可編程控制器技術(shù)在電氣工程與自動(dòng)化中的應(yīng)用研究

蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 劉成山

本文從PLC技術(shù)基礎(chǔ)概述入手，介紹了該技術(shù)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理，分析了PLC技術(shù)應(yīng)用于電氣工程及其自動(dòng)化中的優(yōu)勢(shì)，分別從信息數(shù)據(jù)采集與控制、閉環(huán)控制、順序控制三個(gè)方面入手，總結(jié)了PLC技術(shù)在電氣工程與自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期為電氣工程的自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 PLC技術(shù)簡(jiǎn)述

1.1 PLC技術(shù)

PLC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是依靠程序的編寫、順序的控制以及算法的應(yīng)用，完成對(duì)電氣工程控制器的操作，可實(shí)現(xiàn)一些企業(yè)特定的功能，具有較強(qiáng)的應(yīng)用特性。在可編程控制器內(nèi)核的選擇上，通常使用性能強(qiáng)大、兼容性強(qiáng)、響應(yīng)快的32位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，其內(nèi)部是STM32系列中具有64引腳、128K字節(jié)閃存存儲(chǔ)器的STM32F103RBT6嵌入式微控制器芯片，在數(shù)據(jù)傳輸功能下，將電氣工程相關(guān)參數(shù)通過計(jì)算機(jī)終端和薄膜晶體管顯示屏展示出來。功能的實(shí)現(xiàn)主要涉及到例如攝像頭模塊的外部設(shè)備、STM32F103最小系統(tǒng)、晶體管顯示屏模塊與擴(kuò)展接口模塊。PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要5V電源供電。電氣企業(yè)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行圖像采集過程時(shí)利用的是圖像傳感器類的攝像頭，采集到分辨率為320×240像素的圖像，之后通過薄膜晶體管顯示屏，顯示出三原色圖像。STM32單片機(jī)中央處理單元具備對(duì)數(shù)值進(jìn)行仔細(xì)分析的功能，讀取圖像時(shí)也會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行一系列的預(yù)處理，例如灰度化、二值化等，以保證電氣工程相關(guān)設(shè)備的工作效率。

1.2 PLC技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)原理

PLC運(yùn)行工作過程分為三個(gè)階段，首先是輸入采樣階段，攝像頭通過循環(huán)掃描的方式讀入信息，例如按鈕、開關(guān)等輸入設(shè)備的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存在I/O擴(kuò)展單元內(nèi)；其次是程序執(zhí)行階段，PLC按順序掃描相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)編寫好的程序，完成對(duì)程序和算法的識(shí)別，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)；最后是輸出刷新階段，在程序掃描完畢后，中央處理器CPU會(huì)按照程序要求對(duì)相關(guān)輸出設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)方面的更新，再經(jīng)外部設(shè)備接口驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外部設(shè)備，例如監(jiān)控設(shè)備、打印機(jī)、條碼讀入器等。PLC技術(shù)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理圖，如圖1所示。

由圖1可以看出，PLC技術(shù)對(duì)照用戶程序設(shè)定，更新設(shè)備狀態(tài)和開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)存儲(chǔ)設(shè)備的自動(dòng)化控制。PLC技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要構(gòu)成有供電電源、CPU中央處理器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及外接設(shè)備等，這些組成是最基礎(chǔ)的構(gòu)成，不可或缺，系統(tǒng)的自動(dòng)化控制調(diào)動(dòng)各組成的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 PLC技術(shù)的運(yùn)轉(zhuǎn)流程

2 PLC技術(shù)應(yīng)用于電氣工程的優(yōu)勢(shì)

2.1 高性能

上述介紹了PLC控制器內(nèi)核的選擇，其內(nèi)部芯片為STM32F103RBT6嵌入式微控制器芯片，具有快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，因此PLC技術(shù)的應(yīng)用使得電氣工程設(shè)備具有超強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。芯片中指令的傳輸與數(shù)據(jù)的傳輸不是同一條數(shù)據(jù)線，因此提高了電氣工程設(shè)備的工作效率。另外此技術(shù)支持16位或32位的程序編寫，降低了程序員的編寫難度，提升了電氣工程設(shè)備的兼容性。該技術(shù)cortex處理器內(nèi)核自帶位帶（Bit-band）操作，因STM32不允許對(duì)某個(gè)端口的某個(gè)I/O口進(jìn)行直接的控制，那么在位帶操作下可以用一個(gè)32位的地址空間訪問單獨(dú)的一位空間，對(duì)某一位進(jìn)行直接的訪問與存儲(chǔ)，達(dá)到快速控制，且位帶操作在電氣工程設(shè)備的使用中容錯(cuò)性良好。

