PLC技術(shù)在電氣工程自動化控制中的應(yīng)用

朱燕 李敏

（炎黃職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省淮安市 223400）

受制于傳統(tǒng)電機的系統(tǒng)構(gòu)架、技術(shù)模式較為滯后，傳統(tǒng)型電機設(shè)備的控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序由于無法有效識別端口，進而導(dǎo)致傳統(tǒng)電機無法對所需數(shù)據(jù)進行讀取和分析。與此同時，傳統(tǒng)型電機也無法完成對自身的實時監(jiān)控和運行狀態(tài)評估，導(dǎo)致運維人員無法第一時間發(fā)現(xiàn)并解決隱患?；谏鲜銮闆r，更加智能且全面的PLC 技術(shù)在電氣工程自動化控制領(lǐng)域逐漸獲得青睞，該技術(shù)在提升電機運行效率、保障運行質(zhì)量和穩(wěn)定性方面，表現(xiàn)優(yōu)異。

1 PLC技術(shù)應(yīng)用背景

Programmable Logic Controller 的英文簡稱為PLC，中文名稱為“可編程邏輯控制器”，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。通過借助計算機技術(shù)，PLC 技術(shù)得到持續(xù)革新，運行質(zhì)量明顯得到質(zhì)的提升。隨著PLC技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域所發(fā)揮的作用不斷增強，科研人員和技術(shù)人員對該技術(shù)的研究也在不斷深入，不僅使PLC技術(shù)在自動化領(lǐng)域獲得了廣泛認(rèn)可，還為促使其進一步發(fā)展積累了豐富的實踐經(jīng)驗。從PLC 技術(shù)在電氣工程自動化控制的應(yīng)用效果角度看，對于該技術(shù)的應(yīng)用越發(fā)成熟，尤其在開關(guān)量的邏輯控制以及數(shù)字量的智能控制等方面具有廣泛的實踐基礎(chǔ)。

2 PLC技術(shù)及其系統(tǒng)構(gòu)成剖析

2.1 PLC的技術(shù)分析

繼電器屬于傳統(tǒng)型電機設(shè)備系統(tǒng)的重要組成部分，其具有較強的電磁干擾特性，信號傳輸期間，所產(chǎn)生的電流較大，設(shè)備周圍所形成的電磁場較強，可能會對系統(tǒng)中的其他電此信號的傳輸造成較大的干擾。例如，電磁繼電器產(chǎn)生的磁場可能會與電機設(shè)備周圍的高壓線路產(chǎn)生的磁場重疊后形成加強區(qū)域，不僅導(dǎo)致磁場輻射范圍顯著擴大，還對電機設(shè)備系統(tǒng)造成明顯影響。PLC 技術(shù)下的機電設(shè)備，主要通過輸入和輸出兩種方式降低電磁信號的干擾，進而減少接觸不良等問題的發(fā)生[1]。

傳統(tǒng)機電設(shè)備的編程程序，則大多較為復(fù)雜，其內(nèi)部運行機制脈絡(luò)較為復(fù)雜，經(jīng)驗程序和系統(tǒng)程序交叉運行，除此之外還包括相應(yīng)的驅(qū)動程序。除了編程程序復(fù)雜外，傳統(tǒng)機電還需存儲和處理數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)信息，不僅會給技術(shù)操作者的操作行為帶來困難，還會導(dǎo)致電機的運行效率難以得到提升。反觀采用PLC 技術(shù)的機電設(shè)備，其編程較為簡單，且借助于計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對機電設(shè)備進行遠程操控，極大程度上提到了管理者和技術(shù)人員對電機系統(tǒng)的操控能力。采用了PLC 技術(shù)的應(yīng)用程序還可以對多種信號和程序進行自動識別，避免了操作人員反復(fù)、大量輸入系統(tǒng)運行指令。例如，操作人員需要通過USB 接口才能對傳統(tǒng)機電設(shè)備的控制系統(tǒng)進行編程或輸入指令，且需等待系統(tǒng)識別后才能進行相應(yīng)操作。但借助于PLC 自動識別技術(shù)，機電系統(tǒng)可以自動識別指令并對相應(yīng)端口進行自動驅(qū)動。

2.2 PLC技術(shù)的架構(gòu)分析

圖1：PLC 結(jié)構(gòu)框圖

PLC 技術(shù)系統(tǒng)的主要架構(gòu)通常包括五部分：終端處理器、交換機、存儲器、傳輸設(shè)備和電源系統(tǒng)，其工作流程為：大量數(shù)據(jù)經(jīng)過終端處理器的處理后，傳輸設(shè)備對處理后的數(shù)據(jù)進行加密并傳輸至交換器，被加密的數(shù)據(jù)在交換器中進行解密，在根據(jù)指令傳送至存儲器中，進而實現(xiàn)了對信息的收集、處理、傳輸、分析和存儲[2]。

