PLC在工業電氣自動化中的應用

仇錦龍 周凱 韋統革 趙明華

摘要：在工業電氣自動化中，可編程邏輯控制器（PLC）作為一種關鍵的控制設備，發揮著重要的作用。PLC技術的出現標志著工業控制領域發生了革命性的變化，其應用不僅加速了生產流程，而且提高了系統的可靠性和靈活性。PLC不僅廣泛應用于制造業，而且在能源、交通、醫療等多個領域也有應用。PLC的強大功能使得它能實現復雜的控制邏輯，監測和管理各種工業過程，同時可實時響應和適應不同的工作環境。文章著重探討PLC在工業電氣自動化中的應用策略。

關鍵詞：PLC；工業電氣自動化；應用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.036

中圖分類號：TM 76，TP 273? ? ? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）04-0-03

The Application of PLC in Industrial Electrical Automation

QIU Jinlong， ZHOU Kai， WEI Tongge， ZHAO Minghua

（Yankuang Energy Group Co.， Ltd. Jining No.3 Coal Mine， Jining 272169， China）

Abstract： In industrial electrical automation， programmable logic controllers （PLCs） play an important role as a critical control device. The emergence of PLC technology marks a revolutionary change in the field of industrial control. Its application not only accelerates the production process， but also improves the reliability and flexibility of the system. PLC can not only be widely used in the manufacturing industry， but also in multiple fields such as energy， transportation， and healthcare. The powerful functions of PLC enable it to achieve complex control logic， monitor and manage various industrial processes， while also responding in real-time and adapting to different working environments. The article focuses on exploring the application strategies of PLC in industrial electrical automation.

Keywords： PLC; industrial electrical automation; application

1? ?PLC的特點

1.1 可靠性較高

PLC采用了工業級的硬件組件，如高質量的處理器、存儲器、輸入輸出模塊等，這些組件經過嚴格的測試和篩選，具有較高的抗干擾能力和穩定性。PLC的硬件設計還考慮了環境因素，如溫度、濕度、振動等，采用防塵、防水、防震等措施，以確保在惡劣的工作環境下仍能正常運行。其次，PLC的軟件是由專業的工程師進行開發和測試的，采用嚴格的編程規范和標準化的開發流程，以確保程序的正確性和穩定性。在工業自動化過程中，由于各種原因，如電力波動、電磁干擾、設備故障等，可能會導致PLC系統出現故障。為了應對這些情況，PLC采用了冗余設計和備份機制。例如，PLC系統通常會配置多個輸入輸出模塊，當一個模塊發生故障時，其他模塊可以繼續工作，確保系統的連續運行。此外，PLC的軟件也需要進行定期的更新和升級，以修復已知的問題和提升系統的性能。通過定期的維護和保養，可以及時發現和解決潛在的問題，確保PLC系統的可靠運行[1]。

1.2 通用性較強

無論是生產線的控制、設備的監控還是工藝的調整，PLC都能勝任，這種通用性使得PLC成為了工業自動化領域的重要組成部分。PLC的編程語言通常采用類似于傳統的電路圖的邏輯圖形式，如梯形圖和功能塊圖。這種編程方式使得PLC的編程相對簡單，易于理解和修改。PLC支持多種編程語言，如指令列表、結構化文本等，用戶可以根據自己的需求選擇最適合的編程方式。PLC系統通常由中央處理器、輸入輸出模塊和通信模塊等組成。用戶可以根據實際需求選擇不同的模塊進行組合，以滿足不同的控制要求。而且，還支持多種通信協議，如以太網、Modbus等，可以與其他設備進行聯網通信，實現數據的共享和遠程監控。PLC系統采用工業技術設備升級的硬件技術和可靠的軟件算法，能在工作環境下正常運行，一旦發生故障，系統還可以自動切換到備用設備，確保生產過程的連續性和穩定性。

