基于PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化電氣控制應(yīng)用的研究

陳彥彬

【摘要】隨著我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展，電氣控制難度越來(lái)越大，傳統(tǒng)人工模式依舊不滿足當(dāng)前控制需求，必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電氣控制模式。這一條件下，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電氣控制就成為了業(yè)界相關(guān)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題，隨之PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）受到了廣泛關(guān)注，利用PLC可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電氣控制。對(duì)此本文為了了解如何使用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電氣控制的方法及控制應(yīng)用將展開分析，闡述PLC概念、特點(diǎn)，論述PLC自動(dòng)化電氣控制實(shí)現(xiàn)方案，最后提出PLC自動(dòng)化電氣控制應(yīng)用方式。

【關(guān)鍵詞】PLC;自動(dòng)化電氣控制;電力行業(yè)

0.引言

自動(dòng)化電氣控制是現(xiàn)代電力行業(yè)建設(shè)中必須實(shí)現(xiàn)的控制方式，可以將其視為一種邏輯，但作為一種邏輯就必須建立在可控基礎(chǔ)上，這時(shí)PLC就能為自動(dòng)化電氣控制邏輯提供可控基礎(chǔ)?？傮w上，相關(guān)人員可以將自身設(shè)想的自動(dòng)化電氣控制邏輯輸入PLC，這樣在PLC中就出現(xiàn)了各種控制指令與指令定義，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制邏輯化，再借助相關(guān)技術(shù)保障PLC能接收到電氣反饋信息，根據(jù)反饋信息PLC將根據(jù)邏輯進(jìn)行識(shí)別，確認(rèn)信息定義，最后根據(jù)識(shí)別信息定義在邏輯中找到定義相符的指令對(duì)電氣進(jìn)行控制。由此可以看出，PLC是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電氣控制的根本因素，沒有PLC電氣自動(dòng)化控制無(wú)法落實(shí)于實(shí)際工作中，因此有必要進(jìn)行相關(guān)研究。

1.PLC的概念與特點(diǎn)

1.1概念

在概念上可以將PLC視為一種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信號(hào)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，因此具有較強(qiáng)的綜合性，且這些技術(shù)在實(shí)際工作中可以自由組合，形成多種PLC控制方案，目前在自動(dòng)化電氣控制中主要使用兩種PLC控制方案，分別為集散型控制方案、總線型控制方案。集散型控制方案主要以PLC系統(tǒng)為終端，利用信號(hào)技術(shù)將終端與現(xiàn)場(chǎng)所有控制目標(biāo)分別建立信息交互關(guān)系，這樣終端就能通過信號(hào)技術(shù)獲取反饋信息，并根據(jù)反饋信息發(fā)送對(duì)應(yīng)控制指令到控制目標(biāo)，這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化控制，但因?yàn)镻LC要對(duì)所有信息進(jìn)行單獨(dú)控制，所以成本、效率等方面稍弱;總線型控制方案脫胎于“現(xiàn)場(chǎng)總線”技術(shù)，即在現(xiàn)場(chǎng)布置總線，將所有控制目標(biāo)的反饋信息全部集成到總線，再將PLC與總線連接，統(tǒng)一接受所有反饋信息，再進(jìn)行逐步分析，明確控制需求，最后發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)控制目的，該方式具有控制范圍廣、效率高的優(yōu)勢(shì)，但控制精度上相對(duì)較弱[1]。這兩種方式各有優(yōu)劣，因此在自動(dòng)化電氣控制中要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇，否則可能造成適得其反的效果。

1.2特點(diǎn)

PLC作為一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的系統(tǒng)，較于其他同類系統(tǒng)具有四大特點(diǎn)，即可操作性強(qiáng)、電氣設(shè)備維護(hù)便捷、靈敏度高、抗干擾能力好，各特點(diǎn)表現(xiàn)如下。

（1）可操作性強(qiáng)

任意可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的系統(tǒng)的可操作性體現(xiàn)于控制邏輯語(yǔ)言的兼容性，即某些系統(tǒng)只能使用少量編程語(yǔ)言來(lái)編制邏輯，而不同的編程語(yǔ)言能編制的邏輯有限，因此有時(shí)候需要使用到多種編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)目的，這時(shí)只能使用少量編程語(yǔ)言的系統(tǒng)就存在可操作性上的限制，是可操作性弱的表現(xiàn)。但反觀PLC，其能夠兼容大量邏輯編程語(yǔ)言，可以使用圖形、符號(hào)來(lái)進(jìn)行編程，這種方式不但能全面實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化控制目的，還便于相關(guān)人員觀察，可見PLC的可操作性較強(qiáng)，有利于電氣自動(dòng)化控制質(zhì)量。

