PLC技术在机械电气控制装置中的应用探究

2022-04-17褚玉峰

消费电子 2022年10期

褚玉峰

引言

近年来，随着我国科技的不断创新，传统技术在机电控制设备的实际应用中暴露出越来越多的问题。在这种情况下，就有必要对机电控制技术进行创新和改进。PLC技术作为领先的机械控制技术，不仅可以有效地提高机械设备的整体控制效率，同时能够极大地提高机械控制装置的自动化水平。

一、PLC 技术的概述

PLC技术，又称可编程逻辑控制器是Programmable Logic Controller的简写，该技术通常以微处理器为基本，并且加入了计算机技术、现代通信科技、互联网技术以及自动控制技术等在内的某种先进控制系统设备。PLC技术来源于20世纪70年代，并第一次成功地被运用到了汽车工业当中。后来由于信息技术的进步，PLC技术的计算能力、处理速度及其各种控制系统功能也不断地提高和优化，并被广泛运用到电气设备自动化控制领域当中，进而逐渐形成统一的模式。而现如今，PLC技术应用发展中最重要的有FCS总线控制器和DCS集散控制器这两种型式。笔者认为，PLC技术发展在未来必定会向着开放性的全分布式系统的走向蓬勃发展。

二、机械电气研究现状

由于计算机技术的发展，计算机控制技术也逐渐被运用在了制造业领域当中，工业控制计算机也应运而生，其技术水平、产品质量和应用价值都大大提高。90年代后期，我国自动化技术发展又面临着第三次巨大的跨越。前两次的科技跨越，依次是微电子技术为基础的以模拟信号为首的电子设备和自动化仪表盘等，和由计算机高速计算所组成的以I/O功能模块为首的大型管理系统等。而第三个飞跃则是以现场总线技术的出现和发展为标志，将以现代计算机技术、数据通信与控制技术融合为基础的新系统。在这种系统的发展中，可编程控制器（PLC）也应运而生。起源于70年代初，并成功地在汽车制造业中广泛投入使用；到了90年代，由于PLC的处理速度、计算与测控等功能的不断商品化，使其不断地向着电子—仪器—计算机控制一体化方向前进。在如今，以PLC为基本的PID回路控制系统，也普遍使用在电子产品的连续制造和小批量生产的流程中。而且，采用了PLC技术的DCS控制器也在越来越多的领域得到了应用。PLC由CPU、内存、I/O输入输出端口（输入输出接口、外围设备端口、扩展槽等）、外部设备编程器和开关电源等构成。连接控制器总线、供电总线通道、位置总线通道和数据信息总线通道，PLC内部单元可以构成一台整机。在外部，则按照控制对象选择设备并选用相应的控制策略组成了一套整体的PLC控制器结构。而PLC则根据内部结构又可以分成固定式和模块式两类[1]。

三、在机械电气控制装置中PLC技术的类型

可编程逻辑控制器（PLC）是一种特殊的工业生产控制器，通过数字化操作系统。PLC技术是当前自动化相关技术分析和实践环节中运用比较重要的一类技术方法，这类可编程的控制设备在多方面均可以表现出有利的作用价值。由于PLC控制系统采取了模组形式，内部结构紧密，控制系统配置灵活多样，抗扰动力量强、可信度强、程序设计语句简单易读、柔性好、错误后能够在线修正等优势，广泛应用于开关逻辑控制系统、机器自动数字控制、机器人控制系统、负反馈控制系统、多级自动控制器等。近年来，在煤炭开采机械、冶金机械设备等重型工业生产机械设备中，PLC技术逐步取代了传统的继电器触发器控制系统，并获得了不错的效益。而PLC技术在工业产品制造中的广泛应用则以DCS（集散控制系统）和现场控制系统（FCS）为主。

（一）集散控制系统

DCS主要用于控制风险分散、显示集成和管理。它主要利用信息技术、自动控制技术和通信技术，通过特定的网络与生产部门的监控主站和监控站互连，进行整体分配和集中管理。DCS的基本体系结构主要包括三个重要组成部分：通信总线、显示装置和控制系统。通信总线具有桥梁功能，并且联络起了控制部分和显示部分。它的原则是“信息集中、危险分散”，即使信号也高度集中化，并且对设备制造整个过程中的质量管理也加以完善。

（二）现场总线控制

FCS控制系统是一个通信网络，它与智能现场设备、数字式、双面传送、多分支架构互连，并支援多节点、总线型、双向的全数字通信。FCS主要由低层infranet网、监控节点、现场环境等部分所构成，形成了一种全新的分布式网络结构系统。现如今，FCS在制造业及智能化等应用领域也受到了更多的重视。