2.2 豐富的片上資源

可編程控制器芯片具有的資源和可開發(fā)的資源較為豐富。芯片具有64引腳，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)較多功能的設(shè)計(jì)，同時(shí)具有12個(gè)為中央處理單元減輕負(fù)擔(dān)的直接存儲(chǔ)器存取通道，多達(dá)16個(gè)輸入通道，包含3個(gè)通用定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，有13個(gè)通信接口，通過外部設(shè)備接口連接一些設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種功能，具有豐富的開發(fā)資源，且處理器和芯片的兼容性較強(qiáng)，可應(yīng)用到很多電氣工程設(shè)備上。

2.3 超低能耗

PLC技術(shù)的應(yīng)用使得電氣工程設(shè)備更加智能化，在設(shè)備日常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，根據(jù)芯片的使用數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷，選擇合適的工作模式，及時(shí)切換運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以節(jié)省電力資源。該芯片不僅每兆赫茲的效率較高，且能耗較低，在超低能耗工作狀態(tài)下，0.18mV/MHz的消耗就可達(dá)到芯片對(duì)電量的需求。STM32F103RBT6芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了三種工作模式，分別是睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式，電氣設(shè)備在不同狀態(tài)下使用相對(duì)應(yīng)工作模式，進(jìn)一步展現(xiàn)了其超低能耗的優(yōu)點(diǎn)。

3 PLC技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

3.1 信息數(shù)據(jù)采集與控制應(yīng)用

電氣工程設(shè)備的信息數(shù)據(jù)采集與控制關(guān)系到自動(dòng)化控制的執(zhí)行，PLC技術(shù)的應(yīng)用是這一環(huán)節(jié)必不可少的步驟。PLC技術(shù)可通過編寫電氣設(shè)備可識(shí)別的程序，對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，再利用例如攝像頭等相關(guān)圖像采集設(shè)備，按照從左到右、從上到下的掃描順序，快速掃描梯形圖，獲取數(shù)據(jù)后經(jīng)處理器在特定程序的執(zhí)行下實(shí)現(xiàn)對(duì)海量信息數(shù)據(jù)的整理和處理。PLC技術(shù)的應(yīng)用增強(qiáng)了企業(yè)對(duì)信息數(shù)據(jù)的采集和控制能力，也提升了風(fēng)險(xiǎn)控制能力。

3.2 閉環(huán)控制應(yīng)用

閉環(huán)控制是針對(duì)某一被控對(duì)象，通過PID控制器對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將數(shù)據(jù)差值反饋給輸入控制，不斷進(jìn)行糾正的過程。在電氣工程的控制中，存在不規(guī)律變化的量，例如，溫度、流量、壓力以及速度等，都是模擬量。在電氣設(shè)備中的識(shí)別與控制上，需要將數(shù)字量和模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，可編程控制器生產(chǎn)廠家都會(huì)配套A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使PLC對(duì)模擬量進(jìn)行順利控制。電機(jī)閉環(huán)控制的工作流程如圖2所示。

圖2 電機(jī)閉環(huán)控制的工作流程

PID反饋回路使得電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可以借助反饋閉環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力輸入和輸出設(shè)備以及電流調(diào)節(jié)的智能化控制。電氣工程相關(guān)技術(shù)人員在PLC技術(shù)不斷對(duì)被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的過程中，可觀察并計(jì)算出相關(guān)動(dòng)力泵的啟動(dòng)與關(guān)閉時(shí)間，這一數(shù)據(jù)有利用電氣企業(yè)準(zhǔn)備功能強(qiáng)大的動(dòng)力泵作為備用設(shè)備，為閉環(huán)控制和電氣工程自動(dòng)化控制提供后勤硬件保障。

3.3 順序控制應(yīng)用

PLC技術(shù)在程序的編寫和算法的應(yīng)用上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣工程相關(guān)設(shè)備的順序控制，大力提升了電氣工程自動(dòng)化控制性能。在PLC編程過程中，可采用合適的算法和編程方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序執(zhí)行順序的高效安排。在PLC順序控制技術(shù)下程序結(jié)構(gòu)清晰、邏輯明確，簡(jiǎn)化了執(zhí)行流程且具有一定的規(guī)律性，順序程序的執(zhí)行有較強(qiáng)的完整性和嚴(yán)謹(jǐn)性，不會(huì)因無效的重復(fù)性操作導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和成本的增加，順序控制在程序的編寫上可采用循環(huán)的算法，提高了程序運(yùn)行效果和電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，促進(jìn)了電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠度、安全度提升。

結(jié)語：綜上所述，PLC技術(shù)有著可靠性高、適用性強(qiáng)、程序編寫簡(jiǎn)單、能耗低等顯著優(yōu)勢(shì)。將PLC技術(shù)應(yīng)用到電氣工程的信息數(shù)據(jù)采集與控制、開關(guān)控制、順序控制以及閉環(huán)控制等過程，可綜合提升電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行性能和智能化控制程度，以促進(jìn)電氣企業(yè)的生產(chǎn)效率。因此，電氣領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)不斷學(xué)習(xí)電氣工程新技術(shù)與新知識(shí)，拓展PLC技術(shù)的應(yīng)用前景，推動(dòng)電氣工程自動(dòng)化、智能化和現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。