PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

劉宏山

武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430040

0 引言

PLC是可編程邏輯控制器的英文簡(jiǎn)稱，是一種專門為了工業(yè)生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，其邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、模擬輸入輸出等功能均為工業(yè)生產(chǎn)而服務(wù)，與工業(yè)控制系統(tǒng)之間存在高度相容性和易擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)[1]。文章圍繞PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化中控制的應(yīng)用進(jìn)行討論，為推動(dòng)我國(guó)PLC技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 PLC技術(shù)概述

PLC根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為整體式PLC和模塊式PLC；根據(jù)功能可分為高、中、低三檔，其中高檔PLC可滿足工廠生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化控制需求；根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)可分為大、中、小三型。其中，小型PLC的點(diǎn)數(shù)小于256，由單CPU、8（或16）微處理器、4 KB以下的用戶存儲(chǔ)器組成，多見(jiàn)于日本產(chǎn)品；中型PLC的點(diǎn)數(shù)小于2 048，具備雙CPU，存儲(chǔ)容量上限為8 KB；大型PLC的點(diǎn)數(shù)大于2 048，且暫時(shí)無(wú)上限，CPU數(shù)量大于2，處理器為16（或32）位，存儲(chǔ)容量上限為16 KB，多見(jiàn)于歐美國(guó)家的產(chǎn)品[2]。

1.1 PLC技術(shù)的特征

PLC的研發(fā)借鑒了繼電控制器、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，具有其他控制器無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。PLC技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)多個(gè)工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)得到應(yīng)用，在冶煉、機(jī)械制造、能源化工、電力、交通等行業(yè)內(nèi)均有PLC技術(shù)的足跡。

1.1.1 反應(yīng)速度快

反應(yīng)速度快是PLC在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的原因之一，PLC技術(shù)能夠快速反應(yīng)的關(guān)鍵在于輔助繼電器的應(yīng)用。輔助繼電器可以幫助PLC忽略部分電氣工程控制節(jié)點(diǎn)，從而節(jié)約時(shí)間，加快對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)內(nèi)容的處理速度，提升整體運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

1.1.2 安全性高

PLC的安全性主要體現(xiàn)在其優(yōu)秀的抗干擾能力，其能夠有效規(guī)避干擾因素，保證電氣工程自動(dòng)化控制的整體運(yùn)行效果。隨著電氣工程自動(dòng)化控制設(shè)備數(shù)量的增加、規(guī)模的不斷擴(kuò)大，PLC的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，PLC需要應(yīng)對(duì)的情況越來(lái)越復(fù)雜，需要通過(guò)不斷完善相關(guān)技術(shù)來(lái)保證其性能安全。

1.1.3 操作簡(jiǎn)單

相較于內(nèi)部復(fù)雜的程序運(yùn)轉(zhuǎn)和數(shù)字運(yùn)算，PLC技術(shù)在人機(jī)操作方面更加簡(jiǎn)便。工業(yè)生產(chǎn)操作人員可通過(guò)簡(jiǎn)單的操作來(lái)控制PLC及其外圍設(shè)備，提高電氣工程自動(dòng)化控制過(guò)程中的人工操作效率，減少對(duì)人力資源的依賴。操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)也使得操作人員在遇到問(wèn)題時(shí)不需要花費(fèi)大量時(shí)間在PLC操作上，有利于故障和問(wèn)題的快速排除，可以保證工業(yè)電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 PLC的內(nèi)部構(gòu)成

從內(nèi)部構(gòu)成來(lái)看，PLC主要由FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）和DCS（分散控制系統(tǒng)）構(gòu)成。FCS是控制PLC與電氣設(shè)備之間線路的總開(kāi)關(guān)，是保證PLC操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快的重要基礎(chǔ)。FCS結(jié)合了通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使PLC與電氣設(shè)備之間的線路可以傳遞數(shù)據(jù)信息，為PLC的數(shù)字運(yùn)算和控制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。DCS是分析控制功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，其主要功能為根據(jù)FCS獲取的數(shù)據(jù)信息分析與預(yù)測(cè)電氣工程設(shè)備操作過(guò)程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)、檢查電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中各項(xiàng)功能是否完備，可以降低電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行的成本和故障發(fā)生率[3]。

2 PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 簡(jiǎn)化電氣設(shè)備維修

PLC的應(yīng)用價(jià)值之一在于簡(jiǎn)化電氣設(shè)備的維修環(huán)節(jié)。電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的PLC體積小，而且能夠?qū)﹄姎夤こ踢\(yùn)行中的潛在故障進(jìn)行分析和預(yù)警。前者降低了電氣設(shè)備拆卸維修的難度，后者輔助操作人員將故障消滅在萌芽階段。

