基于PLC的建筑電氣自動化系統設計與實施流程優化研究

［摘 要］隨著建筑業的快速發展，建筑電氣自動化系統在提高建筑操作效率、降低能耗、提升用戶舒適度等方面發揮著越來越重要的作用。可編程邏輯控制器（PLC）因其高可靠性和靈活性，在建筑電氣自動化系統中被廣泛應用。然而，設計與實施過程中存在效率低下、系統集成復雜等問題，常導致項目成本增加、維護困難等負面影響。針對這些問題，文章提出了一種基于PLC 的建筑電氣自動化系統優化設計方案，闡述了該系統實施的關鍵步驟。研究表明，通過優化設計和施工流程，可以顯著提高系統的可靠性和效率，降低維護成本。

［關鍵詞］可編程邏輯控制器；建筑電氣自動化；系統設計；流程優化

［中圖分類號］TU855 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0087–03

1 基于PLC的建筑電氣自動化系統實施流程的優化

1.1 精細化項目管理

精細化項目管理是通過實現細致的管理過程，以確保項目高效率和高質量的按期完成。采用項目管理軟件作為主要的工具，可以有效支持項目計劃的詳盡制訂、監控實施過程和評估項目成果，從而提高管理的透明度和團隊的協作效率。精細化管理主要包括任務分解、資源分配、進度跟蹤和性能評估等關鍵環節。

對于項目進度的監控，采用實時數據跟蹤和分析確保項目按計劃推進，并能及時調整偏離計劃的活動。項目管理軟件通常提供儀表板功能，展示關鍵性能指標（KPIs）和實時進度，幫助管理者做出基于數據的決策。對項目的每個階段進行質量評估也是精細化管理的重要部分，確保每個交付物達到預定的質量標準，通過引入特定的計算模型和公式，管理者可以更精確地預測項目成本、時間和資源需求及潛在的風險。例如，可以使用以下簡化模型來預測項目的總成本（Ctotal）：

式中，Ci為第i個任務的單項成本；Qi為該任務的數量；Ti為該任務所需時間，h；Ri為每小時資源成本。

表1 列出了5 個任務的具體信息及其成本計算，本文數據來源于對類似項目的行業調研和專業咨詢公司的報告，并結合了內部歷史項目的成本記錄和資源使用情況。具體任務成本和時間估算基于市場調研的平均數據和實際項目中的資源消耗標準，由項目管理團隊經過多次討論和評估后確定。

通過應用上述模型，可以計算每個任務的成本并匯總得到總成本。在此基礎上，管理者可以進一步進行項目的財務規劃和資源調配。

為了確保項目管理的效果，定期的回顧和評估必不可少。項目管理軟件通常具備生成報告的功能，這些報告包括成本和時間的具體數據，以及任務完成質量和團隊表現的評估。通過這些詳盡的報告，項目團隊可以識別存在的問題，并在未來的項目中避免類似的錯誤，持續改進管理流程。

1.2 質量控制體系

質量控制體系通過標準化流程、詳細的監測和持續的改進活動，從源頭上確保施工質量滿足預定標準，這一體系包括多個環節，如質量計劃的制訂、過程的監控、質量評估及根據反饋進行的必要調整。其中，制訂質量控制計劃是整個體系的基礎，計劃中需明確項目的質量標準，包括材料、工藝、成品等方面的具體要求，并且要制訂相應的檢查列表和標準操作程序（SOP）。例如，某建筑項目可能會設定混凝土的抗壓強度標準及相關的測試方法和頻率。

在監控過程中，項目團隊需要按照計劃進行定期檢查和測試，確保所有材料和工作過程符合既定標準。例如，在該建筑項目中可以設置一個監控點來監測混凝土澆筑過程，包括其溫度、濕度和固化時間，監控的數據可以用表格記錄，并應用公式進行必要的計算，以評估是否滿足質量要求。混凝土質量監控的數據記錄見表2。

表2 中抗壓強度的計算公式如下：

抗壓強度=最大負荷/橫截面面積（2）

根據記錄的數據，可以使用式（2）計算出每個監測點混凝土的抗壓強度，并與標準抗壓強度比較，評估質量是否合格。接下來，對于監測過程中發現的任何不合格項目，質量控制團隊需要進行根本原因分析，以確定問題的來源，并制訂改進措施。例如，若抗壓強度不足，可能需要調查原材料的質量或混凝土的配比和攪拌過程。質量控制體系還應包括對改進措施效果的再驗證，確保這些措施能有效解決問題并防止其再次發生。所有質量控制活動的記錄應詳細保存，這不僅有助于項目團隊持續改進，也是應對未來審計和評估的重要憑證。

2 基于PLC的系統設計優化策略

2.1 系統結構優化

在建筑電氣自動化領域，通過對系統結構進行優化，設計更加模塊化和可擴展的結構成為提高系統可維護性與升級靈活性的關鍵。模塊化設計允許系統按需擴展或修改，而不影響整體系統的穩定性和性能。文章通過詳細的數據和計算分析，展示了優化后的系統設計如何實現這些目標：①定義了模塊化設計的幾個關鍵參數，即模塊接口的通用性（I）、模塊獨立性（D）及系統擴展性（E）。模塊接口的通用性是指模塊之間連接的兼容性和靈活性，模塊獨立性是指模塊能夠獨立于系統其他部分進行更換或升級，系統擴展性則描述了系統添加新模塊或功能的容易程度。②采用以下公式來量化系統優化前后的模塊化程度：

