浅谈电气工程自动化技术的应用

兰州工业学院 秦 雯

一、电气工程的自动化管理控制概述

随着自动化技术的飞速发展，电气工程控制系统也日新月异，成为引起人们很大兴趣的一个领域。它的研究目标是用机器，通常为传动控制系统、电脑等，尽可能地代替人的体力活动，并且争取在这些方面最终改善并超出人的能力，其研究领域及应用范围十分广泛。例如人工智能、PLC控制系统、智能机器人等等。早期电气控制应用都是以继电器作为自动控制系统。随着时代的发展，科技产品也开始讲求便利化，在追求高效率的时代，众多产品都趋于自动化，而现代机械功能的精密度越来越高，取而代之的就是现在最广泛使用的PLC可编程控制器。可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，简称PLC。在60年代，电气设备生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时电气设备的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，电气设备型号更新的周期越来越短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，1969年美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，并在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。可编程控制器简称PLC，其特色为可利用软件程序来取代传统电气控制的配线工作，直接把控制电路的阶梯图(Ladder diagram)转换成PLC程序，键入可编程控制器内即可执行，省去了配线的麻烦，并在侦错、更改设计上能够更加方便，并且更有弹性。

二、电气工程自动化控制的技术构成

(一)PLC技术的创新应用趋势

自PLC可编程逻辑控制器做为电气工程控制核心以来，稳定度及系统有效率大为提升，随着机器设备的精细化，PLC也随着软硬件的改变可以设计出更复杂的机电整合系统，系统的复杂程度往往不是过去所能相比拟的，一但系统发生故障就是原始设计人员也要耗费一段时间来进行修护工作，而如何在最短的时间内发现故障原因并且立刻维修完成，迅速恢复设备正常运转，已是目前大多数第一线维修人员面对复杂的机电整合控制中最大的挑战。利用传统电路、程序分析及临场反应虽可在现场完成故障排除，对一个正在商业运转的自动化电气设备所耗掉时间成本也相当可观，如果故障情况轻微又碰上人力吃紧就会降低整个维修品质，也容易造成维护人员疲于奔命。工厂内自动化电气设备常常关系到生产成本及出货时间的准确性，工厂管理者对电气设备的妥善率自然会较为重视，尤其在发生故障时会要求维修人员在最短的时间内完修并加入生产行列，因此一套有效的监控系统除了提供运转状态即时监控外；还必须能提供故障维修建议、运转时数等达到损害预防及快速恢复系统运转功能。

(二)PLC控制器的设备构成

PLC(Programmable Logic Controller)为可编程控制器，是一种可以将外部控制指令随时载入储存器内储存与执行，并且具有微处理功能的数字电子设备。PLC内部是由CPU、储存器、输入界面、输出界面以及电源供应模块、指令载入模块、输入模块、输出模块等单元组合而成。系统汇流排将CPU、储存器、输入、输出界面连接在一起，且输入模块、输出模块、指令载入、载出模块也通过输入、输出界面，与系统汇流排连接。应用模块化设计所生产的PLC，可以使用嵌入式方式，将所需的个别模块予以组合使用，扩充性比价好，用途广泛。PLC各单元的功能如下。一是CPU(中央处理器)，其内部包含CU、ALU、暂存器三大部分。其中的指令解码器是负责将储存在储存器内的程序指令解码成控制信号，来决定各单元模块的工作状态，属于PLC的总指挥。而算数及逻辑运算单元(ALU)专门负责“加、减、乘、除”的算术运算及“AND、OR、NOT”等逻辑运算。暂存器是CPU内部的储存器，可以暂时存放运算的结果，等待下一次运算。二是储存器，一般的RAM或EEPROM，是存放程序指令及资料的地方。三是输入、输出界面，其属于输入模块、输出模块、指令载入、载出模块与系统汇流排的连接元件。各单元如下：输入模块来连结输入元件，例如：按钮开关、极限开关、SENSOR等；可获取输入元件的动作信号，经由输入界面送入储存器内，提供CPU处理使用的电路。输出模块是用来连结输出元件，例如：电磁阀、指示灯、电磁开关等；将资料汇流排的内容经由输出界面送出后，以输出模块来驱动输出元件。指令载出、载入模块可将程序指令在PLC的储存器与书写器或电脑之间相互传输。由内部使用差动放大模式的通信界面，能消除杂讯干扰，提高传输距离。因此，若以电脑为程序编辑工具，必须通过RS-232与RS-422的转换器才能顺利传送资料。

三、电气工程自动化管理的PLC技术应用的对策建议

PLC系统导入的不只是狭义的新技术应用，而是一种全新的分工合作及服务导向的概念。电气工程在引进PLC系统时，必须先行考量企业本身及与其合作的相关单位的信息应用成熟度是否成熟到可以在该架构一起使用此信息技术。

