PLC技術在電氣工程及自動化控制中的應用

【關鍵詞】電氣工程；自動化控制；可編程邏輯控制器

引言

二十世紀六十年代，為應對汽車制造業產線頻繁調整的需求，PLC技術應運而生，逐步取代機械繼電器成為工業控制的中樞神經。其核心在于將邏輯控制指令轉化為可重復執行的程序代碼，通過中央處理器對輸入信號進行實時解析并驅動輸出設備。隨著通信技術與嵌入式系統的融合發展，現代PLC已突破單一邏輯控制功能，集成模擬量處理、運動控制及網絡通信模塊，形成適應復雜工況的解決方案。智能工廠建設浪潮中，PLC技術支撐著從離散制造到流程工業的全鏈條自動化升級，成為提升設備互聯互通水平的關鍵使能技術。

一、PLC技術概述

PLC作為工業自動化領域的核心控制裝置，其本質在于通過預設程序對輸入信號進行邏輯運算并驅動執行機構。中央處理器承擔著解析指令與協調系統運行的核心任務，內部存儲器不僅存儲用戶編制的梯形圖程序，還實時記錄設備運行狀態數據以備故障回溯。輸入輸出接口模塊作為物理層與現場設備的連接樞紐，能夠將傳感器采集的溫度信號轉換為數字量，同時將控制指令轉化為繼電器動作信號驅動電機啟停。系統采用循環掃描工作機制，每個掃描周期依次完成輸入采樣、程序執行與輸出刷新三個階段，確保邏輯運算與設備響應的時序一致。

硬件架構遵循模塊化設計理念。電源模塊為各單元提供穩定電壓，通信接口支持以太網或現場總線協議實現多機聯動，擴展槽允許根據控制需求增配模擬量采集卡或高速計數模塊。編程軟件提供直觀的圖形化編輯界面，工程師可通過拖拽觸點線圈符號構建自鎖互鎖電路，利用功能塊封裝常用算法提升代碼復用率。抗干擾性能得益于光耦隔離技術與金屬屏蔽外殼的組合應用，即使在電弧焊機或變頻器產生的強電磁環境中仍能維持穩定運行狀態。設備維護人員借助在線監測功能可實時查看輸入輸出點狀態，強制置位復位操作便于現場調試時快速驗證執行機構動作邏輯[1]。

二、PLC技術在電氣工程中的應用

（一）在電力系統中的應用

電力系統中部署的PLC裝置通常嵌入變電站綜合自動化框架，實時采集斷路器位置信號與電流互感器二次側數據，依托光纖通信網絡向調度中心上傳設備運行狀態。當監測到母線電壓越限或饋線過載時，邏輯程序自動觸發隔離開關聯鎖邏輯，防止誤操作引發設備損毀。調度自動化平臺整合PLC上傳的負荷曲線與氣象數據，運用模糊算法預測未來兩小時的區域用電需求，動態調整主變分接頭檔位維持電壓合格率。環網柜內的PLC單元通過GOOSE報文實現饋線故障快速定位，與繼電保護裝置協同執行故障區段隔離操作，非故障區域供電恢復時間縮短至毫秒級。在新能源場站并網場景中，PLC根據逆變器輸出功率波動自動切換無功補償模式，抑制諧波含量避免電網電壓畸變。變電站巡檢機器人搭載的微型PLC解析紅外熱成像儀數據，識別刀閘觸頭過熱缺陷并生成檢修工單，替代人工手持測溫槍的定期巡查模式。電力設備制造商為地理信息系統組合電器定制PLC控制柜，預設機械聯鎖邏輯防止帶電操作接地開關，硬接線回路與軟件閉鎖形成雙重防護機制。調試工程師通過人機界面模擬倒閘操作流程，驗證PLC程序邏輯與五防閉鎖規則的兼容性，確保防誤系統在極端工況下的可靠性。

（二）在電氣設備控制中的應用

電動機控制場景中，PLC通過解析編碼器脈沖信號與電流傳感器反饋值，動態調整變頻器輸出頻率以匹配負載變化。當三相異步電機啟動時，軟啟動程序逐步提升電壓幅值避免電流沖擊，過載保護模塊持續監測繞組溫度并觸發分級報警機制。電梯控制系統采用雙PLC冗余架構，轎廂平層定位依靠光電開關與磁柵尺復合檢測，門機驅動回路集成力矩限制功能防止夾傷乘客。智能斷路器控制柜內，PLC根據負荷電流諧波含量切換濾波電容投切策略，故障錄波功能可存儲短路事件前八個周波的波形數據[2]。不同設備類型及其控制功能與應用場景如表1所示。

