此，这种配置方式不存在N根连线，这既可以节约大量的投入成本，同时也给维修工作提供了诸多便利。

第三种配置方式是使PLC属于独立一个结构，通常安装在靠近CNC的位置，或者数控机床使用内置PLC，机床与PLC之间的信息交换过程需要通过安装在机床侧的I/O模块来完成。相比于前两种配置方式，这种方式多适用于一些中型及大型的数控机床当中，其应用优势在于接线少、可靠性高。

而第四种配置方式则完全属于独立型的PLC，机床与PLC系统之间的信息交换过程直接通过通信线来完成，这种配置方式省去了M与N根接线，并且信息交换量大幅增长。

3.1.2 实现了BCD二进制编码拨盘数据输入

BCD二进制编码拨盘数据输入的实现完全依靠于PLC系统的功能指令，在数控机床当中，BCD二进制编码拨盘属于一个数据输入装置，在拨盘上面一共有10个标记数字的位置，分别标注了0-9的数字，每一个拨盘代表一位十进制数据；如果输入的数据位数较多，则可以采取多片BCD码拨盘并联的方式完成。由于设置了BCD码拨盘装置，因此在配置PLC系统时，无需再设计数码输入显示电路，这就使得PLC内部的硬件电路大幅减少，数控机床控制系统的译码电路的功能原理也变得更加简单；在这种情况下，电机步数将相应递减。为了便于数据输入，使PLC能够快速处理各种数据信息，通常在数控机床操作端增设一个输入键，这就给操作人员节省了大量的数据输入时间，进而提升了作业生产效率。

3.1.3 外部元件故障的自检测

相比于传统的继电器，PLC系统本身具有高可靠性，因此，一旦数控机床出现故障，则首先可以排除PLC系统，继而去查找外部元器件的故障隐患。比如数控机床在实际运行过程中，行程开关触点的熔焊与氧化分别对应的故障类型是短路与开路故障，这两种故障类型并不属于PLC系统本身的故障内容，但是自检测系统能够快速准确地识别出故障发生的位置，然后可以向终端操作系统及时发出故障预警信号。在这种情况下，机床维修人员能够快速判断出故障原因，并采取针对性的补救与维修措施来排除故障隐患，由此可见，在数控机床中应用PLC技术能够最大限度地降低系统发生故障的概率。

3.2 PLC在火电厂控制系统中的应用

3.2.1 在锅炉补给水处理控制系统中的应用

火电厂锅炉补给水处理控制系统主要担负着水汽往复循环的职责，但是当水汽经过管道时，极易出现蒸发与泄漏的情况，这就浪费了大量的水汽，而PLC在该系统中的应用则扭转了这一局面。比如在应用PLC技术之前，系统当中的阴、阳离子交换器一般由11～13个阀门控制，运行时间在24小时左右，还原时间介于100～130min之间；而每一台混合离子交换器则由17个阀门控制，运行时间是阴、阳离子交换器的3倍，还原时间则为140min。从交换器的运行时间与还原时间可以看出，传统的锅炉补给水处理系统操作繁琐，运行流程极为复杂，并且单位时间内的补水量较大，在这种情况之下，锅炉中的除盐系统将始终处于切换动作，无形当中就增加了现场作业人员的工作量，而且人为误操作现象也频频发生。而采用PLC系统以后，补给水与除盐系统完全实现了自动化与智能化控制，不仅减少了人为失误现象的发生，同时也给火电厂节省了大量的生产成本[3]。

3.2.2 在锅炉吹灰控制系统中的应用

吹灰系统主要是对锅炉水冷壁、过热器、再热器、省煤器等受热装置的表面及内部结渣与积灰进行清理，在执行清理工序时，一般采取降压蒸汽法，为了防止高温吹灰烧损吹灰器，通常用水作为介质来进行降温处理。在执行吹灰工序时，首先启动吹灰用的汽源，然后再将吹灰器推进炉膛或者烟道内，当吹灰工序结束后，吹灰器将自动退出炉膛。但是，过去锅炉吹灰装置的控制模式主要依靠继电器来完成，如果锅炉体积较大，单位时间内产生灰渣数量较大，吹灰装置的吹灰效果也将不尽如人意。比如吹灰器的安装位置多处于锅炉水冷壁、过热器、再热器、空气预热器等装置的两侧炉墙上，而吹灰所使用的蒸汽一般采用过热蒸汽或者再热蒸汽，总阀门通常安装在蒸汽总管道上面，进气阀门与疏水阀门则安装在分支蒸汽管道上面；这种布置形式对吹灰效果将产生诸多不利影响，尤其在执行顺序操作程序时，完成难度极高。因此，应用PLC系统以后，能够对每一道吹灰工序进行顺序控制，在这种情况下，吹灰系统清理灰渣与积尘的效果将体现得尤为明显[4]。

3.2.3 在锅炉定期排污控制系统中的应用

定期排污主要结合锅炉内部的水质状况而定，如果水质差，则需要缩短定期排污时间；如果水质优良，则可以适当延长定期排污时间。在排污过程中，与锅炉下联箱相连的排污阀门将含盐量较高的锅炉水排出，这既可以降低水体盐分，同时也能够提升锅炉蒸汽的品质。由于锅炉运行过程中产生的含盐成分的污水量较大，因此，锅炉排污阀门的数量较多，一般情况下，都能够达到20个左右。其安装位置多处于锅炉的底端，但是，由于锅炉底端所接触的环境条件较为恶劣，需要操作人员及时对排污阀门进行清理，这就大大增加了劳动量，并且排污效果也将受到严重影响。而应用PLC系统以后，锅炉的定期排污实现了自动化与智能化控制，并且该系统接线简单、体积小、可靠性高，对锅炉定期排污控制系统能够实现精准化控制，这不仅减少了人工操作的工作量，并且排污效果也更好地凸显了出来。

4 结语

通过对PLC在工业电气自动化中应用效果的分析可以看出，PLC系统强大的自动控制功能，不仅推进了工业生产规范化、标准化、自动化、智能化的发展进程，并且也给国民经济的持续稳步增长提供了强大的技术支撑。基于此，广大科技研发人员应对PLC系统的性能持续进行优化和改进，在提高工业电气自动化水平的同时，为我国工业生产总值的持续增长作出新的、更大的贡献。