談談常用電氣控制技術(shù)

劉克明

摘 ? ?要： 隨著人們對生產(chǎn)過程自動化水平的要求越來越高，傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)已不能滿足人們的要求，可編程序控制器的產(chǎn)生與廣泛應用使得電氣控制技術(shù)有了很大的發(fā)展，并有逐步取代繼電器接觸器控制系統(tǒng)的趨勢。

關(guān)鍵詞： 可編程序控制器 ? ?自動控制 ? ?可靠性 ? ?工作精度

1.傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制系統(tǒng)

現(xiàn)代化生產(chǎn)和工程施工控制的主要方式有機械控制、電氣控制、液壓控制、氣動控制或上述幾種控制的配合使用。在電氣控制技術(shù)方面，最初主要是繼電器接觸器控制。電氣控制具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等許多優(yōu)點，使得電氣控制技術(shù)曾經(jīng)成為設備控制的首選方式。隨著人們對生產(chǎn)過程自動化水平的要求越來越高，發(fā)現(xiàn)一些繼電器接觸器控制電路的不足，這種控制系統(tǒng)有以下缺點。

（1）電路連接復雜、體積龐大、耗電量大，耗費大量的自然資源，如銅鋁制成的電線等。

（2）難滿足柔性制造的要求，對生產(chǎn)工藝適應性差。如生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)必須相應地改變連接電路和增減相關(guān)的電器元件，并重新調(diào)試，此過程浪費大量的時間、人力和財力。

（3）靈活性和可擴展性較差。電器元件的物理接觸數(shù)量有限，如一般的繼電器最多只有4對觸點，一旦控制邏輯關(guān)系稍微復雜一點，觸點數(shù)量就不夠用了，必須增加過渡用的中間繼電器。

（4）可靠性差，維修維護困難。在繼電器控制電路中使用了大量的機械觸點，機械觸點壽命有限，易被電弧損壞，從而造成系統(tǒng)誤動作。觸點間用大量的電線連接，難以查找、排除故障。

（5）控制系統(tǒng)響應速度、工作頻率不高。繼電器和接觸器的觸點導通、斷開的機械滯后時間一般是幾十至上百毫秒，不適合響應要求，動作頻率高的場合。

（6）控制系統(tǒng)工作精度不高。有些電器如時間繼電器等，會受環(huán)境因素的影響，精度不高。

因此，人們對控制系統(tǒng)提出了易設計調(diào)試、易擴展、更通用、更可靠、更經(jīng)濟的要求。

2.可編程序控制器的特點

1969年，美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出世界上第一臺可編程序控制器——PLC（PLD—14型），并成功地應用在通用汽車公司的生產(chǎn)線上。PLC作為一種電子式控制器，既具有繼電器、接觸器控制系統(tǒng)方便易用的特點，又有計算機類設備的軟件編程、計算能力強等特點，開創(chuàng)了工業(yè)控制新紀元。從此，可編程序控制器這一新的控制技術(shù)迅速發(fā)展起來。可編程序控制器的特點如下。

（1）可靠性高，抗干擾能力強。

在設計和制造PLC時，就已經(jīng)著重強化了其抗干擾能力和耐環(huán)境性。在PLC內(nèi)部，硬件方面采取了屏蔽電磁干擾、I/O光電隔離、濾波、電壓調(diào)整、自診斷電路等措施，嚴格篩選元器件并采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和先進的生產(chǎn)制造工藝;在PLC的外部控制電路方面，PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)和繼電器、接觸器控制系統(tǒng)相比，連接電線和接點能減少90%以上，故障率因此大大降低。

（2）編程簡單，易學易用。

設計PLC時，就已經(jīng)考慮到它的使用人員主要是電氣工程技術(shù)人員，因此PLC一般都支持梯形圖編程語言。梯形圖編程語言的圖形符號與表達方式和繼電器控制器控制電路非常相似，表達電路原理清晰直觀，非常方便操作人員學習和編程使用。

（3）減少設計、施工的工作量，易于維修維護。

PLC用軟件邏輯取代繼電器的硬接線邏輯，能大量減少控制電路的外部連線;PLC的自診斷報警、故障信息提示等功能能幫助操作人員維護維修控制系統(tǒng);當控制工藝變化時，不改變控制電路硬件，只需修改用戶程序就能適應工藝變化，有利于實現(xiàn)柔性制造。

