PLC技術(shù)在電氣儀表自動(dòng)化控制中的應(yīng)用研究

摘要：在現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，電氣儀表自動(dòng)化控制對(duì)提升生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全與產(chǎn)品質(zhì)量意義非凡?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）技術(shù)屬于先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，在電氣儀表自動(dòng)化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。將深入闡述PLC技術(shù)的原理、特性與編程語言，詳細(xì)探討在電氣儀表自動(dòng)化控制里的數(shù)據(jù)采集、控制邏輯執(zhí)行、故障診斷等應(yīng)用，剖析該技術(shù)應(yīng)用時(shí)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，并對(duì)其未來發(fā)展予以展望。期望為提高PLC技術(shù)在電氣儀表自動(dòng)化控制中的應(yīng)用給予理論與實(shí)踐的指引。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；電氣儀表；自動(dòng)化控制；數(shù)據(jù)采集

電氣儀表可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋多種工業(yè)參數(shù)，像溫度、壓力、流量、電壓、電流等。自動(dòng)化控制則依據(jù)這些參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與管理生產(chǎn)流程［1］。PLC技術(shù)因自身出色性能已成為電氣儀表自動(dòng)化控制的重要技術(shù)方式。

1PLC技術(shù)概述

1.1PLC的基本原理

PLC的硬件主要由中央處理單元（CPU）、輸入輸出（I/O）模塊、電源、存儲(chǔ)器以及通信接口等部分組成。其中，CPU是PLC的核心部分，承擔(dān)著執(zhí)行程序指令、邏輯運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。I/O模塊是PLC和外部設(shè)備相連的紐帶，分為模擬量I/O模塊與數(shù)字量I/O模塊。模擬量I/O模塊用來處理連續(xù)變化的模擬信號(hào)；數(shù)字量I/O模塊則用于處理離散的數(shù)字信號(hào)。電源為PLC系統(tǒng)供應(yīng)穩(wěn)定的電力。存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)用戶程序、系統(tǒng)程序以及數(shù)據(jù)，包含程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。通信接口讓PLC能夠與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PLC采用循環(huán)掃描的工作模式，這種工作模式保證了PLC能夠有序地處理各類輸入輸出信號(hào)，并且可靠性和穩(wěn)定性都很高［2］。

1.2PLC的特點(diǎn)

1.2.1與傳統(tǒng)控制手段對(duì)比的優(yōu)勢(shì)

（1） 可靠性

傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)易受機(jī)械觸點(diǎn)的磨損、電弧等影響，導(dǎo)致故障常有發(fā)生。PLC卻不同，它使用無觸點(diǎn)電子元件，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化，抗干擾能力強(qiáng)。PLC有自診斷功能，可及時(shí)察覺自身硬件故障，還能報(bào)警、切換備用模塊等，系統(tǒng)可靠性大幅提高。

（2） 靈活性

傳統(tǒng)控制方式在布線結(jié)束后，若要改動(dòng)控制邏輯極為艱難，常常要重新布線。PLC則靠軟件編程實(shí)現(xiàn)控制邏輯，當(dāng)生產(chǎn)工藝變化或者控制功能需調(diào)整時(shí)，修改程序就行，不必變動(dòng)硬件接線。這讓PLC能迅速適應(yīng)不同生產(chǎn)需求，系統(tǒng)改造周期得以大大縮短。

（3） 通用性

PLC適用于多種工業(yè)領(lǐng)域和控制任務(wù)。它有豐富的I/O模塊和功能指令，能依據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景靈活配置。不管是簡(jiǎn)單邏輯控制，還是復(fù)雜模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制等，PLC都能出色地完成。

1.2.2適應(yīng)多種工業(yè)環(huán)境的能力

PLC在惡劣工業(yè)環(huán)境下仍可正常工作。其外殼由堅(jiān)固金屬材料制成，防塵、防水、防震性能好。溫度方面，PLC能在較寬溫度范圍運(yùn)行，像部分工業(yè)級(jí)PLC在-20～70 ℃的環(huán)境溫度下能穩(wěn)定工作。在濕度高的環(huán)境中，PLC內(nèi)部電路設(shè)計(jì)和防護(hù)措施可避免水分侵入引發(fā)短路等問題。另外，在有電磁干擾的環(huán)境下，PLC運(yùn)用屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)等電磁兼容措施，能有效抑制外界電磁干擾對(duì)內(nèi)部電路的影響。

1.3PLC的編程語言

1.3.1常見的PLC編程語言

（1） 梯形圖（LAD）

梯形圖屬于圖形化編程語言，其形式與傳統(tǒng)繼電器控制電路原理圖相近。它由母線、常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、線圈等基本元素構(gòu)成，用連線表明邏輯關(guān)系。比如在電氣儀表自動(dòng)化控制中，若要實(shí)現(xiàn)溫度超過某設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)冷卻設(shè)備的控制邏輯，在梯形圖中可用常開觸點(diǎn)表示溫度傳感器信號(hào)，當(dāng)此觸點(diǎn)閉合（也就是溫度超過設(shè)定值）時(shí)，對(duì)應(yīng)的線圈得電，進(jìn)而啟動(dòng)冷卻設(shè)備的控制繼電器。