(一)分层次构建PLC系统的构架

第一层：实体层(Physical Layer)。不同的介质有不同的特性，所以0与1的数字资料在传送之前，可能会经过转换，将数字资料转换成光脉冲或电脉冲以便于传输，这些转换及传输工作便是由实体层负责。第二层：链结层(Data Link Layer)。链结层协定会在传送资料时，同时进行连线同步化，使传送与接收双方达到同步，并确保资料传送的正确性。链结层另一个功能“侦错”，当接收端收到资料后会先检查资料的正确性，检查错误的方法有许多种最常用的方法是传送端对于即将送出的资料，先经过特殊演算法产生一个CRC(Cyclic Redundancy Check)码，并将CRC码同资料一起传送出去，接收端收到资料后执行同样的演算法，并得到CRC码。将这个CRC码与资料内的CRC码做比较便可得知资料在传送时是否完整无误。第三层：网络层(Network Layer)。网络上成千上万的用户，如何将资料正确的传送到对方的电脑中，就必须依靠网络装置独一无二的位址，网络层在这里就扮演定址及传送路径选择功能的角色。第四层：传输层(Transport Layer)。将传送资料切成一小段一小段的资料，并加以制订每段资料的先后顺序序号，以便于接收端在重组资料时的依据。传输层另一功能为控制资料流量，当网络传输资料堵塞时，此时传输层便通知传送端要求停止传送资料，待网络顺畅后再通知传送端继续传送资料。第五层：会议层(Session Layer)。会议层主要负责双方网络正式传输前的所遵循的规则，如使用全双工或半双工模式、如何开始及如何结束或是参数的传输等。第六层：表达层(Presentation Layer)。由于接收到的资料为传送端的内码，因此有可能与接收端的内码定义不同，会发生传送资暸与接收器显示资料不同，因此表达层是将接收来的资料转换成与系统相同的内码定义，现今大多数电脑是以ASCII(American Standard Code for Information Intercjange)但早期也有使用EBCDIC(Extended Binary Coded Decimal Interchanage Code)，于是这两者间的电脑通讯就会发生不兼容的现象。表达层还具有压缩及解压缩、加密与解密的功能，压缩及解压缩可以使资料缩小并加快传输，加密及解密则可保障资料在传输的过程中安全。第七层：应用层(Application Layer)。第七层直接提供档案的传输(FTP)、电子邮件(e-Mail)、网页浏览(WWW)等服务，在这一层执行大多是成套的应用程序。

(二)构建多元化的标准

一是电气工程生命周期信息标准化，信息得以共享利用，有效减少信息重复建置的情形，并提供开发电气工程相关产业电脑应用软件的基础环境，全面提升产业信息化程度；二是借助信息基础电气工程刺激市场机制，带动电气工程相关产业信息化作业流程改造，提升产业竞争力、促进产业升级；三是建立一个公开、透明的工作环境，提供整合共享资料库及标准交换界面，使工程信息得以互通共享，降低工程成本；四是经由报表及标准界面整合，避免厂商必须针对不同业主开发不同的管理及维护软件的弊端，以降低厂商经营成本；五是经由电子投招标系统，节省文件制作相关费及厂商交通往返投标所耗费的成本。总体而言，就电气工程行业的特征来看，电气工程从规划、设计、施工、营运及管理维护等方面的专业分工界面多且复杂，若不能有效通过信息化与标准化来整合并管理生命周期中的各种工程信息，易造成各工程单位各行其是、信息重复建置、浪费资源、降低效率、进而影响工程品质。企业规模相对于其他产业信息化的程度较低，内部信息人才及设备均呈现出不足的状况，对信息技术、网络的了解与普及程度较低。因此，为使利用信息水平提升，加强产业竞争力及提升工程品质，建构完整的电气工程行业信息化系统，来强化推动电气工程产业信息化及信息化的能力，是一项刻不容缓的工作。

(三)考虑与原有电气工程信息系统元件的整合性

在电气工程自动化管理控制中，用户端的系统程序与服务提供者的应用服务器之间必须能够以PLC系统标准作沟通，彼此都可以用网络技术格式的网络信息技术信息来包装要传递的信息与资料，同时也要能解读其所收到的信息封包。但因PLC系统服务元件的引用及呼叫程序可能会因开发环境、工具软件及使用作业平台的不同而出现整合上的问题，这方面的问题须特别注意。目前PLC系统在实际应用上的实例仍未有完整的测试及使用经验，因此有很多在安全性及服务元件使用性上的问题并没有充分的使用经验资料可供参考。信息服务厂商仍专注在技术整合的工作，以求让各个平台上的PLC系统的服务元件能够顺利地的互相沟通运作。因此，企业在选择PLC系统的开发环境平台或是决定将PLC系统的技术导入电气工程PLC系统时，除了考量本身技术开发的成熟度外，还需考量这样的高新技术与目前PLC系统整合的困难为何。

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