2.2 優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)配置

PLC在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用范圍較廣，不僅可以用于單臺(tái)設(shè)備的控制，還可以集中控制流水線的多臺(tái)設(shè)備，這依賴于PLC系統(tǒng)內(nèi)的大容量、高速運(yùn)行計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)是PLC系統(tǒng)的核心，是分析數(shù)據(jù)信息、發(fā)現(xiàn)潛在故障、優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)配置、提高運(yùn)行效率的關(guān)鍵。

2.3 提升抗干擾性能

在電氣工程自動(dòng)化控制中應(yīng)用PLC技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多電氣設(shè)備輸入口的順序控制、邏輯控制，還可以結(jié)合繼電器優(yōu)勢(shì)提升電氣工程的整體抗干擾能力以及電氣工程運(yùn)行的穩(wěn)定性。繼電器和開(kāi)關(guān)量化是PLC技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是PLC技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

3 PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用模式

3.1 控制開(kāi)關(guān)量邏輯關(guān)系

控制開(kāi)關(guān)量邏輯關(guān)系是電氣工程自動(dòng)化控制中PLC技術(shù)的常見(jiàn)應(yīng)用模式，其主要目的在于利用PLC技術(shù)有效控制電氣工程中數(shù)量眾多的開(kāi)關(guān)，借助順序控制和邏輯控制保證整個(gè)流水線中機(jī)床、設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提高工業(yè)生產(chǎn)加工的質(zhì)量和效率。對(duì)開(kāi)關(guān)量邏輯關(guān)系的控制是PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的重要功能，不僅保證了自動(dòng)化控制的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，還保證了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的可靠和高效，而且為工業(yè)生產(chǎn)流水線和控制系統(tǒng)的故障排查奠定了基礎(chǔ)。在開(kāi)關(guān)量受順序和邏輯控制的情況下，操作人員可根據(jù)PLC顯示的故障預(yù)警信息快速確定故障發(fā)生位置，并盡快完成故障排除作業(yè)，在最大程度上提升電氣工程的整體運(yùn)行穩(wěn)定性，減少因?yàn)楣收隙斐傻膿p失。

3.2 集中管控大量電氣設(shè)備

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)為技術(shù)支柱的PLC技術(shù)同樣實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，從單純的自動(dòng)化控制向著智能化控制方向發(fā)展。大型PLC已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)線上電氣設(shè)備的集中管控，通過(guò)在管控范圍內(nèi)進(jìn)行資源調(diào)配、控制細(xì)化，可以在保證生產(chǎn)加工質(zhì)量和效率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最低能耗，有效克服了電氣自動(dòng)化控制的能耗弊端和運(yùn)行效率阻礙。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)難題的攻克，PLC必將繼續(xù)向著管控精細(xì)化的方向發(fā)展，推動(dòng)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)體系的質(zhì)量、效率的提升和能耗的降低。

3.3 數(shù)據(jù)控制、處理與托管

在電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，PLC的高效管控得益于大量數(shù)據(jù)的采集、分析和應(yīng)用，數(shù)據(jù)控制是PLC技術(shù)的核心部分，關(guān)系到PLC技術(shù)的應(yīng)用效率和未來(lái)擴(kuò)充幅度。電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，雖然PLC具備較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，但過(guò)大的數(shù)據(jù)量仍然會(huì)降低PLC的運(yùn)行效率。因此，在應(yīng)用PLC技術(shù)時(shí)，操作人員可通過(guò)編寫程序來(lái)過(guò)濾部分低價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，以提高PLC的數(shù)據(jù)分析效率?；赑LC的數(shù)據(jù)控制、處理不僅可以幫助電氣工程自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，還有助于在信息化時(shí)代保證控制系統(tǒng)安全，保證用戶的經(jīng)濟(jì)利益，避免因?yàn)榘踩┒从绊戨姎夤こ痰恼w運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，我國(guó)已有部分企業(yè)在電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理，為PLC技術(shù)的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)處理方面的輔助，接受PLC的數(shù)據(jù)托管，可以提高PLC的控制效率，間接提升電氣工程自動(dòng)化控制的效果。

3.4 順序控制

PLC技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域中的應(yīng)用方式之一為順序控制，借助PLC的邏輯控制和順序控制可以對(duì)系統(tǒng)中的眾多電氣設(shè)備進(jìn)行順序管理，以最優(yōu)、最合理的順序控制電氣設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，提升整個(gè)電氣工程的自動(dòng)化控制效率，降低能源消耗。得益于PLC技術(shù)的應(yīng)用，操作人員可以遠(yuǎn)程控制工業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程，只需要提前設(shè)置好PLC的源程序和常用控制模塊，就可以遠(yuǎn)程管理工業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程。隨著傳感技術(shù)、主輔站技術(shù)的不斷發(fā)展，操作人員能夠參考的順序控制數(shù)據(jù)增加，順序控制有效性得以優(yōu)化，在數(shù)據(jù)庫(kù)的管理輔助下，可以更高效地應(yīng)用PLC技術(shù)。

