探析基于PLC实现的自动化电气控制应用

孟硃岭

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381）

在电气自动化行业，PLC技术的出现使得接触器及继电器逐渐被取代，PLC技术具备可操作性强、维护更新简单以及抗干扰能力强等优势，可以用于恶劣的生产环境中，有助于生产操作人员的安全保障。在自动化电气控制中，PLC技术可以应用于开光量控制、数控系统控制、顺序控制以及闭环控制中，具备较强的适用性。技术人员需要根据实际的生产需求，在自动化电气控制系统中引进PLC技术，提升控制效果，保障生产的有序进行。

1 PLC技术分析

PLC主要是指可编程控制器，具有良好的控制效果。在自动化电气控制中，PLC控制系统是一种全新的全分布控制系统，在应用、维护及拓展方面具有显著的优势。具体而言，PLC在自动化电气控制中的应用有如下优势：

第一，可操作性强。在自动化电气控制中，PLC系统的接口较为简单，和继电器电路图较为相似，技术人员很容易掌握PLC系统的应用流程，更容易在自动化电气控制中落实，只需要了解开关逻辑控制方面的知识，就能够准确操作PLC自动化电气控制系统，具备较强的可操作性，应用方式较为简单。基于可操作性强的特征，PLC自动化电气控制系统可以在电气控制中有广泛的应用，而且其应用范围能够不断拓展，技术人员只需要明确电动机的负载，就可以调整PLC的编写方式，将其应用于电动机的控制中。在这一过程中，电动机负载的计算公式如下：

第二，维护更新简单。在自动化电气控制中，PLC还有显著的维护更新简单的优势。在传统的控制系统中，需要应用到大量的设备外在接线，控制系统的设计与实现的难度较大，系统的建设时间和成本都比较高。而基于PLC实现的自动化电气控制系统，可以有效简化自动化电气控制系统的设计流程，缩短系统的建造时间，系统设备的后续维护更为简单。在实际的生产过程中，如果需要对自动化电气控制系统进行改进，技术人员只需要进行PLC的重新编程即可，具备维护更新简单的优势。

第三，抗干扰能力强。在基于PLC实现的自动化电气控制系统中，需要应用一定的集成电路，这些集成电路具有较强的抗干扰能力，可以在恶劣的环境下运行。与此同时，基于PLC实现的自动化电气控制系统具备自我检测报警功能，一旦自动化电气控制系统出现运行异常，系统程序可以立即报警，从而保障自动化电气控制系统的稳定运行。

2 PLC技术在自动化电气控制中的应用

2.1 应用流程

在自动化电气控制中，PLC的应用涉及到计算机技术、通信技术等多种技术，工作流程相对复杂，主要涉及到以下3个方面。

（1）现场信息的采集与输入。在PLC自动化电气控制系统的应用中，技术人员需要根据软件程序的要求，根据事先编写完成的指令，对控制现场的信息进行全面的扫描，从而保障输入模块数据信息的有效采集与收入。

（2）特定功能指令的输入。为了确保PLC自动化电气控制系统所有功能的有效应用，控制系统会按照技术人员设定的程序进行生产现场的全面扫描，从而准确掌握生产现场的实际状况和电气设备的运行状况，并对相关的数据信息进行计算与分析，明确具体的控制策略。

（3）控制系统信号的输出。PLC自动化电气控制系统在接收到传感器采集的信号，并对其数据信息进行计算与分析后，需要将最终的分析结果传输到自动化电气控制系统的主机中，主机会根据分析结果，向输出部位发送响应的控制信号，实现自动化控制。在上述控制流程完成后，PLC自动化电气控制系统会循环上述步骤，从而进行下一个输入点的控制。在PLC自动化电气控制系统的应用中，控制系统通过多次的重复计算与分析，进行电气设备的控制，以此提升电气设备的控制效率。

2.2 应用内容

（1）开关量控制。通过上述分析可知，在自动化电气控制中，PLC技术具备维护更新简单、抗干扰能力强等优势，可以有效提升控制效率，缩短系统的响应时间。和传统的继电器有所不同，PLC具备自动开关控制。在自动开关控制功能的应用背景下，技术人员能够利用模式方式，实现自动化电气控制系统继电器的虚拟化，可以有效提升继电器控制的响应效率，实现高效的电气控制。与此同时，开关量控制具备较强的可靠性及稳定性，不会对电气设备产生危害。

