電氣儀表自動化控制中PLC技術(shù)的運用

張廣嶺

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動化分公司，山東 濟南 271104）

PLC技術(shù)在電氣儀表自動化控制中的有效運用，既可以幫助技術(shù)人員快速查找出設(shè)備運行故障，精準(zhǔn)地確定故障類型與位置，而且也能夠?qū)⒐收闲畔⒓皶r反饋給終端操作平臺，進(jìn)而為故障排除贏得了大量時間。在這一背景之下，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)充分利用和發(fā)揮PLC技術(shù)的功能優(yōu)勢，在保障電氣儀表安全穩(wěn)定運行的同時，使電氣儀表的自動化與智能化發(fā)展進(jìn)程得以持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)。

1 PLC硬件結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 硬件結(jié)構(gòu)組成

PLC即可編程邏輯控制器，其硬件結(jié)構(gòu)主要由中央處理器、存儲器、I/O接口電路、外設(shè)接口、編程器以及電源等組成。中央處理器是PLC當(dāng)中的中樞控制單元，其功能與作用等同于人的大腦，一般由控制電路、運算器以及寄存器等分支單元組成，在PLC硬件結(jié)構(gòu)中起到?jīng)Q定性作用。存儲器可以細(xì)分為ROM只讀存儲器、RAM隨機存儲器以及EEPROM可電擦寫存儲器，顧名思義，這一硬件單元主要用來存儲系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信息與應(yīng)用程序。I/O接口電路由I/O單元以及擴展接口組成，I/O單元包括模擬量I/O單元與數(shù)字量I/O單元，而擴展接口主要是在輸入與輸出點數(shù)不足的情況下，可以利用該接口完成開關(guān)量控制與模擬量控制。外設(shè)接口主要是用來連接外部設(shè)備的接口電路，其中，外部設(shè)備主要包括顯示器、圖形編程器等，當(dāng)外部設(shè)備接入系統(tǒng)之后，PLC可以通過電纜或者M(jìn)PI卡與計算機主機相連，進(jìn)而來完成程序編寫、遠(yuǎn)程監(jiān)控等基本任務(wù)。編程器一般來說屬于一種具有編程功能的外圍設(shè)備，當(dāng)程序員將執(zhí)行程序設(shè)置完畢，將直接進(jìn)入到PLC的存儲器當(dāng)中，而且編程器還具有在線編輯與修改功能，如果發(fā)現(xiàn)程序編寫出現(xiàn)錯誤，程序員可以隨時在線進(jìn)行修改，這就大大簡化了工作流程，提高了工作效率。電源是為PLC持續(xù)提供電力能源，使其能夠正常運行與工作的組成單元，在PLC內(nèi)部，通常會設(shè)置一個穩(wěn)壓電源開關(guān)，當(dāng)接通220V電源后，系統(tǒng)可以快速將其轉(zhuǎn)化成為5V、12V、24V的直流電壓，這樣可以避免PLC內(nèi)部組件燒損，PLC結(jié)構(gòu)單元如圖1所示。

圖1 PLC結(jié)構(gòu)單元

1.2 PLC工作原理

PLC的工作原理與計算機類似，可以簡單的理解為程序?qū)懭肱c執(zhí)行的過程，這一過程主要包括三個階段，即輸入處理階段、程序執(zhí)行階段以及輸出處理階段。輸入處理是將系統(tǒng)采集的用戶數(shù)據(jù)與程序信息統(tǒng)一存儲在寄存器當(dāng)中，而程序輸入往往是采用掃描輸入的方式。在程序執(zhí)行階段，主要是在梯形圖上面按照從上至下的順序進(jìn)行掃描，然后對I/O映象區(qū)狀態(tài)與數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算與處理。這一階段每掃描一次，所有的用戶程序都將執(zhí)行一次。輸出處理階段是對經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)與程序進(jìn)行刷新，再經(jīng)由輸出電路來驅(qū)動與之相對應(yīng)的外部設(shè)施，PLC每執(zhí)行一次輸入與輸出程序，即完成一個周期的掃描任務(wù)。通過這種循環(huán)往復(fù)地掃描執(zhí)行流程，可以執(zhí)行各種應(yīng)用程序，進(jìn)而驅(qū)動外部設(shè)備完成相應(yīng)的動作[1]。