（4）體積小、重量輕、功耗低。

PLC與繼電器控制電路相比，體積減小95%以上，功耗減少70%以上。由于體積小、功耗低、抗干擾能力強，易于安裝在機械設備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。

（5）產(chǎn)品線全，功能完善，通用性強。

PLC發(fā)展至今，各種規(guī)模、結(jié)構(gòu)、品牌的產(chǎn)品線都非常齊全。除了邏輯處理功能以外，PLC還具有數(shù)字運算、定時、計數(shù)、通信等功能，還能提供位置控制、溫度控制、模擬量、高速計數(shù)、通信聯(lián)網(wǎng)等各種模塊讓用戶選用，滿足控制系統(tǒng)的各種要求。

3.可編程序控制器與傳統(tǒng)繼電接觸器控制的區(qū)別

PLC與繼電接觸器控制系統(tǒng)的主要區(qū)別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制按“并行”方式工作，也就是說，同時執(zhí)行的方式工作，只要形成電流通路，就可能有幾個繼電器同時動作。而PLC是以反復掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任意時刻只能執(zhí)行一條指令，也就是說，PLC是以“串行”方式工作的。這種串行工作方式可以避免繼電接觸器控制的觸點競爭和時序失配問題。

4.PLC的應用領域和發(fā)展前景

PLC的應用領域很廣，主要有以下方面的應用。

（1）順序控制——PLC的順序控制取代了傳統(tǒng)的繼電器﹑接觸器順序控制系統(tǒng)，是PLC最早、最廣泛的應用。

（2）閉環(huán)過程控制——PLC通過模擬量輸入模塊，把溫度、速度、壓力、位置等連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在PLC內(nèi)進行控制運算，并用模擬量輸出模塊把數(shù)字量運算結(jié)果以電壓、電流形式輸出去控制外部設備，這一運算、控制過程就是模擬量的閉環(huán)控制。實際應用時，配合PLD（比例﹑積分、微分）算法，能實現(xiàn)對控制過程中某些物理量的穩(wěn)定、精確的閉環(huán)控制。

（3）數(shù)據(jù)處理——現(xiàn)代PLC具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和處理等功能。它不僅能實現(xiàn)四則運算、函數(shù)運算、字邏輯運算、浮點數(shù)運算等數(shù)字運算功能，還有數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)顯示、查表排序等功能。

（4）通信和網(wǎng)絡——目前大多數(shù)PLC都有通信聯(lián)網(wǎng)功能。PLC能以通信方式和其他智能控制設備（如變頻器﹑運動控制器、智能儀表等）配合使用，可以節(jié)約成本，提高控制水平。PLC還能組成網(wǎng)絡﹑控制遠程I/O、執(zhí)行和上位計算機的數(shù)據(jù)通信任務，實現(xiàn)“集中管理、分散控制”的多級分布控制方式，提高工廠自動化水平。

目前可編程序控制器已廣泛應用于冶金、石油化工、食品加工、汽車制造、機床、紡織、環(huán)保等行業(yè)。長遠來看，PLC會有更好的應用和發(fā)展前景。

從控制點數(shù)規(guī)模、產(chǎn)品系列、性能價格比方面看，其會同時向超小型微型和巨型兩個方向發(fā)展;特殊功能模塊、產(chǎn)品規(guī)格系列會更多、更全，周邊相關(guān)產(chǎn)品線也會越來越豐富;性價比越來越高，能更恰當而不浪費地滿足控制系統(tǒng)的要求。

從技術(shù)發(fā)展、通信聯(lián)網(wǎng)功能發(fā)展方向看，新集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)等都會推動可編程序控制器在設計和制造工藝上的不斷進步，各生產(chǎn)廠家會持續(xù)開發(fā)出運行更快、容量更大、功能更強、更智能化的PLC;PLC網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)也已成為可編程序控制器重要的技術(shù)發(fā)展方向，隨計算機通信技術(shù)的發(fā)展，PLC作為自動控制系統(tǒng)的核心組成部分，將在生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理等方面發(fā)揮越來越大的作用。

隨著微處理器構(gòu)成的微機化，PLC在概念、設計、性能價格比及應用方面都有新的突破。它不僅控制性能增強，功耗、體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更靈活方便，而且遠程I/O和通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理圖像顯示的發(fā)展，已經(jīng)使PLC用于連續(xù)生產(chǎn)過程，成為實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的一大支柱。可見，PLC在自動控制應用中的發(fā)展前景是廣闊的，不可估量。

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