电气自动化控制中的PLC技术应用分析

朱中原

摘 要：PLC技术因为新技术不断融入，功能也在不断的趋于完善，在电气自动化自动控制中PLC的应用也是越来越广泛。随着PLC技术网络功能和通讯功能的增强，其在电气自动化控制系统中的整体功能也得到了加强，同时也提高了其在整个电气自动控制系统中的控制效率及准确度，并确保了它在各类电气自动控制系统在具体应用中可以满足社会各领域的实际需求。本文笔者对PLC技术在电气工程自动化控制中的应用进行了分析和探讨。

关键词：自动化控制； 通讯技术； 控制技术； PLC控制技术； 网络化

1.概述

PLC是一种数字运算操作的电子系统，其采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并利用数字式、模拟式的输入和输出硬件设备进行电气用电设备运行数据采集、控制。基于PLC通信技术的发展使得PLC相互之间、与上位计算机、与其他智能设备间的通信变得更加容易，通过通信转接器相连构成网络，实现信息的交换，并且还可以构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足了全厂生产自动化的要求，同时具备了灵活性。

2.PLC工作原理

PLC采用的是“顺序扫描，不断循环”的工作方式。即在每次扫描过程中，集中对输入信号进行采样、对输出信号进行刷新。输入刷新过程为：当输入端口关闭，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入；只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短与CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间、指令条数有关，由于采用集中采样，集中输出的方式，所以存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。对于要求输入输出信号之间的滞后时间较短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取中断等措施。

3.PLC技术在电气自动化控制工程中的应用

3.1 PLC控制统在污水处理工程中的典型应用

为保证污水处理过程的安全、可靠和生产的连续性，提高污水处理厂的自动化水平，控制系统采用的是基于PLC技术的数据采集和监控系统。依据工艺设计要求，污水处理厂控制系统由厂级控制的上位机管理控制系统、现场控制站、远程I/O站、现场仪表及执行机构组成。本系统集控制、数据采集功能为一体，完成整个污水处理工程的过程控制、工艺流程画面显示、设备运行状态的监测及故障报警。本PLC控制系统的基础组成详见下面描述：

a.PLC控制系统硬件结构为三层

（1）现场层：在预处理池、生物处理池、臭氧处理车间及HI-SOT池分别设置远程 I/O站，接收各自区域内的压力、温度、流量、液位、分析测量仪表的测量参数，并由相应分站 PLC 控制系统控制各自区域内工艺设备的运行、提供状态显示；与各自区域内的压力、温度、流量、液位、分析测量仪表和执行机构等共同构成现场层。

（2）分站控制层：在预处理系统车间、生物处理系统、鼓风机房、污泥处理间、脱盐水处理间、蒸发结晶车间各设置一个现场 PLC 控制站。

（3）厂级管理层：主要由数据服务器、工程师站、操作员站构成；通过各分站 PLC 在上位机上对现场工艺设备实施运行、故障状态监视、数据采集，并为厂级管理者提供数据管理平台。

b.PLC控制系统的网络结构

污水处理过程通常由许多控制任务组成，这些控制任务既具有相对独立性同时又需要和其他任务进行联系，才能满足整个工艺流程需要。这时候我们就要考虑进行合理的网络化配置。例如污水处理厂都是采用两级网络，第一级采用冗余的以太网，负责控制室与现场主控制站的通信连接，采用冗余网络是因为其可靠性较高。采用以太网的主要原因是用户对以太网相对熟悉，易于被接受。目前污水处理项目厂级管理系统都采用以太网直接连接，同时对于更上一级的数据采集也容易。第二级是采用RS-485接口的各现场总线通信方式来连接远程I/O站和现场总线仪表。采用现场总线连接的优点是比传统硬接线方式电缆减少、安装辅材、设计、安装、调试、维护费用都大幅减少，使工程的综合成本减少。

3.2主要控制功能

（1）污水处理系统中对于模拟量的控制：PLC利用模/数（A/D）转换和数/模（D/A）转换功能，能完成对模拟量的检测、控制和调节。在模拟量闭环控制系统中，被控量（例如压力、液位、流量、温度、转速等）是连续变化的模量，执行机构（如变频器、调节阀等）要求PLC输出模拟量信号。由于PLC的CPU只能處理数字量信号，被控量首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准电流或电压信号，在PLC内部利用模/数（A/D）转换为数字量。例如在液位恒值的控制系统中，用液位变送器检测水池的液位，用变频调速的水泵控制进水量、用调节阀调节阀门出水量，PLC就是将采集的液位变送器的标准电流信号在内部转换后得到和液位成比例的数字量，CPU将采集到的数值与目标设定值进行比较，并按照相应的算法（例如PID控制算法）对误差值进行运算，将运算后的结果送给模拟量输出模块，经D/A转换模块变成电流信号，控制调节阀的开度和进水泵的转速，实现水池液位的闭环控制。

（2）污水处理系统中对于开关量的逻辑控制：开关量控制是PLC的常用功能也是PLC的优势，PLC设置了与（AND）、或（OR）、非（NOT）等逻辑指令，能取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制，例如利用液位开关实现对电动机的自动启停控制。PLC接收到液位开关高液位开关量，电动机无故障且在远程状态，那么电动机就可以自动启动了，反之收到低液位状态就停止电动机，这就是最简单的单机开关量控制，无需人工去观察液位状态便可实现电动机的自动控制。

（3）顺序控制：在污水处理系统的脱盐水处理间的多介质、超滤、反渗透工艺设备中就是利用PLC的顺序控制对各设备的动作步序来实现这些工艺设备的产水、反洗、排水、药洗等自动化控制的。

（4）监控功能：PLC能对电动机状态、阀门开关到位的数字量状态显示；对压力、液位、流量、温度等模拟量显示；对工艺流程动态画面显示；对系统异常情况进行识别、记忆，或在发生异常时自动终止运行并发出报警信号，操作员可以通过监控命令监视有关部分的运行状态，调整参数设置。

4.PLC发展趋势

PLC随着新技术、新装置的产生，不断的将这些新技术、新装置融入其中，推陈出新。未来的PLC发展应该会按如下几个方面发展：

（1）高可靠性化。对于一些特定的环境和条件会对自动化系统的可靠性要求很高，故自诊断技术、冗余技术、容错技术在PLC中得到了非常广泛的应用。

（2）大容量化、高速化。今后的PLC发展存储容量将更大、处理速度更快。

（3）网络化、现场总线化。未来的PLC发展将会强化网络化和通讯能力，PLC在网络化和通讯能力的加强会是使其能更好适应现代工业生产规模大、控制复杂、被控对象分布比较分散生产环境；也使多台PLC、远程I/O站及其他控制器在分区控制及同工业计算机、以太网相连组成全厂的自动控制系统变得方便。

5.结束语

总之，电气工程自动化控制PLC技术的应用具有较强的安全可靠性，实用功能比较强，被广泛的应用在电气工程自动化行业，PLC技术也在不断的发展进步中，在未来的发展上，不仅会更好的应用在电气工程自动化控制方面，还会应用在各个领域，发挥其独特的优势。

参考文献：

[1]电气传动自动化技术手册.机械工业出版社 .2011.4

[2]朱光胜.浅析PLC技术在电气工程自动化控制中的应用[J].科技创新与应用，2016（24）：137.