（2）数控系统控制。在科学技术良好发展的背景下，工业化规模不断扩大，工业生产引进了大量的信息技术，用于提升工业生产水平及工业生产效率。数控技术就是应用较为广泛的技术，为了保障数控技术的有效应用，技术人员需要在数控系统中应用PLC技术，提升数控系统的控制效果，保障其高效生产。在实际的数控系统生产过程中，PLC技术的应用可以使数控系统的生产更具灵活性与柔性。就目前的PLC自动化电气控制系统而言，常用的数控装置有全功能型和单板机式这两种。其中，全功能型数控装置具有更为全面的控制功能，控制效果较为显著，但是装置的应用成本较高，适用性不强；单板机式数控装置具备较强的抗干扰能力，可以妥善解决接口驱动线路中存在的问题，在数控系统中的应用更为广泛。

（3）顺序控制。在实际的自动化电气控制中，PLC应用作为广泛的内容顺序控制。从本质角度而言，顺序控制主要是指对企业生产全过程的远程控制以及协调控制，不仅可以保障企业生产的有序性，还能够降低电气设备的能源损耗，有助于企业经济效益及社会效益的提升。与此同时，在顺序控制中，PLC的应用可以有效避免顺序控制出现错乱，有助于顺序控制质量及有效性的提升，有效缩短了控制系统的响应时间。比如在采矿行业，输煤控制系统就将PLC应用于顺序控制中，该控制系统主要由主站层、远程层以及现场传感器组成，这三部分的协调配合，可以实现输煤系统的远程控制，从而降低煤炭企业的人力资源投入，提升煤炭生产的安全性。

（4）闭环控制。在PLC自动化电气控制系统的应用中，可以应用多种控制方法，如手动现场控制、自动现场控制以及手动控制机旁屏等方法。在此基础上，PLC自动化电气控制系统可以有效控制闭环中的转速，通过对闭环转速的准确测量，进行调节器等生产设备的控制。以手动控制机旁屏这一控制手法为例，技术人员可以在动力泵启动时，通过合理设置生产现场开关，实现动力泵的调节，根据动力泵的具体工作时长，选择切换主用泵或者备用泵，保障生产有序进行。

3 PLC技术在自动化电气控制中的实践

鉴于PLC技术的上述优势，PLC技术在工业生产实践中有广泛的应用。本文以矿井通风机系统为例，分析PLC技术在自动化电气控制中的实践应用。在传统的矿井通风机系统的基础上，引进PLC技术，实现风机自动化监测与调节，并结合高性能传感器，实现矿井通风机各项工况的远程监控，在满足矿井生产需求的基础上，降低工作人员的工作强度。具体而言，基于PLC的矿井通风机自动化电气控制系统的设计与实现流程如下。

3.1 基于PLC的矿井通风机自动化电气控制系统设计

本文将煤炭企业常用的主扇风机自动监控系统作为研究对象，对基于PLC实现的自动化电气控制应用进行分析。在矿山通风机中，其自动化控制需要涉及到两个方面，分别是通风机变电站的控制以及通风机各项参数的控制。具体而言，基于PLC的自动化电气控制系统，需要控制通风机的风速、压力、电流、电压、温度等参数，还需要具备通风机风门的启动/停止控制功能以及故障诊断功能。具体而言，基于PLC的矿井通风机自动化电气控制系统的设计与实现要点如下。

（1）控制系统的整体架构设计。在矿井通风机自动化电气控制系统中，PLC技术和变频技术共同进行主扇风机的控制，具体的控制流程如下：变频技术主要负责主扇风机的调速，PLC技术会根据主扇风机的速度进行电动机运行台数的控制，从而实现主扇风机的闭环控制。与此同时，技术人员需要在主扇风机附近安装相应的传感器，用于监测主扇风机的运行状态，传感器采集到的主扇风机运行参数会被传输到PLC控制系统中，PLC会对接收到的数据进行计算与分析，从而制定相应的控制策略。具体的控制系统架构如图1所示。

