基于PLC的電氣自動控制系統設計

摘要：隨著電氣行業的飛速發展，自動化控制技術因具有廣泛的應用前景而受到大量學者的關注，并在諸多工程項目中得以實現。但隨著日益復雜的工業要求，傳統電氣自動控制系統在設計層面臨著諸多挑戰，因此對其進行相關研究具有重要的意義。于是本文針對系統結構、運行維護、信息交換、抗風險能力等方面，著重分析了幾種監控設計，并構思了一種基于PLC的電氣自動控制系統。通過仿真對比與分析可知：相較于傳統電氣自動控制系統，PLC控制系統的控制可靠性較高。

關鍵詞：控制可靠性;自動控制系統;PLC

中圖分類號：TP273? 文獻標識碼：A? ??文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

隨著電氣自動化技術的日益成熟，其已逐步滲透入各行各業，并以機械化、可編程、誤差小等優勢大大提高了工作效率，促進了相關行業的發展。自20世紀70年代起，相關學者借助著計算機的獨特優勢研究電氣工程技術，使其朝著自動化、智能化的方向發展。如今電氣自動控制技術日益完善，改變了相關人員的工作方式，減少資源消耗并提高了工作效率^[1]。但隨著工業產品及生產設備日新月異，諸多傳統電氣設備在設計方面存在著不足，我國自動化控制水平一定程度上低于歐美國家^[2]，不僅難以滿足當今產品的質量需求，更影響了電氣設備的正常使用。于是本文根據實際生產情況中對不同運行參數要求存在差異，而選擇不同的監控方式并分析其各自存在的優缺點;另外對系統硬件、輸入/輸出電路進行設計，提出一種妥善的電氣自動化設計，并與傳統存在的自動控制系統進行對比分析。

1 電氣自動控制系統的設計原則

1.1 電氣自動控制系統的功能與設計指標

電氣自動控制系統是以計算機為核心、信息技術為輔助的新型電氣系統。其核心功能有：故障管理、自動分析及繪圖等，并利用不同的數據采集方式實現自動化配電補充。其主要應用有變電站自動化系統^[3]，利用自動化控制系統準確分析配電網中存在的故障，將問題線路段自動隔離，確保整體配電網的運行安全。另外自動化控制系統還可以檢測變電站內的基礎運行數據，通過數據比對確定變電站目前的運行狀態，保證各種電氣設備穩定運行。

電氣自動化系統的設計要結合產品的需求及各項指標進行綜合考察，比如產品的成本、外觀、實用性等。首先利潤是工業生產的主要目標之一，因此控制產品造價是電力自動化系統設計的主要原則;其次產品外觀的形狀、體積、大小等因素決定著電氣設備的應用限制條件，因此在設計自動化控制系統時要確保整體設備外觀簡潔、規整;最后產品的實用性決定了電氣設備是否有必要進行大規模推廣，因此電氣工程產品要能完成相應的功能。

1.2 自動控制系統的監測目標

電氣自動控制系統在設計時要以實現遠程監測、集中監測以及總線監測為目標，因此其設計主要體現在以下幾點^[4]：

在集中監測時，系統的控制與處理均可依托電氣自動化控制系統得以實現，這種方式不僅提升了系統的維護效率，也確保系統的運行安全。

在進行遠程監測時，可利用電氣自動化控制技術實時監測系統運行狀態，并收集相關數據，以協助運維部門進行修正系統。

在監測總線時，電氣自動化控制技術可發揮集中控制能力，高效監測系統中的各個子系統。

1.3 電氣自動控制系統的監控設計

在設計電氣自動化控制系統時，要明確設計重點。不同設計方向的具體設計要求存在差異。

（1）集中監控設計：集中監控系統的整體結構較為簡單，運行及維護較為方便，但其CPU數量限制了整體系統的性能，使得其信息交換速度及處理效率較低。另外隨著電氣設備的技術復雜度越來越高，監控系統要監測的單元數量顯著增加，因此事故發生率也相應上升。為避免此類事故的出現，在設計過程重要盡量縮短線纜的長度，以保證系統可靠性;另外斷路器連鎖要采用硬接線，以提升系統響應速度。

（2）遠程監控設計：遠程監控設計對現場總線的帶寬有一定要求，其將導致更高的線路成本，從而影響企業利潤。因此在設計過程中要依據實際需求合理選擇傳輸線材，以提升經濟效益。另外遠程監控方對傳輸配置要求較低，難以滿足大型設備系統的數據傳輸要求，因此遠程監控設計不適用于數量規模較大的設備群控制。

（3）現場總線監控設計：此類方式對于系統性能要較高，在實際運行時會出現間隔，通過系統總線監控方式可以在不同間隔內發揮不同作用，因此設計此類監控方式時要明確實際間隔方式，以確保設計方案符合實際的監控需求。這種設計方式的優點在于資源利用效率較高，系統各結構之間排列緊湊，線纜使用量大為減少，有助于節約成本。由于系統中各個子系統之間保持獨立，因此系統穩定性高、安全性好，抗風險能力強。