調試人員使用手持編程器在線修改電梯抱閘控制參數，模擬運行模式下驗證開門延時與稱重傳感器靈敏度匹配度。檢修作業前，維護團隊通過以太網下載電機控制程序備份文件，對比版本差異避免誤操作引發設備停機。智能斷路器控制柜面板上的觸摸屏實時顯示各支路功率因數，歷史事件記錄功能可追溯三個月內的跳閘原因與處理措施。

（三）在照明系統中的應用

PLC技術在照明系統中構建起多節點聯動的控制網絡，光敏傳感器采集的自然光照強度數據經模擬量輸入模塊轉換后觸發調光程序，驅動發光二極管（LightEmitting Diode，LED）驅動器調整脈沖寬度調制信號占空比匹配預設亮度曲線。人體紅外傳感器探測到辦公區人員活動信號時，總線控制器向對應回路的繼電器模塊發送閉合指令，走廊筒燈按區域劃分執行漸亮漸滅操作避免眩光干擾。景觀照明工程中預設的節假日模式自動調用不同場景的燈光組合方案，DMX512協議將PLC與燈光控制器級聯，實現建筑立面投光燈的色彩漸變與動態效果同步。地下車庫采用超聲波車位探測器判斷車輛停放狀態，照明回路依據車輛移動軌跡逐級喚醒燈具，常閉觸點設計使得無車區域維持最低照度節省電能。路燈運維部門通過分組無線業務模塊遠程訪問PLC程序，雨季臨時修改清晨關燈時間參數應對晝夜時長變化，故障自診斷功能識別到鈉燈整流器異常時自動切換至備用光源。控制柜面板的觸摸屏允許物業人員手動覆蓋自動模式，緊急情況下可一鍵激活疏散指示燈的全功率輸出模式[3]。

三、PLC技術在自動化控制中的應用

（一）在工業生產自動化中的應用

工業生產線上部署的PLC系統與機械臂關節編碼器建立實時通信，解析旋轉角度數據后生成脈沖信號控制伺服電機扭矩輸出，使抓取動作精準匹配傳送帶運行速度。當視覺檢測相機識別到工件定位偏差超過允許閾值時，信號處理單元立即觸發急停回路并激活糾偏機構重新調整物料姿態。熱軋車間內布置的分布式輸入/輸出模塊采集輥道溫度信號，通過PROFINET總線將數據流傳輸至主控站，冷卻水閥門開度根據鋼板表面紅外測溫結果動態調節。

噴涂機器人末端執行器的運動軌跡由PLC插補算法生成，氣動調壓閥依據預設涂層厚度自動調節噴槍出料壓力，換色清洗程序在批次切換時同步執行管路吹掃，以防止顏料交叉污染。包裝機械的膜架升降機構接收光電傳感器探測到的物料高度信號，牽引輥速度跟隨PLC計算的膜長需求值實時調整，張力閉環控制有效消除薄膜拉伸變形。設備維護人員使用示教器在線修改搬運機械手的路徑參數，仿真模式驗證避障邏輯后再寫入運行程序，防止實際調試時發生碰撞事故[4]。

（二）在過程自動化中的應用

在石油精煉工藝中，反應釜溫度控制模塊持續接收熱電偶與壓力變送器的多路信號，模糊比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）算法動態修正加熱棒通斷周期，使物料相變過程穩定在工藝窗口內。管道流量調節單元根據密度計與粘度計反饋值自動匹配泵機轉速，針對高含硫介質特性啟用防腐程序調整閥門開合速度減少密封件磨損。蒸餾塔液位監測回路利用差壓傳感器與雷達物位計的雙重校驗機制，當檢測到泡沫干擾導致虛假信號時立即切換至冗余測量通道維持分餾精度。

催化裂化裝置的安全聯鎖系統配置三重表決邏輯，振動探頭捕捉到轉子失衡趨勢后，分級觸發降速指令與緊急泄壓閥組的動作序列。操作員在中控室修改重整裝置進料比例時，參數變更請求需經工藝工程師電子簽名授權才能寫入PLC寄存器，版本追溯功能記錄每次操作的時間戳與人員工號。深夜巡檢期間，維護團隊通過虛擬專用網絡遠程連接焦化單元的PLC程序，上傳運行日志分析壓縮機喘振事件成因，事件觸發前后的模擬量歷史曲線幫助定位儀表風管路的泄漏點。苯乙烯聚合反應階段，夾套水溫控制程序依據分子量在線分析儀數據切換冷卻塔運行模式，防止反應熱積聚引發爆聚事故。

