探析基于PLC實現的自動化電氣控制應用

孟硃嶺

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381）

在電氣自動化行業，PLC技術的出現使得接觸器及繼電器逐漸被取代，PLC技術具備可操作性強、維護更新簡單以及抗干擾能力強等優勢，可以用于惡劣的生產環境中，有助于生產操作人員的安全保障。在自動化電氣控制中，PLC技術可以應用于開光量控制、數控系統控制、順序控制以及閉環控制中，具備較強的適用性。技術人員需要根據實際的生產需求，在自動化電氣控制系統中引進PLC技術，提升控制效果，保障生產的有序進行。

1 PLC技術分析

PLC主要是指可編程控制器，具有良好的控制效果。在自動化電氣控制中，PLC控制系統是一種全新的全分布控制系統，在應用、維護及拓展方面具有顯著的優勢。具體而言，PLC在自動化電氣控制中的應用有如下優勢：

第一，可操作性強。在自動化電氣控制中，PLC系統的接口較為簡單，和繼電器電路圖較為相似，技術人員很容易掌握PLC系統的應用流程，更容易在自動化電氣控制中落實，只需要了解開關邏輯控制方面的知識，就能夠準確操作PLC自動化電氣控制系統，具備較強的可操作性，應用方式較為簡單。基于可操作性強的特征，PLC自動化電氣控制系統可以在電氣控制中有廣泛的應用，而且其應用范圍能夠不斷拓展，技術人員只需要明確電動機的負載，就可以調整PLC的編寫方式，將其應用于電動機的控制中。在這一過程中，電動機負載的計算公式如下：

第二，維護更新簡單。在自動化電氣控制中，PLC還有顯著的維護更新簡單的優勢。在傳統的控制系統中，需要應用到大量的設備外在接線，控制系統的設計與實現的難度較大，系統的建設時間和成本都比較高。而基于PLC實現的自動化電氣控制系統，可以有效簡化自動化電氣控制系統的設計流程，縮短系統的建造時間，系統設備的后續維護更為簡單。在實際的生產過程中，如果需要對自動化電氣控制系統進行改進，技術人員只需要進行PLC的重新編程即可，具備維護更新簡單的優勢。

第三，抗干擾能力強。在基于PLC實現的自動化電氣控制系統中，需要應用一定的集成電路，這些集成電路具有較強的抗干擾能力，可以在惡劣的環境下運行。與此同時，基于PLC實現的自動化電氣控制系統具備自我檢測報警功能，一旦自動化電氣控制系統出現運行異常，系統程序可以立即報警，從而保障自動化電氣控制系統的穩定運行。

2 PLC技術在自動化電氣控制中的應用

2.1 應用流程

在自動化電氣控制中，PLC的應用涉及到計算機技術、通信技術等多種技術，工作流程相對復雜，主要涉及到以下3個方面。

（1）現場信息的采集與輸入。在PLC自動化電氣控制系統的應用中，技術人員需要根據軟件程序的要求，根據事先編寫完成的指令，對控制現場的信息進行全面的掃描，從而保障輸入模塊數據信息的有效采集與收入。

（2）特定功能指令的輸入。為了確保PLC自動化電氣控制系統所有功能的有效應用，控制系統會按照技術人員設定的程序進行生產現場的全面掃描，從而準確掌握生產現場的實際狀況和電氣設備的運行狀況，并對相關的數據信息進行計算與分析，明確具體的控制策略。

（3）控制系統信號的輸出。PLC自動化電氣控制系統在接收到傳感器采集的信號，并對其數據信息進行計算與分析后，需要將最終的分析結果傳輸到自動化電氣控制系統的主機中，主機會根據分析結果，向輸出部位發送響應的控制信號，實現自動化控制。在上述控制流程完成后，PLC自動化電氣控制系統會循環上述步驟，從而進行下一個輸入點的控制。在PLC自動化電氣控制系統的應用中，控制系統通過多次的重復計算與分析，進行電氣設備的控制，以此提升電氣設備的控制效率。

2.2 應用內容

（1）開關量控制。通過上述分析可知，在自動化電氣控制中，PLC技術具備維護更新簡單、抗干擾能力強等優勢，可以有效提升控制效率，縮短系統的響應時間。和傳統的繼電器有所不同，PLC具備自動開關控制。在自動開關控制功能的應用背景下，技術人員能夠利用模式方式，實現自動化電氣控制系統繼電器的虛擬化，可以有效提升繼電器控制的響應效率，實現高效的電氣控制。與此同時，開關量控制具備較強的可靠性及穩定性，不會對電氣設備產生危害。