M=IDE （3）

式中，M為系統的模塊化程度。理論上，M的值越高，系統的維護和升級就越簡便。

為了進行實際分析，選取了一個典型的建筑電氣自動化系統，對其優化前后的參數進行了以下設定：優化前，I 為0.7、D 為0.6、E 為0.5；優化后，I 為0.9、D 為0.85、E 為0.8。根據這些設定值，計算優化前后系統的模塊化程度，即M前為0.21，M后為0.612。

計算結果顯示，優化后系統的模塊化程度從0.21提高到了0.612，表明優化措施顯著提高了系統的模塊化程度。這種改進主要歸因于對模塊接口通用性的增強，以及模塊獨立性和系統可擴展性的提高。增強模塊接口的通用性可以減少不同模塊間的依賴，使得各模塊更容易替換或升級，提高模塊的獨立性和系統的擴展性則使得系統在未來的升級和擴展中更加靈活，減少了因升級引起的系統整體穩定性問題。

2.2 智能選擇與配置工具

在現代工業和技術領域，智能選擇與配置工具對于提升設備的性能和減少人為錯誤起到了關鍵作用。這類工具通過算法優化設備的選擇和配置過程，確保選用最合適的設備并自動配置以適應特定的操作條件。這不僅提高了操作效率，還大幅減少了因配置錯誤而引發的成本和安全問題。

智能選擇與配置工具的效益可以通過比較工具布署前后的錯誤率和配置時間來具體量化。假設智能工具主要影響兩個參數：錯誤率（E）和平均配置時間（T）。通過對比實施智能工具前后這兩個參數的變化，可以直觀地看到智能化帶來的改進。可以使用以下公式來計算智能選擇與配置工具實施前后的效率提升：

式中，E前和E后分別為實施工具前后的錯誤率，T前和T后分別為配置所需的平均時間。

該典型建筑電氣自動化系統E前為5%、E后為1%，T 前為30 min、T 后為10 min。使用這些數據，計算得到智能選擇與配置工具的效率提升為93.33%。

計算結果表明，智能選擇與配置工具的使用大幅提升了效率，這主要表現在顯著降低的錯誤率和減少的配置時間上，降低錯誤率不僅減少了可能因錯誤配置而導致的設備故障或安全事故，還降低了因錯誤配置而導致的維修和重新配置成本。此外，配置時間的減少使得設備可更快投入使用，提高了整個生產線的運行效率。

這種智能化的優化過程是通過算法和大數據分析實現的。智能工具通過分析歷史配置數據和設備性能參數，自動生成最優配置方案。這不僅減少了人為輸入的需求，也提升了配置的準確性。例如，在制造行業中，智能配置工具能根據生產需求自動選擇和配置機床，確保最佳的加工效率和最低的材料浪費。

2.3 程序設計與優化

在自動化控制系統中，PLC 的程序設計與優化是提高整體系統響應速度和可靠性的關鍵因素。高效的PLC 程序能夠確保控制過程更加精確、響應更快，同時減少系統的停機時間和維護成本。通過優化算法和程序結構，可以顯著提升系統的性能和穩定性。

針對PLC 程序的優化，可以從幾個關鍵指標來衡量其效果：程序的執行時間（Texec）、系統的響應時間（Tresp）及故障率（Rfail）。通過對比優化前后這些指標的變化，可以量化程序優化的成效。可采用以下公式來計算PLC 程序優化的效率提升：

式中，Texec，前和Texec，后分別為優化前后的程序執行時間，Tresp，前和Tresp，后分別為優化前后的系統響應時間，Rfail，前和Rfail，后分別為優化前后的故障率。

該典型建筑電氣自動化系統優化前的程序執行時間為150 ms、優化后減少到90 ms，系統響應時間從優化前的200 ms 減少到120 ms，故障率從優化前的5%降低到2%，其性能提升為104.44%。

計算結果表明，PLC 程序的改進不僅減少了執行和響應時間，而且顯著降低了系統的故障率，大幅提升了系統的性能。這些改進是通過采用更加高效的編程技巧，如優化數據結構、簡化邏輯控制流程及使用更高效的算法來實現的。例如，通過使用狀態機替代復雜的條件判斷，可減少程序的執行路徑，從而加快執行速度和提高系統的響應，同時，更精簡的代碼可減少程序中潛在的錯誤點，降低系統故障的可能性。

3 結束語

文章通過對現有建筑電氣自動化系統的問題進行深入分析，提出了基于PLC 的系統設計與實施流程的優化策略。實際案例表明，這些優化措施能有效提升系統性能和可靠性，降低維護成本。未來，隨著技術的進一步發展，建筑電氣自動化領域將迎來更多的創新與應用。

參考文獻

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