图1 PLC控制系统架构示意图

观察上图可知，矿井通风机自动化电气控制系统包括PLC、变频器、速度传感器以及转换模块等部分。通常情况下，自动化电气控制系统通过1台变频器进行多个主扇风机的控制，实现主扇风机的循环运行，并将PLC作为中心控制器，通过对主扇风机的运行速度和反馈速度的有效控制，形成自动化闭环控制系统。在这一控制系统中，采用的控制算法为PID算法，具体的模拟表达式如下：

其中，u（t）是指输出信号；e（t）是指输入信号；Kp是指比例系数；Td是指微分时间常数；Ti是指积分时间常数。

（2）控制系统的PLC数据信号分析。在矿井通风机自动化电气控制系统开启后，主扇风机附近安装的速度传感器会采集主扇风机当下的运行速度，并将采集到的速度信号转变为相应的电信号，通常是4～20mA的模拟电流信号；模拟电流信号将会传输到PLC中，作为主扇风机的实际速度值，PLC会将实际速度值和控制系统中设定的主扇风机标准速度值进行对比，结合其他参数传感器传输的数据信息，采用上述PID算法进行控制量的计算，从而输出0～5V的电压信号；电压信号将会传输到变频器中，变频器按照电压信号的数值，对电动机进行调节，控制具体的主扇风机的运行数量，以此实现矿井通风机的自动化电气控制。

3.2 基于PLC的矿井通风机自动化电气控制系统的实现

在上述设计流程下，技术人员可以根据矿井通风机自动化电气控制系统的实际需求，进行硬件设施及软件设施的配置，保障自动化电气控制系统的有效运行。一般来说，PLC软件设施主要包括系统程序和用户程序两部分，系统程序主要包括监控程序以及编译程序等内容，会转变程序语言，还能够对系统的故障进行诊断。需要注意的是，系统程序是由PLC生产厂家直接安装于EPROM中，不可以由技术人员进行人工干预。用户程序主要是指工作人员控制PLC控制系统的应用程序。在实际的矿井通风机自动化电气控制系统的运行过程中，PLC仅能够识别输入的数字信号，但是主扇风机安装的传感器采集信号为4～20mA的电流模拟信号，这就要求技术人员在自动化电气控制系统中，应用D/A以及A/D转换模块，将模拟信号转变为具体的数字信号。在实践应用中，技术人员选择STEP7的标准功能模块FC105（SCALE）作为转换模块，保障控制系统数据信号的有效传输。

与此同时，在矿井通风机的运行过程中，自动化电气控制系统也会出现故障。技术人员需要在自动化电气控制系统中添加故障诊断功能。一般来说，自动化电气控制系统最常出现的是传感器故障，技术人员需要根据主扇风机安装传感器的实际状况，设定传感器参数的正常范围，一旦故障诊断程序发现传感器的参数超过正常范围，PLC将会启动子程序，对传感器的各项参数进行诊断，从而分析传感器是否出现故障。故障诊断子程序主要是将传感器的实际运行参数和自动化电气控制系统所允许的最大数值进行比较，如果实际运行参数接近或者超过最大数值，就表明传感器出现故障。

在上述基于PLC的矿井通风机自动化电气控制系统的设计实现后，将其用于煤炭企业的实际生产中，可以有效提升控制效果，不仅能够降低操作人员的工作强度，还可以避免人为因素对矿井通风机的影响，有效避免了误操作和乱操作的现象，值得推广应用。

4 结语

实践应用结果表明，基于PLC的矿井通风机自动化电气控制系统具备高效的控制效果，可以提升生产效率与水平，具备显著的优势，值得推广应用。通过本文的分析可知，PLC技术在自动化电气控制中的应用较为广泛，基于PLC实现的自动化电气控制系统具备更强的控制效果，可以有效避免人为因素对生产产生的影响，有助于生产效率与生产质量的提升，能够促进工业生产的智能化与现代化发展。希望本文的分析可以为相关的研究提供理论参考。