2 一種基于PLC的電氣自動化控制系統設計

2.1 硬件設計

在硬件設計過程中要優先設計電氣設備的物理層，確定變壓器的各項基本指標，比如狀態、電壓等。在物理層設計過程中要設置數據傳感器，以獲取必要控制信息數據，判斷系統狀態;另外物理層還需配備信號處理器及控制終端等硬件設備。

2.2 輸入電路設計

在電路設計過程中，要確定PLC的供電條件要求，包括抗干擾、安全容量等，在明確條件后，輸入電路的設計要參考實際需求進行調整。大型PLC硬件系統通常使用交流電，且子系統數量多、結構較為復雜、各種線纜分布雜亂又長短不一，因此系統在使用過程中要設置相應的保護裝置，以避免意外情況;小型PLC硬件系統使用直流電供電，其系統結構簡單、線纜使用量低、長度較短，因此在使用時控制較為簡便，無需額外防護。另外設計要求PLC硬件具備一定的抗干擾能力，因此常采用在硬件周圍設置等體積隔離變壓設備的方式屏蔽外部電路干擾。

2.3 輸出電路設計

優秀的輸出電路設計對于實現自動化控制及維護系統穩定運行具有重要作用。在輸出電路中，傳感器將收集到的完整數據發送至信號處理器中，處理器利用信號轉換功能將信號轉換為數據遞送至自動化控制終端，并顯示在后臺。設計過程中，PLC自動控制系統要與傳感器映像寄存器以及元件數據寄存器保持連接，以便于自動調取其中數據并將其傳輸至信號處理器中。此時設備要保持動態監控，因此要進行數據刷新設置。

3 仿真分析

為確定設計思路是否正確，下面將結合實例對系統運行效果進行對比性分析。

3.1 數據準備

在仿真實驗開始前要預先開展數據準備工作。首先選取不同工作條件下的自動化設備，通過仔細勘察收集其中重要的真實數據;以某地單位的傳統電氣控制系統為例，收集該系統工作過程中的數據記錄;數據收集完畢后，分別將兩組數據輸入到仿真模擬系統中，得到PLC自動化控制系統以及傳統電氣控制系統。

3.2 實驗對比

在仿真模擬程序中，同時運行PLC自動化控制系統以及傳統電氣控制系統，且以2小時為運行周期不斷切換自動化系統工作條件，另外除了要對相同場景中兩個控制系統的運行數據進行收集整理外，還需收集條件切換后兩控制系統的運行數據，以便于進行數據對比（如圖1）。

3.3 結論

依據曲線圖可知，基于PLC的電氣自動化控制系統曲線波動頻率較平緩，且整體系統的運行可靠度長時間維持在較高水平，而傳統電氣控制系統在運行初期階段即出現可靠性降低的問題，雖然在后續時間節點中性能略有回升，但持續時間較短。由此可知：相較于傳統電氣控制系統，PLC自動化控制系統有較大優勢。因此PLC自動化控制系統具有較大的應用前景。

4 結語

綜上所述，電氣自動化技術在國內的應用前景十分廣闊，使得各行業依托電氣自動化技術實現技術轉型具有更高的可行性。采用合理的方式設計電氣自動化控制系統可顯著提升系統的整體性能，對于提升人們生活質量及提高企業生產效率具有重要意義。隨著國內相關技術的發展，電氣自動化技術逐漸趨于完善，被廣泛的應用于各個基礎建設領域，為國家的經濟發展及社會建設起到重要的推動作用。因此在信息化技術高度發達的今天，改善電氣自動化控制系統的設計，研究新型電氣自動化技術，對于促進社會的智能化發展具有積極的現實意義。

參考文獻

[1] 李永男，高任，金松林.人工智能技術在電氣自動化中的應用[J].集成電路應用，2019，36（11）：74-75.

[2] 劉禹.電氣自動化工程控制系統的現狀及其發展趨勢探究[J].輕紡工業與技術，2020，49（1）：106-107.

[3] 田曉娟，李景瑞，杜靜，等.論電氣自動化控制技術在電力系統中的應用[J].信息記錄材料，2019，20（10）：107-108.

[4] 王馨.計算機技術應用下的電氣自動化控制系統設計淺談[J].科技風，2019（34）：96.

收稿日期：2020-03-24

作者簡介：錢世超（1993—），男，江蘇鹽城人，碩士，研究方向：電力系統故障診斷。

Design of electric Automatic Control System Based on PLC

QIAN Shi-chao

（Anhui University of Science and Technology，Huainan ?Anhui? 232001）

Abstract： With the rapid development of the electrical industry， the automation control technology has attracted the attention of a large number of scholars due to its wide application prospects， and which has been implemented in many engineering projects. But with the increasingly complex industrial requirements， it is of great significance to carry out related research for the fact that traditional electrical automatic control systems are facing many challenges at the design level. So this paper focuses on the analysis of several monitoring designs and conceives a PLC-based electrical automatic control system for system structure， operation and maintenance， information exchange and anti-risk capability. It is known that the control reliability of the PLC control system is higher than the traditional Through simulation comparison and analysis.

Key words： Control reliability; Automatic Control System; PLC