（2） 指令表（IL）

指令表是基于指令助記符的編程語言，類似計(jì)算機(jī)匯編語言，以助記符形式表示操作指令，像LD（裝載）、AND（與）、OR（或）、OUT（輸出）等。指令表編程語言的優(yōu)點(diǎn)是程序緊湊、執(zhí)行效率高，適合有一定編程經(jīng)驗(yàn)的用戶編寫復(fù)雜控制邏輯。

（3） 功能塊圖（FBD）

功能塊圖運(yùn)用類似數(shù)字電路中邏輯門（如與門或門、非門、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等）的圖形符號(hào)表示各種功能塊。把這些功能塊按一定邏輯關(guān)系連接起來，就能構(gòu)建復(fù)雜控制邏輯。功能塊圖的特點(diǎn)是邏輯結(jié)構(gòu)清晰，便于進(jìn)行模塊化編程。

1.3.2不同編程語言在電氣儀表自動(dòng)化控制中的適用性梯形圖語言因其直觀性，能迅速把傳統(tǒng)繼電器控制邏輯轉(zhuǎn)變成PLC程序。指令表語言在程序執(zhí)行中效率高且在控制邏輯復(fù)雜的電氣儀表自動(dòng)化控制中有優(yōu)勢(shì)。功能塊圖語言適用于大型、復(fù)雜電氣儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2PLC技術(shù)在電氣儀表自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

2.1數(shù)據(jù)采集

2.1.1數(shù)據(jù)連接方式

PLC和電氣儀表的數(shù)據(jù)連接方式主要有模擬量輸入連接與數(shù)字量輸入連接這2種。輸出模擬信號(hào)的電氣儀表，如部分溫度傳感器、壓力傳感器等，一般會(huì)輸出4～20 mA的電流信號(hào)或者0～10 V的電壓信號(hào)。

2.1.2采集數(shù)據(jù)的類型及原理

PLC能夠采集多種電氣儀表的數(shù)據(jù)。以采集電壓和電流數(shù)據(jù)為例，對(duì)于電壓數(shù)據(jù)，電氣儀表輸出的電壓信號(hào)接入PLC的模擬量輸入模塊后，模擬量輸入模塊中的電路會(huì)先對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分壓、濾波等預(yù)處理，之后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。而對(duì)于電流數(shù)據(jù)，模擬量輸入模塊會(huì)把電流信號(hào)經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再開展后續(xù)處理。

2.1.3采集數(shù)據(jù)的處理方法

在數(shù)據(jù)采集期間，為提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，PLC需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。濾波是常見的數(shù)據(jù)處理方式之一，借助濾波算法能夠消除采集數(shù)據(jù)里的噪聲干擾。例如運(yùn)用一階低通濾波算法，它依據(jù)當(dāng)前采集值與上一次濾波后的值按照特定權(quán)重算出濾波后的結(jié)果，進(jìn)而將數(shù)據(jù)里的高頻噪聲平滑掉。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也是關(guān)鍵的處理環(huán)節(jié)。采集到模擬量數(shù)據(jù)后，要把它轉(zhuǎn)化成實(shí)際的物理量值。比如，對(duì)于4～20 mA的電流信號(hào)采集，假定采集到的數(shù)字量為N，對(duì)應(yīng)的物理量（像壓力）的量程是Pmin-Pmax，那么能夠憑借公式把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為實(shí)際的壓力值，這里的Nmin和Nmax分別是對(duì)應(yīng)4 mA和20 mA電流信號(hào)的數(shù)字量值［3］。

2.2控制邏輯執(zhí)行

2.2.1通過邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)控制邏輯

PLC借助自身內(nèi)部的邏輯運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)電氣儀表的控制邏輯。與、或、非運(yùn)算是最為基本的邏輯運(yùn)算。在電氣照明系統(tǒng)的控制里，存在A和B2個(gè)開關(guān)，規(guī)定唯有這2個(gè)開關(guān)都閉合（即A與B）時(shí)燈才會(huì)亮，這就能夠憑借PLC與邏輯運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。PLC的輸入點(diǎn)分別與開關(guān)A和B的狀態(tài)信號(hào)相連接，在程序中運(yùn)用與邏輯指令針對(duì)這2個(gè)輸入信號(hào)開展運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為真時(shí)，輸出點(diǎn)對(duì)燈的繼電器進(jìn)行控制使其得電，燈就亮了。除了基本邏輯運(yùn)算之外，PLC還能夠進(jìn)行組合邏輯運(yùn)算。

2.2.2典型控制任務(wù)中的實(shí)現(xiàn)過程

以設(shè)備啟?？刂茷槔?，在對(duì)水泵進(jìn)行控制時(shí)，利用液位傳感器對(duì)水箱中的水位予以監(jiān)測(cè)。液位傳感器輸出的信號(hào)連接到PLC的輸入點(diǎn)，當(dāng)水位處于下限值以下時(shí)，PLC接收到相應(yīng)的輸入信號(hào)后，經(jīng)邏輯運(yùn)算，輸出信號(hào)對(duì)水泵啟動(dòng)繼電器加以控制，從而讓水泵開始抽水。而當(dāng)水位達(dá)到上限值時(shí)，液位傳感器的信號(hào)出現(xiàn)變化，PLC再次進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出信號(hào)使水泵停止運(yùn)行。

