文/黃智英 柴春花

PLC在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

文/黃智英 柴春花

信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)等新興技術(shù)為現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展注入了新的活力，提高了工業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位，使工業(yè)成為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要推動(dòng)力。在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)由于多使用電氣線路的實(shí)際接線方式，導(dǎo)致其存在變更困難、耗時(shí)耗力的問題。PLC針對這一問題，只在輸入端與輸出端使用較小的接線量，且具有高可靠性、高抗擾能力、維護(hù)變更方便等優(yōu)勢，在電氣自動(dòng)化領(lǐng)域極具發(fā)展前景。本文對PLC在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方向與應(yīng)用前景進(jìn)行了探索與分析，對提高工業(yè)電氣自動(dòng)化水平具有一定參考意義。

PLC 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng) 順序控制

1 引言

工業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，是推動(dòng)中國經(jīng)濟(jì)高速增長的重要力量，自改革開放以來，工業(yè)在中國國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與信息化程度的提高，信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)等新型技術(shù)都得到了長足的發(fā)展，在提高我國工業(yè)自動(dòng)化水平方面具有重要積極意義。工業(yè)電氣自動(dòng)化是工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志與核心技術(shù)，在現(xiàn)代工業(yè)體系中發(fā)揮著非常重要的作用，在世界工業(yè)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。工業(yè)電氣自動(dòng)化可以改善勞動(dòng)者的勞動(dòng)環(huán)境條件，提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，進(jìn)而提高工業(yè)生產(chǎn)的效率與工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，因此，積極探討與深入研究國家工業(yè)電氣自動(dòng)化的新技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)具有十分深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)之間多用電氣線路進(jìn)行實(shí)際連接,這種實(shí)際接線的連接方式使得儀器設(shè)備的維護(hù)工作變得復(fù)雜繁瑣，一旦系統(tǒng)控制內(nèi)容有所變化，需要大量變動(dòng)電氣線路，極耗人力與物力?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)存在變更困難的問題，在提高工業(yè)自動(dòng)化水平的同時(shí)，為電氣自動(dòng)化控制的應(yīng)用與維修變更帶來了更多的便利，因而在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛使用。本文以PLC為研究對象，探討PLC在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對我國工業(yè)電氣自動(dòng)化的發(fā)展具有重要促進(jìn)意義。

2 PLC及其特性

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，其采用一類可編程的存儲(chǔ)器用于內(nèi)部存儲(chǔ)程序與控制邏輯，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 的工作原理是，在系統(tǒng)程序的管理下，通過運(yùn)行應(yīng)用程序，對控制要求進(jìn)行處理判斷，并通過執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。PLC的基本結(jié)構(gòu)組件包括電源、CPU、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器、接口電路、功能模塊以及通信模塊，電源為PLC系統(tǒng)的運(yùn)行提供穩(wěn)定的交流電壓；CPU是PLC系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)的處理與數(shù)據(jù)的傳輸發(fā)送；系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件；用戶程序存儲(chǔ)器用于存放編寫好的應(yīng)用軟件，是所有操作命令的集合；接口電路用于系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)與信號(hào)；功能模塊包括定位功能、計(jì)數(shù)功能等模塊；通信模塊用于在PLC系統(tǒng)的輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段的聯(lián)網(wǎng)通訊。PLC的工作流程為，首先根據(jù)本掃描周期輸入采樣階段所處的狀態(tài)輸入映像區(qū)中的數(shù)據(jù)，在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，輸入映像區(qū)中的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)橛行碌妮斎胄盘?hào)而發(fā)生改變；接著將程序輸出指令的執(zhí)行結(jié)果輸出為映像區(qū)中的數(shù)據(jù)，在輸入采樣階段和輸出刷新階段，輸出映像區(qū)的數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生改變；最后，將輸出狀態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)作為控制信號(hào)，經(jīng)由與外部負(fù)載連接的輸出端向各輸出點(diǎn)傳達(dá)，以控制工業(yè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