1.3 功能性較強

PLC具有多種輸入輸出接口，與各種傳感器、執行器和其他設備進行連接。這使得PLC能夠接收來自不同傳感器的信號，并根據預設的邏輯規則進行處理和判斷。同時，PLC借助輸出接口控制執行器實現對各種設備的控制，這種多樣化的輸入輸出接口使PLC能適應不同的控制需求，具備更加靈活和全面的功能。其次，PLC內部有一個強大的處理器能執行復雜的邏輯運算和控制算法，它可以根據預設的程序和邏輯規則，對輸入信號進行處理和判斷，并根據結果做出相應的控制動作，實現復雜的控制功能，如邏輯判斷、計算、定時、計數等，滿足各種復雜的控制需求。此外，PLC的程序通過編程軟件進行編寫和修改，根據實際需求進行靈活的調整和改變，這種可編程性使得PLC能夠適應不同的控制任務和工藝流程，支持定制化的控制方案[2]。

2? ?PLC系統的工作原理

PLC系統工作原理如圖1所示。PLC（可編程邏輯控制器）控制原理是PLC系統的核心，通常包括三個主要階段：

輸入采樣階段涉及到數據的識別和采集工作，PLC系統會不斷地讀取來自各種傳感器和輸入設備的信號。這些信號代表物理世界中的各種狀態和條件，如溫度、壓力、開關狀態等。采集到的數據會被轉化為計算機可識別的信號，并存儲在映象寄存器中，以備后續的處理和分析。

用戶程序執行階段是對采集到的數據進行分析和處理的過程。PLC系統會按照事先編寫的用戶程序，依次執行各個程序指令。這些程序指令包括邏輯運算、算術運算、條件判斷等，用于確定下一步的控制動作。用戶程序的執行通常按照從上至下、從左到右的順序進行，確保了程序的邏輯一致性。

輸出刷新階段涉及將處理過的信號傳送到終端設備，執行相應的控制操作。PLC系統會根據用戶程序的執行結果，更新輸出信號狀態，以控制各種執行元件，如電動機、閥門、燈光等。這一階段的目標是將控制指令傳遞給實際的執行設備，從而實現自動化控制系統的預定任務。

3? ?PLC在工業電氣自動化中的具體應用

3.1 立體倉庫中的應用

供熱站自動化控制系統內合理運用PLC技術、人機交互設備，能夠在最少時間內采集大量信息和數據，并且系統內監控模塊與其接口設備能夠有效監控一級網、二級網運行狀態，利用PLC技術更加安全穩定的連接一級網和二級網，更加迅速采集系統中供水溫度數據。系統運行過程中，采集各項信息數據，借助微處理器對采集信息數據實現綜合處理，程序存儲器有效調整電磁閥，保證系統中變頻器更加安全可靠地運行。供熱站和相關設備運行過程中，設備能夠有效管控循環水量，提高供熱站的整體運行質量和效率。PLC控制系統運行過程中主要通過以下幾種方法進行控制：①控制系統調節閥。系統根據二級網供熱溫度曲線，有效控制系統中熱交換器一級網流量，借助控制器控制一級網內部回流管道電磁閥，當一級網供應到達熱交換器之后，有效控制二級網供應水溫度。②控制循環泵。系統借助控制器進行控制，進一步保證循環泵的各項性能，高效控制二級網供水和回水設定壓力，并且控制二級網循環流量[2]。③補水泵調整。增強補水泵運行質效的管理，有效控制系統的輔助流量，自動化補給網絡系統背壓、輔助網絡系統。④溫度調整。PLC系統內，有效調節二級網溫度，促進二級網流量更加穩定，對供熱站具有良好的調節作用[3]。

3.2 數控機床中的應用

數控機床屬于機械加工領域常用的設備，實現計算機、電子、PLC等技術的有機融合，合理優化機械加工流程，可提高產品加工精度。PLC系統安全可靠性較高，體積小，同時具有較強的抗干擾能力，成為數控機床中十分重要的組成結構。PLC系統在數控機床中的應用包含多種類型的配置方式，需要相關人員結合實際需求，選擇相適應的配置方式，提高PLC系統應用質效。例如，①機床側安裝PLC，主要目的是實現繼電器的邏輯控制（如圖2所示）。該配置方式主要是PLC系統運行過程中和數控系統利用I/O接口來完成信息的交換控制，②PLC系統當中存在M根連線，這些線束是連接機床的重要介質，當二者結合到一起之后，機床的數控系統能夠對采集的各類數據信息進行處理與交換。由于這一過程不需要多根連線，這就有效減少了應用成本，并為后續維護工作提供較多便利。③使PLC作為一種獨立的結構，普遍在接近CNC的位置安裝，或者將PLC安裝在數控機床內，借助數控機床側的I/O模塊完成機床和PLC之間的信息交換。該種配置方式在部分中大型數控機床中具有良好的適用性，具有接線少、安全穩定性高等應用優勢。④PLC系統和數控機床借助通信線完成信息交換過程。該種配置方式為獨立型PLC，有效減少接線，同時能夠增加信息交換量。