（1）系統(tǒng)指令屬于未加密的明文，在傳輸設(shè)備中采用二進制對數(shù)據(jù)進行加密。二進制下，傳輸設(shè)備會將自動收集到的信息轉(zhuǎn)換成由0 和1 組成的數(shù)字代碼，進行壓縮后再行傳輸，而這些由0 和1 組成的字符串，便是加密和解密的主體。PLC 系統(tǒng)采用二進制進行加密后，交換機設(shè)備便可以自動識別和處理所收集到的信息和指令，以滿足后續(xù)信息加工、處理需求。

（2）存儲器可以高速存儲海量數(shù)據(jù)，以滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的調(diào)取、傳輸和分析需求。

（3）信息系統(tǒng)還離不開電源系統(tǒng)的支持，電源系統(tǒng)是保證PLC 系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，還可以根據(jù)機電設(shè)備控制系統(tǒng)的運行要求和實際運行狀態(tài)自動調(diào)節(jié)電流強度，以此保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

例如，當(dāng)系統(tǒng)長期處于高壓運行狀態(tài)或監(jiān)測到存在電流異常情形時，電源系統(tǒng)的自動保護機制會自動開啟，并通過切斷電源、發(fā)出警報的方式降低安全事故的方式概率，此外系統(tǒng)還具有上傳異常數(shù)據(jù)分析報告的功能，借此技術(shù)人員可以第一時間提出具有針對性的解決方案。

3 PLC技術(shù)在電氣工程自動化領(lǐng)域中的功能優(yōu)勢

3.1 通用性強，便于操作

PLC 技術(shù)的編程語言的實際操作相對簡單，機電設(shè)備管理人員無需掌握全面且復(fù)雜的計算機編程技術(shù)，系統(tǒng)出于開發(fā)階段所需要的時間較少，現(xiàn)場調(diào)試時的操作也比較簡單、便捷。還可以在不拆除硬件的前提下，根據(jù)用戶的具體需求和機電設(shè)備的實際運行情況，在線更改控制方案，當(dāng)然，設(shè)備運維人員也可以在現(xiàn)場對設(shè)備的控制程序進行調(diào)試。

PLC 控制系統(tǒng)具有軟件功能，通過合理利用軟件功能，可以實現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)中需要某些器件才能實現(xiàn)的功能，簡化了運維人員的操作流程，顯著降低機電設(shè)備安裝環(huán)節(jié)的工作量，減輕機電設(shè)備運維人員的工作壓力。因此，相較于繼電器控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)對提升電氣設(shè)備工作效率的作用更加突出。

此外，PLC 產(chǎn)品可以具有可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、占地空間小、操作程序簡約便捷等優(yōu)勢。

3.2 抗干擾能力強，安全穩(wěn)定

鑒于繼電器控制系統(tǒng)中的某些器件可以被PLC 控制系統(tǒng)的軟件功能所取代，直接減少了技術(shù)人員在接線方面的工作量，還有助于降低線路故障的發(fā)生概率。例如，PLC 控制系統(tǒng)下的機電設(shè)備即使處于較強的信號干擾下，其硬件和軟件也可以保持正常運轉(zhuǎn)，整個機電設(shè)備的硬件和軟件在運行過程中的連貫性和穩(wěn)定性更強，產(chǎn)品的運行能力得到有效保障。

3.3 技術(shù)獲得廣泛認(rèn)可

正因為PLC 技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢，隨著我國成為世界制造行業(yè)的新陣地，大量的自動化生產(chǎn)線也進行了PLC 的應(yīng)用改造。根據(jù)工控網(wǎng)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，2019年我國PLC 市場規(guī)模約114 億元，其占到工業(yè)自動化市場規(guī)模的9%，位居第二大產(chǎn)品板塊。盡管2019年市場規(guī)模較2018年相比略有下降，但從近5年發(fā)展趨勢看，其市場規(guī)模仍處于發(fā)展態(tài)勢。在大型和中型PLC市場，受制于技術(shù)壁壘以及該技術(shù)對確保自動化生產(chǎn)穩(wěn)定性、可靠性具有至關(guān)重要的作用，客戶對于產(chǎn)品的價格敏感度并不高，因此，西門子、通用、施耐德、羅克韋爾等公司占據(jù)絕對市場地位，反觀小型PLC 產(chǎn)品，由于其應(yīng)用相對簡單，客戶更看重產(chǎn)品的性價比，因此該市場的供應(yīng)商除西門子、三菱等傳統(tǒng)巨頭供應(yīng)商外，信捷電氣、深圳合信等國內(nèi)廠商的發(fā)展較快，獲得了客戶的認(rèn)可。

4 PLC技術(shù)在電氣工程自動化領(lǐng)域的應(yīng)用情況

電氣自動化領(lǐng)域中，PLC 技術(shù)憑借其所具備的全面、高效、智能化的功能優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍處于持續(xù)擴大狀態(tài)中，主要可歸納概括為三個方面，即：開關(guān)量控制、閉環(huán)控制、順序控制。下面，將分別介紹PLC 技術(shù)在各個層面運用情況分析：

4.1 開關(guān)量控制

以繼電器控制系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)電氣工程自動化設(shè)備中，內(nèi)部線路復(fù)雜，運維人員需要用大量的時間進行梳理，其工作復(fù)雜度高，維護工作量大，還可能因為運維所需時間較長進而影響到設(shè)備的運行效率，嚴(yán)重時還會影響企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營。