PLC在在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，具體優(yōu)勢與特性如下：

2.1 高可靠性與高抗干擾能力

工業(yè)電氣設(shè)備的可靠性是影響設(shè)備質(zhì)量的重要因素，也是工業(yè)領(lǐng)域密切關(guān)注的關(guān)鍵性能?，F(xiàn)今多通過用大規(guī)模的集成電路制造并形成PLC的內(nèi)部電路，在設(shè)計(jì)與制造的過程中也有詳細(xì)完善的生產(chǎn)工藝作為生產(chǎn)指導(dǎo)，因此，制造出的PLC具有高可靠性與極強(qiáng)的抗干擾能力，能夠保障PLC連續(xù)工作20000小時(shí)以上而不發(fā)生故障，具有其他電氣設(shè)備所不能相比的。

2.2 編程語言簡單易用

PLC采用的編程語言種類豐富，如梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結(jié)構(gòu)化語句描述語言等，這些語言簡單易學(xué)，極易理解與掌握，相關(guān)工程技術(shù)人員可以在較短的時(shí)間內(nèi)精通PLC的編程語言，并將其編寫成指令，實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中。

2.3 多樣化、高適用性

目前PLC種類多樣、功能多樣，但是PLC的工作原理與組成結(jié)構(gòu)基本類似，因此其多樣的產(chǎn)品系列已經(jīng)完善而齊全，用戶可以根據(jù)的自己的需要與自動(dòng)化控制的規(guī)模大小，靈活地組合PLC的模塊，實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)的可定制、可配置，使其在工業(yè)電氣自動(dòng)化中具有較強(qiáng)的適用性。此外，PLC具有較強(qiáng)大的計(jì)算能力，在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中，PLC可以利用其強(qiáng)大的邏輯處理功能模塊實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速正確處理，滿足自動(dòng)化控制中大數(shù)據(jù)量的計(jì)算需求。

2.4 維護(hù)工作簡單方便

由PLC的工作流程可知，PLC只在輸入端與輸出端有實(shí)際的電氣線路，系統(tǒng)內(nèi)的其他線路則是通過軟件進(jìn)行連接，減少了系統(tǒng)需要的接線量。此外，PLC具有很強(qiáng)的自我診斷能力，PLC能夠在自身發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)將其所診斷出的故障信息傳遞給相關(guān)工程技術(shù)人員，幫助技術(shù)人員快速判斷與識(shí)別故障信息，盡快找到故障發(fā)生的原因與故障發(fā)生位置，提高故障的檢修率與時(shí)耗。

3 PLC在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用方向與應(yīng)用場景

在工業(yè)電氣的自動(dòng)控制領(lǐng)域，PLC具有極為廣泛的應(yīng)用前景，本文從順序控制與開關(guān)量控制兩個(gè)應(yīng)用方向分別進(jìn)行闡述。