四、PLC技术在机械电气控制装置中的应用价值

（一）促使机械电气控制装置的功能多样化

PLC技术在机械电气控制装置中的使用，可以通过对机械电气控制装置有关命令的编制来操控机械设备，并根据相应的命令手动操作。同时，PLC技术的可编程控制器也主要分为数据采集与程序控制二部分，它主要是通过对有关文字信号、图形信息和所显示的数据等进行收集，进而对所收集到的信号加以处理和加工，最后再将已处理好的数据结果显示在机械电子操控装置的屏幕上，以便于管理员对机器的管理。另外，利用PLC技术还可以对机器工作过程中产生的异常情况进行监测与告警，以此确保自身控制系统的安全性和电气控制装置的安全性，从而给公司经营创造了巨大的效益，为公司固定资产的生产安全提供了重要保证。

（二）简化机械电气控制装置的操作过程

PLC是一个可编程的控制系统，而将PLC技术运用到机械电气控制装置中，有关技术人员能够通过编辑命令来控制设备的运行，因此大大降低了人员生产成本，为有关技术人员的生命安全和财产安全提供了良好保障。总的来说，有关技术人员在对机械电气控制装置实施作业的过程中，只要求根据PLC产生的命令完成相应的动作，大大减轻了工作难度，简化人为完成设备动作的复杂性，进而大大提高机械电气控制装置的工作质量，不断推动了制造工艺与生产力的发展，并推动机械行业的长久发展[2]。

五、PLC技术在机械电气控制装置中的应用

（一） PLC技术在机械设备控制系统中的应用

对于机械设备的控制系统大致包括了集中式控制系统和分散式控制系统两类，以下将分别对PLC技术在这两类控制系统中的广泛运用情况进行了剖析：首先，由于PLC技术在集约型控制系统中的广泛运用，使得集中式控制系统包括功能较强的PLC中央控制系统以及其他的各类设备，而且它还能够利用设备内部的合理程序及其适当的组合方法对特定程序加以管理，具有较高的运行效率。但此控制系统如果出现了故障问题，就应该马上终止此控制系统的整体工作，从而防止它对整个制造流程造成的直接危害；其次，PLC技术在分散式控制系统中的运用。由于分散式控制系统在工作流程中，往往要求将多种不同生产线组合起来并实现合理的数据衔接，从而要通过多个机器对生产线实现有效管理，而将PLC技术运用在其中可以使得每一种管理对象被不同的PLC技术进行有效管理，同时PLC技术还可以直接结合某些信息通过实时传递系统网络内部之间的连锁反应，以便实现有效分散控制工作。

电气控制装置是电气自动化系统的主要部分。有众多复杂的设备和控制系统。由于传统电气控制装置灵敏度较低、运行过程繁琐、智能程度较低，它给电气系统的控制带来了很大的压力。PLC技术广泛应用于电气控制装置中，可以有效克服了中国传统电气控制装置中存在问题。通过PLC技术在电气控制装置中的广泛应用，基本完成了对电气自动化系统的全过程数字监控，大大地提高了电气自动化系统的整体性能。同时由于PLC技术与电子计算机的发展与运用，电气机械自动化水平也获得了明显提升。以全方位、多功能、高度智能的自动化电气控制设备，代替了中国传统、简单、设备落后的中国传统自动化电气控制设备。PLC工艺技术中的DCS架构完成了对电气自动化系统的现场监测与流程管理，大大提升了电气自动化系统的技术水平。通过PLC工艺技术管理数字化、信息化电气系统，完成了设备和控制系统的高度集中管理与监控，有效缩短了运行流程，提升了工作效能。

（二）PLC技术在顺序控制中的应用

电气自动化系统的工作时间将越来越多，所以其效率变动也将会越来越大，这将会影响到运营制造流程的经济性，但是采用适当的方式实现顺序控制就能够很好地改变这一情况。在当前的家电智能化控制过程中，所谓顺序控制技术具体是指采用逐步调节控制器的组合开关量。而PLC技术则主要是指采用进一步的优化传统继电器控制单元，来逐步的提高控制器的顺序特性和灵敏度。另外，其还能够使得智能化装置控制的单元更加模块化，并以此来实现在整个工作过程中对智能设备的单元控制，这样就能够在很大程度上降低由于控制器顺序紊乱而导致装置控制质量差所产生的各种差异状况。如在人机接口中的远程IQ站和主站层的控制系统构建过程中科学而有效地采用PLC技术，另外还可以利用现场传感器装置来实现对监控站点的合理优化，进而利用集控室中的PLC控制系统来实现对电气自动化装置的合理调节等。这不但可以极大地提高系统整体的管理效能，而且系统运行起来也是相当简单。