PLC 控制系統(tǒng)則可以通過開關(guān)量控制功能對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，極大程度上緩解了運維人員的工作壓力，提升了機電設(shè)備運行的穩(wěn)定性。其具體工作原理為：開關(guān)量控制功能可以對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測到的情況對電流大小進行自動控制，且當(dāng)設(shè)備處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，開關(guān)量會處于低檔狀態(tài)；一旦設(shè)備系統(tǒng)處于高功率運行狀態(tài)，尤其是當(dāng)其實際運行功率接近甚至超過機電設(shè)備的額定功率時，開關(guān)量控制系統(tǒng)會發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，通過跳轉(zhuǎn)至輔助電源的方式以實現(xiàn)系統(tǒng)額定電壓的增長。

PLC 技術(shù)開關(guān)量控制系統(tǒng)所具有的自我故障診斷、修復(fù)功能，不僅可以對系統(tǒng)各個部分的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，對預(yù)判出的險情提前進行預(yù)警提示，自動調(diào)整和修復(fù)問題；還可以詳細記錄并分析已經(jīng)發(fā)生的故障，運維人員定期對這些信息進行分析梳理，可以有效避免機電設(shè)備后續(xù)運行中出現(xiàn)相同的故障。由此可見，PLC 控制系統(tǒng)可以為機電設(shè)備的運維提供強有力的技術(shù)支撐，無論是隱患提前預(yù)警還是故障發(fā)生時的快速反應(yīng)機制，亦或是故障發(fā)生后的數(shù)據(jù)分析功能，在有效降低電氣自動化控制系統(tǒng)故障方面發(fā)揮的作用，功不可沒。

4.2 閉環(huán)控制

電機啟動系統(tǒng)中涉及眾多技術(shù)，包括但不限于聲控、遙感、生物識別等，這些技術(shù)可能縮短電氣啟動所需時間，還具有操作便捷等優(yōu)勢，但在后續(xù)運行環(huán)節(jié)中，易在狀態(tài)感知和調(diào)控等方面存在瑕疵。

PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于電機啟動系統(tǒng)中，可以較少液壓、轉(zhuǎn)速、電流調(diào)控等方面的異常狀況。例如，當(dāng)電機長時間處于高壓運行狀態(tài)時，其內(nèi)部油管和電路所遭受的壓力不斷增加，一旦油管內(nèi)部壓力突破1.0MPa，液壓油可能發(fā)生濺射，增加油管內(nèi)部被腐蝕的隱患。利用PLC 技術(shù)的閉環(huán)控制程序，可以有效避免上述情況的發(fā)生，該程序可以對油管內(nèi)部壓力進行實施監(jiān)測，并根據(jù)感應(yīng)器傳回的數(shù)據(jù)對設(shè)備的壓力情況進行分析后，進而控制調(diào)測開關(guān)。即使液壓狀態(tài)超過了正常范圍，自動控制系統(tǒng)可以通過特定操作減少液壓壓力，且只有在壓力達到正常范圍后，才會重新恢復(fù)操作[3]。

除此之外，PLC 技術(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)在監(jiān)測轉(zhuǎn)子的運行效率和溫度方面，同樣發(fā)揮著重要作用，具有平衡轉(zhuǎn)速與溫度的功能。例如，電機轉(zhuǎn)速的增加會削弱電機的散熱性能，因高速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子造成電機的溫度超出正常值時，或電機長期處于高溫狀態(tài)時，設(shè)備內(nèi)部的保險裝置很容易被損壞，輕則影響電機運行效率，重則導(dǎo)致電機毀損。

4.3 順序控制

通俗將，PLC 技術(shù)對于電氣工程自動化控制系統(tǒng)中的順序控制具有非常重要的功能價值，有效提升了自動化控制系統(tǒng)的運行效率和流暢度。例如，當(dāng)傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)應(yīng)用于火力發(fā)電廠時，可能會產(chǎn)生燃燒物或者不易分解或排出的雜質(zhì)。為解決上述問題，電廠員工首先需要利用風(fēng)機鼓風(fēng)，將上述物質(zhì)集中起來。然后再人工處置這些物質(zhì)。這種方式不僅效率低，效果也不盡如人意，且電廠工作人員所面臨的工作環(huán)境也較為惡劣，不利于員工的安全健康。

使用PLC 技術(shù)后，傳感器系統(tǒng)可以對發(fā)電過程中產(chǎn)生的燃燒物或雜質(zhì)進行檢測，然后觸發(fā)相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)對燃燒物及雜質(zhì)的自動集中處置。由此可見，在火力發(fā)電廠生產(chǎn)經(jīng)營過程中，應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)后，可以高效、便捷的處理發(fā)電系統(tǒng)的運行效率，及時消除燃燒物及雜質(zhì)對發(fā)電系統(tǒng)運行安全的潛在影響，也有助于推動火力發(fā)電廠向綠色、環(huán)保、節(jié)能型電廠進行轉(zhuǎn)型。