3.1 PLC在順序控制中的應(yīng)用

順序控制是工業(yè)生產(chǎn)過程、工程機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域中的一種典型控制方式，順序控制是指按照工業(yè)生產(chǎn)的預(yù)先設(shè)置好的工藝順序，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)依次有序地執(zhí)行相應(yīng)的操作，執(zhí)行操作的先后順序應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝的順序，以保證整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。順序控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用甚廣，例如包裝生產(chǎn)線、搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)、火力發(fā)電廠除灰系統(tǒng)的運(yùn)作等。以火力發(fā)電廠的除灰系統(tǒng)為例，除灰系統(tǒng)以壓縮空氣為除灰的動(dòng)力源，通過密封管道除去粉煤灰并以壓縮空氣為載體將粉煤灰傳輸運(yùn)送到灰?guī)熘校?jīng)由灰?guī)煜蛲鉄o污染排灰，保證鍋爐系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。除灰系統(tǒng)的運(yùn)行流程是串行的，首先將化石燃料燃燒后產(chǎn)生粉煤灰從鍋爐中清除并排入到倉泵中，然后不斷向倉泵中輸送壓縮后的空氣，通過空氣的流動(dòng)帶動(dòng)倉泵內(nèi)的粉煤灰的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)粉煤灰的加壓流化，接著將流態(tài)粉煤灰與流動(dòng)氣體經(jīng)出灰閥排出到灰?guī)熘?，最后通過持續(xù)的進(jìn)氣，不斷吹掃倉泵與輸灰管道中殘存的粉煤灰，實(shí)現(xiàn)電廠的除灰過程。因此，通常都是使用PLC來控制如除灰系統(tǒng)這類順序控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的運(yùn)行管理人員通過在控制室內(nèi)對電腦進(jìn)行操作，遠(yuǎn)程控制氣力除灰系統(tǒng)的進(jìn)灰閥、進(jìn)氣閥、出灰閥等，實(shí)現(xiàn)對除灰系統(tǒng)進(jìn)灰、加壓流化、送灰、吹掃這一串行流程的遠(yuǎn)程運(yùn)行控制，減少除灰系統(tǒng)的人工操作，提高除灰系統(tǒng)的自動(dòng)化程度與正確運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)率。監(jiān)控人員通過操作監(jiān)控室中的電腦，對除灰系統(tǒng)所在現(xiàn)場的傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場傳感器發(fā)送回的現(xiàn)場視頻等信息，實(shí)現(xiàn)對除灰系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低電廠人員值班的成本支出。

3.2 PLC在開關(guān)量控制中的應(yīng)用

“開”和“關(guān)”是通電設(shè)備的最基本、最典型功能與狀態(tài)，開關(guān)量用于反映開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，用0和1來表示，要不就是開的狀態(tài)，要不就是關(guān)的狀態(tài)，通常來說，只有開和關(guān)兩種狀態(tài)的物理量都可以稱之為開關(guān)量，如繼電器的接通或斷開等。開關(guān)量可以分輸入開關(guān)量和輸出開關(guān)量，輸入開關(guān)量一般都是指獲得某個(gè)設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)的反饋，開關(guān)量控制指的是對于某些設(shè)備的開關(guān)進(jìn)行指令控制，通常開關(guān)量控制是通過內(nèi)部繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的輸出。開關(guān)量控制系統(tǒng)是熱工自動(dòng)化應(yīng)用當(dāng)中使用的一種程序控制系統(tǒng)，PLC通過用虛擬的繼電器取代實(shí)體機(jī)械繼電器，在電路斷路器的控制應(yīng)用中，由于虛擬繼電器的反應(yīng)時(shí)間極短，幾乎可以忽略不計(jì)，虛擬繼電器可以在極短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)控制電路的斷路與開關(guān)，解決了機(jī)械繼電器反應(yīng)時(shí)間較長，不同電路的斷路存在時(shí)間差的問題。尤其隨著機(jī)組的容量越來越大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，參數(shù)越來越高，例如一臺(tái)500MW發(fā)電機(jī)組的主機(jī)控制設(shè)備約1600個(gè)，從啟動(dòng)到并網(wǎng)開關(guān)量操作有400～600個(gè)，在對這些設(shè)備進(jìn)行同時(shí)操作時(shí)必然存在指令與執(zhí)行延誤的問題，會(huì)對設(shè)備與器材造成一定的損耗，而采用PLC進(jìn)行開關(guān)量控制，則可以實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備與機(jī)械器材的同時(shí)、方便、可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對大量設(shè)備開關(guān)量的統(tǒng)一控制。

4 結(jié)論

PLC是在系統(tǒng)程序的管理下，通過運(yùn)行應(yīng)用程序，對控制要求進(jìn)行處理判斷，并通過執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。由于其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、變更維護(hù)方便等特性與優(yōu)勢，PLC在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域具有較廣的發(fā)展前景。本文以PLC為研究對象，分析PLC在電氣自動(dòng)化的順序控制與開關(guān)量控制中的應(yīng)用場景，對提高PLC在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與普及具有重要的積極意義。

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作者單位巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電氣工程學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市 841000

黃智英（1973-），女，四川省渠縣人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電氣工程學(xué)院講師。研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。柴春花（1979-），女，甘肅省武威市人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電氣工程學(xué)院講師。研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化