（2）電氣設(shè)備維護(hù)便捷

電氣設(shè)備維護(hù)是一項(xiàng)繁瑣的工作，需要相關(guān)人員去觀察設(shè)備狀態(tài)，再根據(jù)狀態(tài)開展專項(xiàng)維護(hù)工作，這樣就必然會(huì)導(dǎo)致人工工作負(fù)擔(dān)較大，且在人工誤差性的影響下，有可能出現(xiàn)維護(hù)質(zhì)量問題，這種現(xiàn)象在傳統(tǒng)電氣設(shè)備維護(hù)中非常常見，經(jīng)常受人詬病。但在PLC應(yīng)用下，因?yàn)镻LC能夠?qū)㈦姎庠O(shè)備狀態(tài)下的各類數(shù)據(jù)以邏輯方式儲(chǔ)存，此舉可以大幅度降低儲(chǔ)存空間需求，減小維護(hù)數(shù)據(jù)量，這時(shí)人工只需要對(duì)小量數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱分析，并在較短的時(shí)間內(nèi)設(shè)置自動(dòng)維護(hù)程序，由此實(shí)現(xiàn)維護(hù)目的，可見這個(gè)過程更加便捷，較于人工或其他維護(hù)模式，其不但降低了人工工作負(fù)擔(dān)，還有利于設(shè)備維護(hù)成本、電氣安全穩(wěn)定。

（3）靈敏度高

因?yàn)殡姎庠O(shè)備在運(yùn)作中經(jīng)常出現(xiàn)瞬時(shí)性故障，且某些故障會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)隱性損傷，所電氣自動(dòng)化控制應(yīng)當(dāng)具備較高的靈敏度，如果靈敏度低，就很可能發(fā)現(xiàn)不了瞬時(shí)性故障或隱性損傷，使得電氣設(shè)備狀態(tài)逐漸下滑，最后可能出現(xiàn)一系列的電氣安全事故。這一條件下，利用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化控制能夠保障靈敏度水平，即PLC的使用能夠?qū)鹘y(tǒng)控制機(jī)制中的繼電器進(jìn)行更換，突破機(jī)械觸電繼電器限制，借助高靈敏度繼電器可以有效對(duì)瞬時(shí)性故障或隱性損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)與處理。根據(jù)現(xiàn)代PC電氣自動(dòng)化靈敏度的表現(xiàn)可知，高靈敏度繼電器基本可以實(shí)現(xiàn)零延遲反應(yīng)，且同步進(jìn)行信息傳輸，整個(gè)過程的延遲率也幾乎為零。

（4）抗干擾能力好

電氣自動(dòng)化控制中信號(hào)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是最基本的兩項(xiàng)基礎(chǔ)，而這兩項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在易受干擾的問題，即假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)存在干擾因素，就有可能導(dǎo)致信號(hào)傳輸出現(xiàn)中斷、斷續(xù)等質(zhì)量差的表現(xiàn)，而自動(dòng)化控制質(zhì)量也會(huì)受此影響出現(xiàn)問題，因此電氣自動(dòng)化控制應(yīng)當(dāng)具備良好的抗干擾能力。而PLC具備抗干擾電路、自動(dòng)報(bào)警功能等抗干擾裝置，這些裝置能夠有效抵抗內(nèi)外環(huán)境中的干擾因素影響，盡可能保障電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)作，且如果出現(xiàn)無(wú)法抵抗的干擾影響，則借助自動(dòng)報(bào)警功能與應(yīng)急機(jī)制可以將干擾影響降至最低，并通過人工實(shí)現(xiàn)快速處理，即當(dāng)出現(xiàn)無(wú)法抵抗的干擾影響之后，PLC會(huì)啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制，對(duì)受干擾部位的受控目標(biāo)進(jìn)行停機(jī)控制，這樣可以避免干擾影響下產(chǎn)生的問題惡化，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警功能，通知人工前來(lái)處理，并將受干擾部位的信息發(fā)送給人工，幫助人工進(jìn)行定位與診斷。

2.PLC自動(dòng)化電氣控制實(shí)現(xiàn)方案

2.1方案要點(diǎn)

雖然在不同場(chǎng)合下，電氣自動(dòng)化控制需求存在差異，使得PLC自動(dòng)化電氣控制實(shí)現(xiàn)方案也存在差異，但無(wú)論差異如何變化，方案中有三個(gè)要點(diǎn)是一致的，這三個(gè)要點(diǎn)就是構(gòu)建自動(dòng)化控制方案的基礎(chǔ)，分別為數(shù)據(jù)采集、指令設(shè)定與執(zhí)行、指令執(zhí)行結(jié)果信息獲取與反饋。圖1為PLC自動(dòng)化電氣控制實(shí)現(xiàn)方案拓?fù)鋱D。