（2）數控系統控制。在科學技術良好發展的背景下，工業化規模不斷擴大，工業生產引進了大量的信息技術，用于提升工業生產水平及工業生產效率。數控技術就是應用較為廣泛的技術，為了保障數控技術的有效應用，技術人員需要在數控系統中應用PLC技術，提升數控系統的控制效果，保障其高效生產。在實際的數控系統生產過程中，PLC技術的應用可以使數控系統的生產更具靈活性與柔性。就目前的PLC自動化電氣控制系統而言，常用的數控裝置有全功能型和單板機式這兩種。其中，全功能型數控裝置具有更為全面的控制功能，控制效果較為顯著，但是裝置的應用成本較高，適用性不強；單板機式數控裝置具備較強的抗干擾能力，可以妥善解決接口驅動線路中存在的問題，在數控系統中的應用更為廣泛。

（3）順序控制。在實際的自動化電氣控制中，PLC應用作為廣泛的內容順序控制。從本質角度而言，順序控制主要是指對企業生產全過程的遠程控制以及協調控制，不僅可以保障企業生產的有序性，還能夠降低電氣設備的能源損耗，有助于企業經濟效益及社會效益的提升。與此同時，在順序控制中，PLC的應用可以有效避免順序控制出現錯亂，有助于順序控制質量及有效性的提升，有效縮短了控制系統的響應時間。比如在采礦行業，輸煤控制系統就將PLC應用于順序控制中，該控制系統主要由主站層、遠程層以及現場傳感器組成，這三部分的協調配合，可以實現輸煤系統的遠程控制，從而降低煤炭企業的人力資源投入，提升煤炭生產的安全性。

（4）閉環控制。在PLC自動化電氣控制系統的應用中，可以應用多種控制方法，如手動現場控制、自動現場控制以及手動控制機旁屏等方法。在此基礎上，PLC自動化電氣控制系統可以有效控制閉環中的轉速，通過對閉環轉速的準確測量，進行調節器等生產設備的控制。以手動控制機旁屏這一控制手法為例，技術人員可以在動力泵啟動時，通過合理設置生產現場開關，實現動力泵的調節，根據動力泵的具體工作時長，選擇切換主用泵或者備用泵，保障生產有序進行。

3 PLC技術在自動化電氣控制中的實踐

鑒于PLC技術的上述優勢，PLC技術在工業生產實踐中有廣泛的應用。本文以礦井通風機系統為例，分析PLC技術在自動化電氣控制中的實踐應用。在傳統的礦井通風機系統的基礎上，引進PLC技術，實現風機自動化監測與調節，并結合高性能傳感器，實現礦井通風機各項工況的遠程監控，在滿足礦井生產需求的基礎上，降低工作人員的工作強度。具體而言，基于PLC的礦井通風機自動化電氣控制系統的設計與實現流程如下。

3.1 基于PLC的礦井通風機自動化電氣控制系統設計

本文將煤炭企業常用的主扇風機自動監控系統作為研究對象，對基于PLC實現的自動化電氣控制應用進行分析。在礦山通風機中，其自動化控制需要涉及到兩個方面，分別是通風機變電站的控制以及通風機各項參數的控制。具體而言，基于PLC的自動化電氣控制系統，需要控制通風機的風速、壓力、電流、電壓、溫度等參數，還需要具備通風機風門的啟動/停止控制功能以及故障診斷功能。具體而言，基于PLC的礦井通風機自動化電氣控制系統的設計與實現要點如下。

（1）控制系統的整體架構設計。在礦井通風機自動化電氣控制系統中，PLC技術和變頻技術共同進行主扇風機的控制，具體的控制流程如下：變頻技術主要負責主扇風機的調速，PLC技術會根據主扇風機的速度進行電動機運行臺數的控制，從而實現主扇風機的閉環控制。與此同時，技術人員需要在主扇風機附近安裝相應的傳感器，用于監測主扇風機的運行狀態，傳感器采集到的主扇風機運行參數會被傳輸到PLC控制系統中，PLC會對接收到的數據進行計算與分析，從而制定相應的控制策略。具體的控制系統架構如圖1所示。