圖2 數控機床側的PLC配置方式

數控機床中應用PLC系統，利用其功能指令實現BCD二進制編碼撥盤數據輸入，在數字撥盤上面，可以清晰顯示0～9個數字值，并且每一個撥盤所代表的十進制數據也有所不同。如果數據量巨大，則可以借助多片BCD碼與撥盤建立并聯關系。需要注意的是，BCD碼撥盤裝置的設置，不需要顯示電路的支持，這就使系統內部的硬件電路數量大幅減少，進而使工作人員的操作過程變得更加簡單，并且，也有效減少了電機步數。數控機床操作端增加輸入鍵，便于操作人員輸入數據，促進PLC更加迅速處理多種信息數據，節約數據輸入時間，提高生產質效。另外，PLC系統自身安全可靠性較高。和以往的繼電器相比，數控機床發生故障問題，優先排除PLC系統，排查外部元器件的安全故障隱患。比如，數控機床在實際運行過程中，經常出現短路、斷路等故障，這些故障出現以后需要確定故障的準確位置，排除PLC系統的自身原因。通過故障自診斷系統來確定故障點，一旦故障類型確定以后，系統將直接發出故障預警信號[3]。當接收到故障信號以后，工作人員可以及時采用相應的維護措施高效處理故障問題，從而最大程度減少系統出現故障的可能。

3.3 水處理中的應用

水處理中，借助PLC技術能夠獲得良好的控制效果，不同系統保持獨立，能夠進行單獨管理操作。PLC技術在水處理系統中具有數據采集、順序控制、增強編程控制等功能。當上位機屏幕顯示信息數據和運行參數發生一定轉變，或者相關運行參數超出報警閾值，系統參數體現出不同顏色，及時發出警報信號。

3.4 混合材料制備中的應用

相關企業發展中經常應用混合材料制造裝置，其工藝技術本質主要是多種資源綜合的過程。在混合料制造操作之前，相關人員詳細測試制造裝置時以人工為主，消耗較多時間和精力，并且檢測效果并不理想，容易出現誤檢、漏檢現象，導致制造的混合材料產品質量不合格，需要重新進行加工制造，增加成本。為此，人們在混合材料產品檢驗操作中合理應用PLC技術，可提高檢驗質量和效率，保證產品安全質量，節約生產成本。混合材料加工分析中PLC技術的具體表現為借助PLC控制器更加精準篩除不合格的原材料，準確處理填入加工料槽內的原材料。另外，應用PLC管理原材料的過程中，進行精準計算，能減少混合料產品的有害物質，提高原材料利用效率，節約生產成本，為企業帶來更多經濟效益。

3.5 礦井設備上的應用

煤炭行業發展中，相關工作開展具有較高的危險性，容易出現安全事故，而應用PLC技術可以有效提高礦井監測裝置的實用性，實時監測井下通風情況、有害氣體含量，了解井下操作人員的實際生產情況。同時，監測裝置運行中，當出現問題或者監測能力缺失時，PLC設備能夠快速判斷事故情況，分析事故成因，立即進行事故報警，便于維護人員高效開展維修工作，保障井下作業的安全可靠性，提高礦井生產力。

4? ?結束語

工業電氣自動化系統中應用PLC技術能夠有效減少系統運行故障，提高工作質量和效率。技術人員在應用PLC技術的過程中應全面分析多種影響因素，提高技術應用水平，保證工業電氣自動化系統安全穩定運行。

參考文獻

[1] 汪浩．PLC在工業電氣自動化中的應用[J]．工程技術（文摘版），2021（24）：82-84.

[2] 石勝利．PLC在工業電氣自動化中的應用研究[J]．電子元器件與信息技術，2022（4）：198-201.

[3] 郭云開．PLC在工業電氣自動化中的應用探究[J]．科學與信息化，2021（23）：121-123.