根據(jù)圖1，在PLC自動(dòng)化電氣控制實(shí)現(xiàn)方案中，數(shù)據(jù)采集是獲取受控目標(biāo)信息的步驟，人工需要根據(jù)這些信息來(lái)設(shè)定指令，由此對(duì)控制邏輯運(yùn)作起到支撐作用;設(shè)定與執(zhí)行是根據(jù)受控目標(biāo)當(dāng)前信息，由PLC進(jìn)行識(shí)別后選擇人工設(shè)置的對(duì)應(yīng)指令，并執(zhí)行該指令來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目的的步驟;指令執(zhí)行結(jié)果信息獲取與反饋是對(duì)當(dāng)前執(zhí)行指令的執(zhí)行情況進(jìn)行信息采集，并反饋給人工用于最終檢測(cè)的步驟，即獲取指令執(zhí)行是否順暢、受控目標(biāo)在指令執(zhí)行后的狀態(tài)（指令執(zhí)行情況），人工對(duì)此進(jìn)行最終檢測(cè)，若指令執(zhí)行不順暢或受控目標(biāo)狀態(tài)依舊未恢復(fù)正常水平，則需要介入。

2.2方案實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)圖1方案，下文將對(duì)各方案要點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行論述。

（1）數(shù)據(jù)采集要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)據(jù)采集步驟分別與受控目標(biāo)、PLC終端連接，需要起到信息采集作用與信號(hào)傳輸作用，因此要使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信號(hào)技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面上，主要使用傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)信息采集作用，人工需要根據(jù)各類電氣設(shè)備的類型來(lái)分析控制指標(biāo)，再根據(jù)控制指標(biāo)來(lái)選擇對(duì)應(yīng)類型、型號(hào)合理的傳感器，將傳感器與電氣設(shè)備連接即可，如某些電氣設(shè)備運(yùn)作會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，且自身容易被高溫影響而出現(xiàn)損壞，這時(shí)就要使用溫度傳感器來(lái)采集溫度信息。其次為了將傳感器獲取信息發(fā)送到PLC終端處，需要采用信號(hào)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息發(fā)送，其中信號(hào)技術(shù)一般用于集散自動(dòng)化控制方案中，通過信號(hào)發(fā)出/接受裝置可實(shí)現(xiàn)目的（市面上很多傳感器都具備信號(hào)發(fā)出功能，若選擇此類傳感器可以不設(shè)置信號(hào)發(fā)出裝置，安裝通信格式匹配的接受裝置即可）;網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一般用于總線自動(dòng)化控制方案中，如Symotion10/100M以太網(wǎng)，利用canopen協(xié)議可以構(gòu)建完善通信渠道，借助網(wǎng)絡(luò)與傳感器連接即可[2]。

（2）指令設(shè)定與執(zhí)行要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方法

指令設(shè)定有兩種方式，其一人工根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，將電氣設(shè)備控制中比較常見的控制方法流程化，隨后將控制流程以編程的方式融入PLC系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存中，由此生成控制指令，其二根據(jù)數(shù)據(jù)采集信息可知電氣自動(dòng)化控制實(shí)際需求，再依照需求來(lái)設(shè)定針對(duì)性的控制指令，方法同上。這兩種方法在指令設(shè)定中均可使用，相互并無(wú)沖突，但指令設(shè)定要盡可能的完整，否則會(huì)導(dǎo)致PLC自動(dòng)化控制能效低。指令執(zhí)行同樣依賴于信號(hào)技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，且需要以采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)選擇正確指令，即根據(jù)數(shù)據(jù)采集可知受控目標(biāo)的當(dāng)前狀態(tài)，如果狀態(tài)存在異常則對(duì)異常信息進(jìn)行識(shí)別，起到異常診斷作用，根據(jù)診斷結(jié)果可以對(duì)異常信息進(jìn)行定義，再圍繞定義對(duì)控制指令進(jìn)行正確選擇，隨后依照所選指令的流程一步步執(zhí)行，執(zhí)行過程中會(huì)向每個(gè)流程對(duì)應(yīng)的控制設(shè)備發(fā)送信號(hào)或網(wǎng)絡(luò)信息，促使控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)或進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，但所有流程全部被執(zhí)行，則指令執(zhí)行完畢，如當(dāng)發(fā)現(xiàn)某電氣設(shè)備溫度過高時(shí)，PLC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)“降溫指令”向該設(shè)備的功率控制裝置、開閉裝置進(jìn)行控制，降低設(shè)備當(dāng)前運(yùn)作功率或者直接讓設(shè)備閉合停機(jī)，這樣能起到降溫效果，待溫度恢復(fù)正常水平后，恢復(fù)原有狀態(tài)。此外，為了保障指令能順暢執(zhí)行，在PLC指令執(zhí)行邏輯中應(yīng)當(dāng)設(shè)置執(zhí)行環(huán)境掃描功能，該功能主要對(duì)所有涉及當(dāng)前指令的控制裝置進(jìn)行掃描，如果其中某個(gè)控制裝置存在異常，則說明執(zhí)行環(huán)境不佳，指令無(wú)法正常運(yùn)作，這時(shí)會(huì)替換其他指令，若沒有其他有效指令或其他指令執(zhí)行后未起到效果，再執(zhí)行原有指令。