2 PLC在電氣儀表自動化控制中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

2.1 靈敏度高

反應(yīng)靈敏是PLC的一個顯著特點，這主要是由于在PLC硬件結(jié)構(gòu)中，通常使用的是輔助繼電器，這就省去了時間繼電器與中間繼電器，進(jìn)而也無需連接一些不必要的導(dǎo)線，這就使得數(shù)據(jù)傳輸時間大大縮減。而傳統(tǒng)的繼電器一方面需要考慮信號返回時間，另一方面連接導(dǎo)線接口較多，這就使得系統(tǒng)的反應(yīng)速度受到嚴(yán)重影響。因此，PLC能夠快速完成數(shù)據(jù)與程序的分析、運算、處理任務(wù)，整個系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度也得到切實改善。

2.2 抗干擾能力強

眾所周知，工業(yè)生產(chǎn)的外部環(huán)境較為復(fù)雜，整個生產(chǎn)流程常常伴隨著高溫、高壓、粉塵等惡劣因素，在這種外部環(huán)境的影響下，電氣儀表的故障率將大幅提升，使用壽命也會受到影響。而PLC運用了系統(tǒng)集成技術(shù)與微電子技術(shù)，不僅功能性強大，而且具有較強的抗干擾能力，能夠抵御外界的各種干擾因素，特別在抵御電磁波輻射方面，表現(xiàn)的尤為突出。由于PLC超強的抗干擾能力，使得電氣儀表發(fā)生故障的概率明顯下降，同時，也使工業(yè)生產(chǎn)效率得到大幅提升。

2.3 操作流程便捷

傳統(tǒng)的繼電器不僅外部連接線路多，而且程序編寫內(nèi)容復(fù)雜，如果計算機知識與編程知識掌握的不牢固，那么將無法勝任編程工作。但是，應(yīng)用PLC技術(shù)時，程序編寫人員只需要對生產(chǎn)過程進(jìn)行了解，然后對現(xiàn)有的程序進(jìn)行修改和完善，即可以快速完成程序編寫工作，這一操作過程不僅節(jié)省了大量時間，而且對編程人員的專業(yè)技術(shù)水平也沒有嚴(yán)格的要求，同時，程序編寫的學(xué)習(xí)過程比較輕松，編程人員也易于接受，在短時間內(nèi)便可以熟練掌握編程技巧。

3 PLC技術(shù)在電氣儀表自動化控制中的具體應(yīng)用

3.1 設(shè)定和優(yōu)化電氣儀表參數(shù)

為了提高電氣儀表自動化控制水平以及儀表的檢測精度，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，技術(shù)人員需要設(shè)定一個工作參數(shù)，并對參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。比如以電氣儀表壓力與溫度轉(zhuǎn)換的模擬參數(shù)試驗為例，在設(shè)定參數(shù)之前，應(yīng)當(dāng)結(jié)合下面這個數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化公式：Q=IN*0.1，在公式當(dāng)中，Q主要代表環(huán)境實際檢測物理量，IN代表電氣儀表環(huán)境檢測點實際值，技術(shù)人員將采集到的各數(shù)據(jù)代入到公式當(dāng)中，然后對各個參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)換以后的參數(shù)直接傳導(dǎo)至PLC控制總站，這時，技術(shù)人員根據(jù)這些參數(shù)可以快速繪制出儀表運行趨勢圖，并從趨勢當(dāng)中可以分析和判定電氣設(shè)備的運行狀態(tài)信息[2]。

比如網(wǎng)壓表的量程為50KV，經(jīng)過實地測量，其數(shù)值為170VAC，電機電壓表的顯示數(shù)值為3100V，實際測量值是15VDC，電機電流表量程是3000V，實際測量值是15VDC，供電電壓表量程是3000V，實際測量值是15VDC，控制電壓表量程是2000V，實際測量值是10VDC，控制電流表量程是200V，實際測量值是200VDC，制動電流表量程是200V，實際測量值是202ADC。通過參數(shù)轉(zhuǎn)換可以得到精準(zhǔn)的測量值，由此可以看出，在運用PLC技術(shù)之前，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合參數(shù)轉(zhuǎn)換公式，合理設(shè)定電氣儀表的各項運行參數(shù)，以保證電氣儀表能夠正常運行和工作。