圖1 PLC控制系統架構示意圖

觀察上圖可知，礦井通風機自動化電氣控制系統包括PLC、變頻器、速度傳感器以及轉換模塊等部分。通常情況下，自動化電氣控制系統通過1臺變頻器進行多個主扇風機的控制，實現主扇風機的循環運行，并將PLC作為中心控制器，通過對主扇風機的運行速度和反饋速度的有效控制，形成自動化閉環控制系統。在這一控制系統中，采用的控制算法為PID算法，具體的模擬表達式如下：

其中，u（t）是指輸出信號；e（t）是指輸入信號；Kp是指比例系數；Td是指微分時間常數；Ti是指積分時間常數。

（2）控制系統的PLC數據信號分析。在礦井通風機自動化電氣控制系統開啟后，主扇風機附近安裝的速度傳感器會采集主扇風機當下的運行速度，并將采集到的速度信號轉變為相應的電信號，通常是4～20mA的模擬電流信號；模擬電流信號將會傳輸到PLC中，作為主扇風機的實際速度值，PLC會將實際速度值和控制系統中設定的主扇風機標準速度值進行對比，結合其他參數傳感器傳輸的數據信息，采用上述PID算法進行控制量的計算，從而輸出0～5V的電壓信號；電壓信號將會傳輸到變頻器中，變頻器按照電壓信號的數值，對電動機進行調節，控制具體的主扇風機的運行數量，以此實現礦井通風機的自動化電氣控制。

3.2 基于PLC的礦井通風機自動化電氣控制系統的實現

在上述設計流程下，技術人員可以根據礦井通風機自動化電氣控制系統的實際需求，進行硬件設施及軟件設施的配置，保障自動化電氣控制系統的有效運行。一般來說，PLC軟件設施主要包括系統程序和用戶程序兩部分，系統程序主要包括監控程序以及編譯程序等內容，會轉變程序語言，還能夠對系統的故障進行診斷。需要注意的是，系統程序是由PLC生產廠家直接安裝于EPROM中，不可以由技術人員進行人工干預。用戶程序主要是指工作人員控制PLC控制系統的應用程序。在實際的礦井通風機自動化電氣控制系統的運行過程中，PLC僅能夠識別輸入的數字信號，但是主扇風機安裝的傳感器采集信號為4～20mA的電流模擬信號，這就要求技術人員在自動化電氣控制系統中，應用D/A以及A/D轉換模塊，將模擬信號轉變為具體的數字信號。在實踐應用中，技術人員選擇STEP7的標準功能模塊FC105（SCALE）作為轉換模塊，保障控制系統數據信號的有效傳輸。

與此同時，在礦井通風機的運行過程中，自動化電氣控制系統也會出現故障。技術人員需要在自動化電氣控制系統中添加故障診斷功能。一般來說，自動化電氣控制系統最常出現的是傳感器故障，技術人員需要根據主扇風機安裝傳感器的實際狀況，設定傳感器參數的正常范圍，一旦故障診斷程序發現傳感器的參數超過正常范圍，PLC將會啟動子程序，對傳感器的各項參數進行診斷，從而分析傳感器是否出現故障。故障診斷子程序主要是將傳感器的實際運行參數和自動化電氣控制系統所允許的最大數值進行比較，如果實際運行參數接近或者超過最大數值，就表明傳感器出現故障。

在上述基于PLC的礦井通風機自動化電氣控制系統的設計實現后，將其用于煤炭企業的實際生產中，可以有效提升控制效果，不僅能夠降低操作人員的工作強度，還可以避免人為因素對礦井通風機的影響，有效避免了誤操作和亂操作的現象，值得推廣應用。

4 結語

實踐應用結果表明，基于PLC的礦井通風機自動化電氣控制系統具備高效的控制效果，可以提升生產效率與水平，具備顯著的優勢，值得推廣應用。通過本文的分析可知，PLC技術在自動化電氣控制中的應用較為廣泛，基于PLC實現的自動化電氣控制系統具備更強的控制效果，可以有效避免人為因素對生產產生的影響，有助于生產效率與生產質量的提升，能夠促進工業生產的智能化與現代化發展。希望本文的分析可以為相關的研究提供理論參考。