基于PLC控制技術(shù)的電氣設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：隨著科技不斷進(jìn)步，可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制技術(shù)在電氣設(shè)備系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。介紹了PLC 控制技術(shù)的基本定義、分類及特點(diǎn)，探討了其在電氣設(shè)備系統(tǒng)中的優(yōu)化方案，包括故障診斷技術(shù)、輸入/ 輸出電路規(guī)劃及模型板塊選擇等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并開展了設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，基于PLC 控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠顯著提高電氣設(shè)備系統(tǒng)的性能，降低諧波含量，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器（PLC）控制技術(shù)；電氣設(shè)備系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；能源效率

中圖分類號(hào)：TP273；TM76；TN0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，可編程邏輯控制器（programmable logiccontroller， PLC）控制技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，控制策略更加先進(jìn)，使得PLC 控制技術(shù)在電氣設(shè)備系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平不斷提高[2]。本文基于現(xiàn)有電氣設(shè)備系統(tǒng)中存在的問題，提出利用PLC 控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)考慮了電力電子器件的應(yīng)用、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其散熱性能和電磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）等方面。

1 PLC控制技術(shù)概述

1.1 基本定義

PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入/ 輸出（input/output，I/O）來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程[3]。

1.2 常見的PLC 分類

PLC 按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和模塊式兩種。整體式PLC 將所有部件集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，但擴(kuò)展性較差；模塊式PLC 將各個(gè)部件分成獨(dú)立的模塊，根據(jù)需要進(jìn)行組合，擴(kuò)展性強(qiáng)，但價(jià)格較高。按I/O 點(diǎn)數(shù)分類，可分為小型、中型和大型PLC。小型PLC I/O 點(diǎn)數(shù)較少，一般在256 點(diǎn)以下，適用于小型控制系統(tǒng)；中型PLCI/O 點(diǎn)數(shù)在256 ～ 1 024 點(diǎn)，適用于中型控制系統(tǒng)；大型PLC I/O 點(diǎn)數(shù)在1 024 點(diǎn)以上，適用于大型控制系統(tǒng)。按功能分類，可分為低檔、中檔和高檔PLC。低檔PLC 主要具有邏輯控制功能；中檔PLC除了具有邏輯控制功能外，還具有模擬量控制功能；高檔PLC 則具有更強(qiáng)大的功能，如運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信等。

1.3 PLC 控制技術(shù)的特點(diǎn)

PLC 控制技術(shù)具有可靠性高、編程簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)[4]。PLC 控制技術(shù)采用了多種抗干擾措施，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定工作。它的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易懂，易于學(xué)習(xí)和掌握。該技術(shù)還可以根據(jù)不同的控制需求，靈活地修改用戶程序，適應(yīng)各種復(fù)雜的控制任務(wù)。此外，PLC 控制技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還能實(shí)現(xiàn)模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)

電氣設(shè)備系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，確定系統(tǒng)的控制流程。確定需要控制的控制器傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備，以及它們之間的邏輯關(guān)系。輸入電路的規(guī)劃需要考慮輸入信號(hào)的類型、數(shù)量和電壓等級(jí)等因素。一般來(lái)說(shuō)，輸入信號(hào)分為數(shù)字量輸入（digital input，DI）和模擬量輸入（analog input，AI）兩種。DI 信號(hào)包括開關(guān)信號(hào)、按鈕信號(hào)等；AI 信號(hào)包括溫度信號(hào)、壓力信號(hào)等。在規(guī)劃輸入電路時(shí)，需要根據(jù)輸入信號(hào)的類型和數(shù)量選擇合適的輸入模塊，并確定輸入模塊接線方式。對(duì)于DI 信號(hào)，選擇DI 模塊，將開關(guān)信號(hào)、按鈕信號(hào)等連接到模塊輸入端。在規(guī)劃輸出電路時(shí)，需根據(jù)輸出信號(hào)的類型和數(shù)量選擇合適的輸出模塊，并確定輸出模塊的接線方式。對(duì)于數(shù)字量輸出（digital output，DO）信號(hào)，選擇繼電器輸出模塊或晶體管輸出模塊，將輸出信號(hào)連接到執(zhí)行器輸入端，如電機(jī)、氣缸、閥門等。