（3）指令執(zhí)行結(jié)果信息獲取與反饋要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方法

無(wú)論P(yáng)LC最終執(zhí)行了哪一種指令，其都會(huì)利用傳感器對(duì)指令對(duì)應(yīng)的控制裝置情況進(jìn)行信息采集，了解控制裝置運(yùn)動(dòng)軌跡、參數(shù)變化、當(dāng)前位置等信息，再將這些信息與指令各流程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，可知指令執(zhí)行情況，若某控制裝置無(wú)法與對(duì)應(yīng)流程所有指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)符合，則說明指令執(zhí)行情況不佳，隨后將這一情況發(fā)送給人工端，由人工前來(lái)處理，實(shí)現(xiàn)指令執(zhí)行結(jié)果信息獲取與反饋。此外，PLC向人工端發(fā)送指令執(zhí)行反饋信息的動(dòng)作一般由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，其中局域網(wǎng)能夠在封閉式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中將PLC終端與人工手持終端連接（智能手機(jī)或筆記本電腦等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備），人工與相關(guān)設(shè)備只要處于局域網(wǎng)環(huán)境，就可以在第一時(shí)間內(nèi)接收到這些信息，這種反饋方式延遲率很低，能讓人工第一時(shí)間對(duì)問題處理，但缺陷在于通信范圍較小，而采用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行信息反饋（實(shí)現(xiàn)方法同上），則可以有效提高通信范圍，但可能存在較大延遲率或外界干擾的現(xiàn)象，兩種方式需要相關(guān)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

3.PLC自動(dòng)化電氣控制應(yīng)用方式

PLC在自動(dòng)化電氣控制中有很多應(yīng)用方式，其中較具代表性的為模擬量控制、開關(guān)量控制，各方式具體表現(xiàn)見下文。

3.1模擬量控制

PLC在控制應(yīng)用中能發(fā)出兩種模擬信號(hào)，分別為模擬量電壓信號(hào)、模擬量電流信號(hào)兩種，信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)一般為（1-5）V、（4-20）mA、（0-10）V等，這些信號(hào)可以通過模擬的方式對(duì)控制裝置進(jìn)行操控，再通過控制裝置來(lái)執(zhí)行指令，使受控目標(biāo)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化，即電壓或電流變化。這種控制方式常用于遠(yuǎn)傳壓力表、模擬電位器、壓力變送器、溫度變送器、熱電阻等電氣設(shè)備控制當(dāng)中，具體模擬量會(huì)根據(jù)PLC識(shí)別、診斷、環(huán)境掃描成果來(lái)決定，可起到維護(hù)電氣設(shè)備狀態(tài)的作用。

3.2開關(guān)量控制

PLC開關(guān)量控制是一種比較直接的控制方式，其控制邏輯只分為兩種，即開啟、閉合，決定邏輯走向的是PLC診斷成果，即假設(shè)PLC診斷故障需要通過閉合來(lái)進(jìn)行控制，則會(huì)控制開關(guān)進(jìn)行閉合，如果診斷結(jié)果顯示受控目標(biāo)已經(jīng)恢復(fù)正常，則進(jìn)行開啟控制。這里需要注意的是，PLC之所以能夠?qū)﹂_關(guān)裝置進(jìn)行開啟、閉合控制，是因?yàn)槠淇刂浦噶钪写嬖凇傲考?jí)”概念，即在閉合控制中，直接讓開關(guān)裝置通電電路為零，則實(shí)現(xiàn)閉合，相反將開關(guān)裝置通電電路提高到合適量，則實(shí)現(xiàn)開啟。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上，本文對(duì)基于PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化電氣控制應(yīng)用進(jìn)行了研究與分析，提出了PLC概念與特點(diǎn)、闡述了PLC自動(dòng)化電氣控制實(shí)現(xiàn)方案、論述了PLC自動(dòng)化電氣控制應(yīng)用方式。通過分析可知，PLC是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電氣控制的基礎(chǔ)，較于其他有同類功能的系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用中能起到精確控制、快速控制的作用，使電氣設(shè)備運(yùn)作穩(wěn)定、安全。

【參考文獻(xiàn)】

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