在參數(shù)調(diào)節(jié)控制方面，以空調(diào)系統(tǒng)中的溫度調(diào)節(jié)舉例。溫度傳感器把室內(nèi)溫度信號(hào)傳輸給PLC的模擬量輸入模塊，PLC把采集到的溫度數(shù)值與設(shè)定的溫度數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。若實(shí)際溫度比設(shè)定溫度高，PLC經(jīng)由邏輯運(yùn)算輸出控制信號(hào)給空調(diào)的制冷設(shè)備，對(duì)制冷量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而讓溫度降低；若實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度，就對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行控制，增加熱量，使溫度升高。

2.2.3復(fù)雜控制邏輯中的應(yīng)用機(jī)制

在順序控制上，PLC可憑借順序功能圖（SFC）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的順序控制邏輯。例如在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，產(chǎn)品加工得依照多個(gè)工序依次開展，物料的輸送、加工、檢測(cè)等工序。SFC把整個(gè)生產(chǎn)過程拆分成多個(gè)步序，每個(gè)步序?qū)?yīng)一項(xiàng)特定操作，PLC依據(jù)步序的轉(zhuǎn)移條件按順序執(zhí)行各項(xiàng)操作。在每個(gè)步序里，PLC能夠?qū)ο嚓P(guān)電氣儀表予以控制，例如在加工步序中，控制加工設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并且利用電氣儀表監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在聯(lián)鎖控制里，PLC依照多個(gè)電氣儀表的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算確保系統(tǒng)在安全、可靠的狀態(tài)下運(yùn)行。例如在化工生產(chǎn)流程中，反應(yīng)釜的溫度、壓力等參數(shù)需要進(jìn)行聯(lián)鎖控制，保證反應(yīng)釜的安全［4］。

2.3故障診斷

2.3.1監(jiān)測(cè)故障信號(hào)的途徑

PLC監(jiān)測(cè)電氣儀表故障信號(hào)有硬件監(jiān)測(cè)與軟件判斷2種主要途徑。在硬件監(jiān)測(cè)方面，PLC的I/O模塊自身具備一定的硬件故障檢測(cè)能力。比如，模擬量輸入模塊能夠檢測(cè)輸入信號(hào)是否超出正常的范圍，要是輸入信號(hào)過高或者過低，這或許意味著傳感器有故障或者線路連接存在問題。數(shù)字量輸入模塊則可以檢測(cè)輸入信號(hào)的電平是否正常，正常情況下應(yīng)該為高電平的輸入信號(hào)，要是長(zhǎng)時(shí)間處于低電平狀態(tài)，可能就表明對(duì)應(yīng)的開關(guān)出現(xiàn)故障或者線路短路了。

2.3.2故障診斷方法

基于規(guī)則的故障診斷方法：依據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則判斷故障。以電氣設(shè)備的電流監(jiān)測(cè)為例，若規(guī)定當(dāng)電流超出額定電流的1.5倍，并且持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過10 s時(shí)判定為過載故障。則PLC對(duì)采集到的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦滿足該規(guī)則，就判定為過載故障。基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的故障診斷方法：PLC為電氣儀表的正常工作狀態(tài)建立模型，之后把采集到的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)與模型對(duì)比來診斷故障。

2.3.3故障診斷結(jié)果的反饋與處理方式

當(dāng)PLC診斷出電氣儀表存在故障后，會(huì)以多種途徑反饋故障診斷結(jié)果。常見的方式是借助聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以此提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員。同時(shí)，PLC還會(huì)記錄故障信息，這些信息可存儲(chǔ)于內(nèi)部存儲(chǔ)器，或者經(jīng)由通信接口發(fā)送至上位機(jī)。故障記錄涵蓋故障發(fā)生的時(shí)間、故障類型、相關(guān)電氣儀表的參數(shù)等內(nèi)容，方便維護(hù)人員進(jìn)行故障排查與分析。

3結(jié)語

PLC技術(shù)在電氣儀表自動(dòng)化控制方面應(yīng)用廣泛且極具意義。它依靠諸多優(yōu)勢(shì)與功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制邏輯執(zhí)行和故障診斷等多方面工作。持續(xù)提升PLC技術(shù)的性能，從而進(jìn)一步推動(dòng)電氣儀表自動(dòng)化控制水平邁向新高度。

參考文獻(xiàn)：

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［3］季鵬飛.PLC技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化控制中的應(yīng)用分析［J］.中國(guó)信息化，2024（4）：62-63，61.

［4］吳濤.淺談PLC技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化控制中的應(yīng)用［J］.時(shí)代汽車，2024（7）：13-15.

作者簡(jiǎn)介：馬奇友，男，四川瀘縣人，工程師，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)化電氣儀表及供應(yīng)鏈管理。