3.5 閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的常見(jiàn)應(yīng)用模式，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)加工都應(yīng)用了閉環(huán)控制。閉環(huán)控制的關(guān)鍵在于根據(jù)指令輸出和獲得的信息反饋來(lái)調(diào)整控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)，使系統(tǒng)越來(lái)越接近理想的運(yùn)行狀態(tài)，從而提升生產(chǎn)加工質(zhì)量、降低能源和原材料消耗。閉環(huán)控制與順序控制的結(jié)合是提升PLC智能化水平的關(guān)鍵，可進(jìn)一步提升PLC在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用效果，使程序的協(xié)調(diào)能力、操作簡(jiǎn)便性得到突破[4]。例如，在機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)流水線上，借助PLC閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)刀具選擇自動(dòng)化、通信自動(dòng)化，使流水線上的生產(chǎn)設(shè)備能夠根據(jù)電機(jī)使用時(shí)間來(lái)選擇合適的刀具，提升流水線生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，借助有效選型來(lái)提高生產(chǎn)量。

3.6 信息數(shù)據(jù)采集

使用PLC技術(shù)不僅可以控制電氣設(shè)備，還可以控制攝像頭、傳感設(shè)備等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的全過(guò)程掃描，獲取電氣工程系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)。傳感等設(shè)備的控制為PLC控制系統(tǒng)提供了更多的數(shù)據(jù)來(lái)源，與PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)反饋條線相互配合，可有效提升PLC技術(shù)對(duì)電氣工程風(fēng)險(xiǎn)的控制能力。

4 PLC技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 PLC技術(shù)在機(jī)床設(shè)備中的應(yīng)用

機(jī)床是電氣工程自動(dòng)化控制領(lǐng)域中加工環(huán)節(jié)多、零部件多、原材料使用量大的一種電氣設(shè)備。機(jī)床本身的運(yùn)行需要一個(gè)強(qiáng)有力的控制系統(tǒng)作為后盾，一旦機(jī)床控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整條線路的生產(chǎn)加工進(jìn)度將會(huì)受到影響，造成大量的生產(chǎn)原材料和能源的浪費(fèi)。目前，我國(guó)工業(yè)企業(yè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)床電氣設(shè)備的PLC技術(shù)應(yīng)用，借助PLC技術(shù)可以控制機(jī)床的開(kāi)啟、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，確定機(jī)床處于正常且健康的運(yùn)行狀態(tài)，保證流水線的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。操作人員也可以根據(jù)PLC采集的機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)判斷機(jī)床是否存在安全隱患、潛在故障和磨損嚴(yán)重的零部件，并及時(shí)排除故障、更換磨損嚴(yán)重的零部件，保證機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)安全，避免因?yàn)楣收匣蛄悴考匣瘜?dǎo)致機(jī)床停機(jī)。

4.2 PLC技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人設(shè)備中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人由機(jī)械本體、控制器、檢測(cè)裝置、傳感裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，是一種能夠在三維空間中模仿人類操作的機(jī)電一體化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)流水線上的作業(yè)與PLC技術(shù)的應(yīng)用有著密切關(guān)系，其自動(dòng)控制、重復(fù)運(yùn)動(dòng)、根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)都需要PLC技術(shù)的支持[5]。例如，在汽車車身生產(chǎn)流水線上工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)基本包攬沖壓、焊接、涂膠等加工工作，可以保證復(fù)雜的車身生產(chǎn)加工過(guò)程能夠有序、高效進(jìn)行，充分提高車身生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，減輕汽車生產(chǎn)加工企業(yè)工人的工作壓力，改善工人的工作環(huán)境。PLC技術(shù)的應(yīng)用以汽車車身流水線的生產(chǎn)加工需求為基礎(chǔ)，需要操作人員在系統(tǒng)中輸入生產(chǎn)指令，并在后臺(tái)監(jiān)控工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，保證流水線的生產(chǎn)效率。操作人員主要負(fù)責(zé)在PLC系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)督工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)，并對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行快速定位，通過(guò)修改指令、調(diào)整參數(shù)、停止運(yùn)行、故障修理等方式來(lái)進(jìn)行補(bǔ)救，以保證工業(yè)生產(chǎn)加工的整體效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，PLC技術(shù)具有非常優(yōu)秀的應(yīng)用功能，已經(jīng)在我國(guó)的電氣工程自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。PLC技術(shù)的應(yīng)用主要以開(kāi)關(guān)量控制、順序控制、集中管控等模式展開(kāi)，可以提升助推電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率。目前，電氣工程領(lǐng)域?qū)LC技術(shù)的應(yīng)用還有一定的進(jìn)步空間，技術(shù)人員需要積極學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)，推動(dòng)電氣工程從自動(dòng)化向著智能化的方向發(fā)展。