3.2 電氣儀表的故障預(yù)測

由于工業(yè)電氣儀表處于一種持續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，工業(yè)生產(chǎn)活動不中止，儀表的自動化控制程序也始終處于運行狀態(tài)，因此，電氣儀表的故障率相對較高。為了能夠準(zhǔn)確預(yù)測電氣儀表的故障類型與產(chǎn)生的原因，技術(shù)人員可以通過試驗的方法，并遵循校正原理對數(shù)據(jù)線性進(jìn)行校正。在實驗開始之前，技術(shù)人員首先可以電源的長時間使用入手，由于電源持續(xù)開啟，在這一過程中，電源的散熱性大幅降低，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)故障，針對這種情況，可以利用PLC技術(shù)對電源總線進(jìn)行優(yōu)化和改動，經(jīng)過優(yōu)化以后的線性方程是：（Dm-Dn）=m（Cm-Cn），在方程當(dāng)中，D代表電氣儀表各項數(shù)據(jù)的輸入偏移值，m代表電路短路輸入比，C代表儀表校正常數(shù)，n代表標(biāo)準(zhǔn)電源電壓，一般為220V。通過故障預(yù)測試驗可以得出以下結(jié)論：第一，后期維護(hù)對電氣儀表設(shè)備的正常運行起到關(guān)鍵性作用，尤其在PLC技術(shù)的支持下，對電氣儀表的工作環(huán)境提出了更高的要求，如果某一項指標(biāo)出現(xiàn)偏差，都將嚴(yán)重影響儀表的正常運行。第二，為了保證故障預(yù)測的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)靈活運用PLC技術(shù)，不得夸大PLC技術(shù)的監(jiān)測范圍，這樣，也將對故障預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

3.3 人機交互界面

經(jīng)過校正的電氣儀表，其校正數(shù)據(jù)將統(tǒng)一存儲在計算機當(dāng)中，然后將這些數(shù)據(jù)直接傳輸至計算機局域網(wǎng)，這樣一來，電氣設(shè)備更容易接收到這些數(shù)據(jù)信息。為了進(jìn)一步提升電氣儀表的自動化控制水平，技術(shù)人員可以通過計算機特定監(jiān)控界面對電氣儀表進(jìn)行有效控制。而這一過程完全可以運用PLC技術(shù)，來實現(xiàn)人機交互對話，在這種情況之下，終端操作人員能夠?qū)﹄姎鈨x表進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，并準(zhǔn)確調(diào)整各種運行參量。首先，電氣儀表的相關(guān)運行參數(shù)可以借助于計算機的顯示界面呈現(xiàn)出來，技術(shù)人員在界面上可以清晰直觀地獲取各種電氣設(shè)備的運行狀態(tài)信息。如果在監(jiān)控過程中，發(fā)現(xiàn)某一個模擬量超出限位值，這時，系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警信號，技術(shù)人員根據(jù)這一反饋信息能夠及時發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的運行故障，進(jìn)而為故障排除節(jié)省了大量時間[3]。

3.4 試驗參數(shù)與試驗結(jié)論

試驗參數(shù)與試驗參照標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 試驗參數(shù)與試驗參照標(biāo)準(zhǔn)

在PLC試驗過程中，參與現(xiàn)場試驗的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)熟練掌握電氣儀表自動化控制方法，并對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真檢測，以保證數(shù)據(jù)的真實性。由于影響試驗結(jié)果的因素較多，故技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際情況，對不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的每一道生產(chǎn)工序的數(shù)據(jù)及時剔除，以確保試驗?zāi)軌蛘＿M(jìn)行。從表1當(dāng)中可以看出，如果利用傳統(tǒng)的控制方法，無法對電氣儀表實現(xiàn)精準(zhǔn)化控制，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率相對較低，但是，如果將PLC技術(shù)與一個特定的計算機界面相融合，則可以大幅提升電氣儀表的自動化控制精度。與此同時，就電氣儀表而言，其工作模式較多，恰恰是PLC的這種安全穩(wěn)定的運營環(huán)境，才使得電氣儀表的自動化控制水平提升到了一個全新的高度，進(jìn)而在促進(jìn)我國工業(yè)經(jīng)濟持續(xù)增長方面發(fā)揮了不可替代的關(guān)鍵性作用。

4 結(jié)語

在電氣儀表自動化控制中運用PLC技術(shù)，不僅可以快速查找出故障隱患與故障發(fā)生的準(zhǔn)確位置，而且能夠大幅提升電氣儀表的自動化控制精度，進(jìn)而為工業(yè)生產(chǎn)活動的高效展開提供了強大的技術(shù)支撐。基于此，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷對PLC技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，在確保電氣儀表正常運行的同時，為推進(jìn)我國工業(yè)自動化與智能化發(fā)展進(jìn)程作出積極貢獻(xiàn)。