在選擇I/O 模型板塊時(shí)，需要考慮PLC的型號(hào)、I/O 點(diǎn)數(shù)、信號(hào)類型等因素。同時(shí)，還需要考慮模型板塊的可靠性、穩(wěn)定性和性價(jià)比等因素。對(duì)于小型控制系統(tǒng)，優(yōu)先選擇I/O 點(diǎn)數(shù)較少的模型板塊；對(duì)于大型控制系統(tǒng)，需要選擇I/O 點(diǎn)數(shù)較多、性能穩(wěn)定的模型板塊，以滿足系統(tǒng)的需求。

3 基于PLC控制技術(shù)的電氣設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 PLC 故障診斷技術(shù)

在現(xiàn)代電氣設(shè)備系統(tǒng)中，PLC 故障診斷技術(shù)的運(yùn)用顯得尤為重要。通過(guò)智能化技術(shù)構(gòu)建高效的故障診斷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將其與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差時(shí)，故障診斷系統(tǒng)能夠迅速識(shí)別問題并進(jìn)行原因分析。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，常見的故障診斷技術(shù)結(jié)合了實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠及時(shí)上傳和檢測(cè)故障數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和處理[5]。

3.2 輸入電路規(guī)劃方法

在結(jié)合PLC 控制技術(shù)的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，輸入電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一般而言，自動(dòng)化系統(tǒng)供電電源范圍為交流（alternating current，AC）85 ～ 240 V，設(shè)計(jì)時(shí)需確保電源具有廣泛適用性。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，輸入電路中應(yīng)增加隔離變壓器或電源濾波器等凈化元件。其中，隔離變壓器的設(shè)計(jì)基于雙隔離技術(shù)，其次級(jí)線圈的屏蔽層應(yīng)連接到PLC 的輸入電路，以防止高低頻干擾對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在電源負(fù)載情況下，需提前計(jì)算輸入電路的功率，并將其設(shè)定為該功率的2 倍。此外，熔絲的安裝也是必要的，它可以有效保護(hù)電源裝置的安全。

3.3 輸出電路設(shè)計(jì)方案

在PLC 自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，輸出電路的設(shè)計(jì)同樣重要。根據(jù)系統(tǒng)輸入效率，選擇合適的輸出設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)的輸入效率低于6 次/min 時(shí)，建議使用繼電器作為輸出設(shè)備；而對(duì)于高頻輸出的PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，則應(yīng)優(yōu)先考慮使用晶體管進(jìn)行輸出。對(duì)于PLC 自帶的電磁線圈類型，需注意感性負(fù)載在斷電后可能對(duì)PLC 的輸出產(chǎn)生影響。因此，必須將二極管并聯(lián)連接，以吸收多余的電磁線圈負(fù)載，從而確保PLC 正常運(yùn)作。

3.4 I/O 模型板塊的選擇

在PLC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，I/O 模型板塊的選擇應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行劃分。根據(jù)不同劃分依據(jù)將I/O 模塊分為多種類型。輸入模塊和輸出模塊可根據(jù)通道數(shù)目進(jìn)行分類，如2 通道、4 通道、8 通道等，也可以根據(jù)電流或電壓類型進(jìn)行細(xì)分。輸入模塊可包括電流型（如4 ～20 mA、0 ～ 20 mA）、電壓型（ 如0 ～ 10 V、-5 ～ 5 V）以及熱電偶型等；輸出模塊同樣可分為電流型和電壓型，這種類型的精確劃分有助于在實(shí)際應(yīng)用中選擇最合適的模塊，以滿足不同的控制需求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電氣設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如表1 所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后高壓直流輸電系統(tǒng)表現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)。在輸出電壓波形質(zhì)量方面，總諧波失真率明顯降低，波形更加接近正弦波。系統(tǒng)運(yùn)行效率也得到了大幅提升，降低了能源損耗。在可靠性方面，模塊化多電平換流器應(yīng)用和控制系統(tǒng)使得系統(tǒng)在面對(duì)故障時(shí)能夠更加迅速地進(jìn)行處理，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)相比，優(yōu)化后系統(tǒng)在能源效率等方面有了顯著提高，為遠(yuǎn)距離電力傳輸提供了可靠的解決方案。

5 結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，本文探討了PLC 故障診斷技術(shù)，展示了智能化技術(shù)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障處理中的關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)在輸出電壓波形質(zhì)量、系統(tǒng)效率和可靠性方面均有顯著提升。模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，降低了總諧波失真率，還提高了系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能源效率。綜上，PLC控制技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提高電氣設(shè)備系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，有助于推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化向更高效、更智能的方向發(fā)展。未來(lái)研究將進(jìn)一步探索PLC 控制技術(shù)在新興工業(yè)應(yīng)用中的潛力，以及如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的工業(yè)控制挑戰(zhàn)。

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