（三）在建筑自動化中的應用

建筑自動化場景中，樓宇自控系統通過分布式PLC架構聯動多個子系統，溫濕度傳感器與二氧化碳濃度探頭實時采集辦公區環境參數，控制柜內的PID算法動態調節新風機組風閥開度，平衡室內外空氣交換效率。地下車庫的一氧化碳探測器觸發濃度超標預警時，排煙風機與誘導風機按預設優先級啟動，通風回路執行頻率斜坡上升策略避免電機啟動電流沖擊配電網絡。玻璃幕墻的遮陽百葉控制系統結合光照強度與太陽方位角數據，步進電機驅動模塊接收PLC脈沖指令并調整葉片角度，午間強光時段自動形成交錯遮光帶降低空調制冷負荷。消防報警主機與PLC建立Modbus通信鏈路，煙感探頭報警信號觸發應急照明強啟指令，疏散通道的LED指示燈切換至高頻閃爍模式，防火卷簾門在收到火警分區信號后執行逐級下降邏輯防止煙囪效應蔓延。物業管理人員在值班室觸摸屏上勾選節假日模式后，泛光照明與景觀噴泉自動調用低功耗運行方案，電梯群控系統將空閑轎廂調度至中間樓層待命減少候梯能耗[5]。

四、PLC技術應用的深化研究與關鍵挑戰

（一）互聯互通性與數據深度利用的挑戰與探索

現代工業環境對設備無縫協同提出嚴苛要求，不同品牌PLC之間的協議壁壘猶如無形的圍墻阻礙著信息高效流動，異構通信網絡導致設備層與上層管理系統間的數據通道充滿坎坷。開放平臺通信統一架構（Open Platform Communication Unified Architecture，OPC UA）標準因其跨平臺兼容特性正逐漸獲得業界共識，將其深度集成至PLC系統架構能夠有效破除信息孤島。進一步研究聚焦于邊緣節點與PLC的功能互補性，鋼鐵企業熱軋產線的實踐表明，當PLC專注處理高速傳感器原始信息流，并交由邊緣服務器執行實時質量評估模型時，算法反饋的軋輥調整指令顯著降低了板材缺陷發生率，這種資源協同模式釋放了傳統控制器的運算潛能。

（二）信息安全風險的凸顯與防護技術的演進

伴隨工業互聯網邊界的擴展，PLC系統從封閉環境走向開放連接使其暴露于新型安全威脅之下，惡意攻擊可能直接擾亂工業生產秩序甚至觸發安全事故。硬件層面整合可信平臺模塊為PLC固件提供了數字身份認證機制，啟動階段的哈希校驗構筑了防御篡改的首道防線，網絡層面工業防火墻需深度解析工控協議的特征流量，構建指令級白名單過濾機制以阻攔異常操作請求。更值得關注的是在邏輯控制層植入輕量級行為審計機制，核電站的工程師們給關鍵控制指令附加權限梯度驗證，任何偏離預設操作路徑的指令序列將被攔截并觸發人工復核流程，這種分層防護體系在電力基礎設施領域逐漸形成標準范式。

（三）復雜性與智能化升級的需求推動

工業場景控制對象的精密化演進要求控制系統突破傳統邏輯處理邊界，多軸伺服系統協同補償、化工反應參數的實時動態調節等場景呼喚更復雜的運算能力。結構化文本語言在算法實現領域正逐漸取代傳統梯形圖的主導地位，其接近高級語言的表達優勢更適合封裝模糊PID等自適應控制模型。某化工裝置通過PLC部署動態補償算法精準應對物料濃度的劇烈波動，有效平滑了批次產品的質量曲線。預測性維護領域呈現出數據閉環優化趨勢，利用PLC采集設備基礎運行參數進行初步特征提取，再交由邊緣計算節點診斷軸承早期磨損跡象，這種分布式處理架構避免了海量原始數據對網絡帶寬的吞噬，使關鍵旋轉機械的故障響應窗口前置至維修黃金時間。

結語

PLC技術憑借硬件標準化與軟件可編程的雙重優勢，有效解決了傳統電氣控制系統擴展性差、維護成本高的痛點。工程實踐表明，在電網調度自動化場景中，PLC可精準執行負荷切換與故障隔離指令；在智能照明系統中，其光感聯動算法可降低能耗冗余。隨著工業互聯網與邊緣計算技術的滲透，PLC系統需強化數據采集精度與協議兼容能力，如在制藥生產線中整合OPC UA協議實現與生產執行系統的無縫對接。面對技術迭代加速，深化PLC與人工智能算法的融合研究，開發具備自診斷功能的智能控制器，將成為突破設備預測性維護瓶頸的重要路徑。

參考文獻：

[1] 吳濤.電氣工程及自動化控制技術在混合動力汽車中的應用[J].汽車知識，2025，25（05）：2830.

[2] 張俊蓮.PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用[J].造紙裝備及材料，2025，54（02）：5557.

[3] 劉勇.PLC技術在電氣工程及其自動化控制中的應用[J].中國設備工程，2025（01）：227229.

[4] 張曉強.PLC技術在電氣設備自動化控制中的應用[J].工程技術研究，2024，9（21）：7678.

[5] 李書奎.PLC技術在電氣工程及自動化控制中的應用[J].電子產品世界，2024，31（11）：5860+64.