（三）PLC技术在开关量控制中的应用

要想将PLC技术在各类机电操控设备中的运用作用最大程度发挥出来，就必须充分了解开关量控制这一要素。但是，因为这个方法有很多使用点，它的连接操作也相当复杂，同时，它的运行稳定性和可靠性也很容易受到外部环境条件的限制，因此上述问题不但影响到其工作效果，同时还限制着其技术的进一步发展。所以，在积极开展电气自动化控制系统工作中继电器的改造与优化十分有必要，并由此来有效降低控制系统操作过程中出现故障的概率。具体可以通过PLC开关量控制来加以处理，这样就可以很好地提高电气自动化控制系统的工作品质。另外，通过这种技术的应用还可以实现对整个控制系统的集中管理，并且可以在系统实际工作的时候进一步完善这些有问题的部件，从而更有效地保证自动管理系统使用效果的提高。例如把PLC设备控制技术有效地运用到运输系统中，里面的每一个带式输送机都通过两个电动机来供给能量，这样的话整个控制系统的总运送量就可以超过400t/h。如果使用开关量来实现控制，那么首先就需要开启排列在最后的那台带式输送机，之后再严格依照次序来将机组开启，在运送工作完成以后，再通过合理地使用控制开关量依次将机组关闭，这样就可以在极大程度上提高了运送工作时的控制效果，同时操控起来也是非常的简单。

（四）在智能控制系统中的应用

PLC技术具有可靠性高、抗干扰能力强、逻辑控制功能强等特点，能很好地适应恶劣的环境。因此，将PLC技术应用到智能控制系统中，可以不断提高系统的控制功能，从工业生产现场收集完整的资料，加强对项目现场的控制。由于采用了差分接收、半双工、均衡传输等通信方式，有效地控制了共模干扰问题，一对双绞线就可以完成多站组网工作，有效地减少了工业现场布线任务的工作量，更大程度节约了生产成本。

（五）空气压缩机中PLC技术的应用

当前，采用传统的单片机实现机械控制的通用功能会增加工业机械电气控制装置受到影响的概率，导致工业机械电气控制系统的生产效率降低。另外，传统的机械式空压机在很多方面都达不到相关标准，因此存在着很大的风险。而PLC工艺技术，作为一门新兴的工业机械电器装置控制技术，有着相当大的优越性，因此将它运用到空气压缩机中，也是必然趋势。一般PLC工艺技术的空气压缩机都是利用微机控制和手动控制，针对煤炭制造作业中的实际状况对空气压缩机加以调节，以便于达到安全、平稳、有效、规范的操作。其中，微机控制可以直接从生产中获取温度、气压变送器、断水装置等电子设备的工作信号，并将其送入CPU中进行数据处理，经处理后的数据处理信号便可以反映生产工作的实际情况，随后再产生与其相对应的指令，使手动空中控制器可以根据指示实现对空气压缩机的调节与优化，从而大大提高了空压机的工作效率。与传统的单片机相比，它的灵活性和有效性更强，因此可以有效地提高空压机的使用性能。

（六）对原理图进行分析

原理图对PLC技术在机电控制装置中的应用具有指导作用。通过PLC技术可以指导整个机电控制系统的发展趋势。因此，为了将PLC技术应用到电气控制装置中，有必要对原理图进行检查和分析，使其只有在原理图没有错误的情况下才能投入运行和实施。对于原理图的分析，我们可以从以下几个方面入手：首先，在电路原理图中标出最基本的电气设备。例如，在原理图中应将电机的位置作明显的标记，以清楚地显示电路的基本情况，从而达到保护电路的目的，不断提高系统的控制能力；其次，在设计原理图的过程中，要结合机电控制装置的结构，了解控制装置的工作原理和类型，从而设计出与电气控制装置相匹配的PLC技术原理图；第三，根据原理图对设计电路进行检查，及时发现并纠正问题，从而提高电路原理图设计的合理性。同时，相关人员还应识别电路环节，明确电路保护装置和控制器具，避免相关人员在实际机电操作过程中找不到相应装置而造成不必要的损失[3]。

六、合理化运用PLC技术的方式

为了实现该技术的合理应用，必须进行准确的控制和分析，以避免相关因素的不利影响。首先要合理选择设备和控制系统，并与相关软硬件设备进行匹配，减少干扰。由于市场上使用的PLC设备丰富多样，为了实现准确的分析和应用，需要在一定程度上考虑应用环境和条件。其次，要防止外部信号入侵，保护IO信号。这种干扰的实际范围应小于电源干扰，但也应引起相关部门的重视，提高设备的实际抗干扰能力，加强信号滤波处理，科学安排信号传输方式，降低干扰强度。