PLC技术在电气工程及其自动化控制中的应用

2023-11-23谢伟健

今日自动化 2023年7期

关键词：控制程序梯形图触点

谢伟健

（广州南方电力集团电气技术有限公司，广东广州 510000）

1 PLC技术简析

1.1 PLC技术综述

PLC 技术在早期应用时，可以制作出一类具有逻辑控制能力的设备开关，能够使一些完全不具备自动化工作能力的设备在计算机控制程序的统一调度下，以PLC 装置为媒介，执行相应的操作。

1.2 PLC技术的应用优势

（1）程序代码编制过程几乎可以省略，用户端的编程难度得到了大幅度减小，即使毫无编程基础的人也可以在说明书的指导下，对与设备连接的PLC 装置对应的“设备动作流程”进行编辑[1]。原因在于，常规意义下的编程是指基于C 语言、C++、Java 等语言，通过输入多行代码，定向控制设备做出各类动作。在PLC 技术得到应用之后，上述环节由PLC 生产厂家直接完成，“基于代码控制设备动作”的程序已经在出厂前被植入PLC 芯片中。在此基础上，用户端呈现出的“控制编辑界面”实际是“设备动作执行顺序选择界面”，用户只需根据需要，对设备执行各项标准作业动作的次数、先后顺序完成调整、设定即可。

（2）PLC 装置体积很小，一般不会超过常规继电器控制柜的体积，在运行控制程序期间消耗能量较少。

1.3 PLC装置的组成

图1为PLC 装置的组成。主要部件及作用如下。

图1 PLC装置的构成

（1）CPU，即芯片或处理器。一般来说，小型PLC 的CPU 多选择8位微处理器或是单片机，中型PLC 多选择16位微处理器或是单片机，大型PLC 采用高速位片式微处理器（如AMD-2900）。CPU 的主要功能集中在4个方面：①接受或存储控制程序；②通过扫描的方式，获得输入单元传递来的数据及状态信息后将其存入对应的数据存储区域；③可以定向执行监控程序以及有关用户程序；④能够响应外部设备发来的请求，并控制当前连接设备执行相应的操作。

（2）存储器，一般分为RAM 存储器以及ROM存储器。其中，RAM 存储器主要用于存储多种类型的暂存数据、一些程序运行过程中产生的中间结果、当前正处于编辑调试状态且尚未被正式存储的程序。ROM 存储器的主要作用是存储已经完成调试的程序以及正在应用过程中的监控程序。

（3）输入接口，主要作用是将PLC 装置内置的按钮、开关、传感器等受各种因素影响而产生的信号信息转换为数字信号，之后传送到主机端。PLC 装置基于输入接口与其他输入电路连接后，可以实现对电平的转换，从而使自身能够对标准电平进行处理。通常情况下，所有类型的PLC 装置的输入电路都基本一致——其中会设置光耦合器、RC 滤波器，主要用于隔离、消除因触点抖动而产生的外部噪声干扰。

（4）输出接口，基于光电隔离技术设计而成，能够将PLC 装置内部线路与外部电路在“电气”层面进行有效隔离，从而降低PLC 装置可能受到的电磁干扰。输出接口的主要作用是能够将PLC 逐级向外输出的信号转变成能够“驱动外部执行电路的特定信号”，从而达到对接触线圈等电器通断电的有效控制。此外，输出电路还可以将计算机与外部的强电环境进行整体隔离，避免计算机受到强电作用而被击穿[2]。

2 PLC技术在电气工程及其自动化控制中的应用

2.1 基于PLC技术的电气工程自动化控制系统设计步骤及选型分析

2.1.1 设计步骤

（1）调查电气设备（机组）的控制功能。①需要调查被控制设备的工艺原理、工作特点、具备的功能及特点。②明确需要被直接控制的事项以及与设备自动化控制有关的设计要求。③编制详细的控制循环图及控制状态图。④确定自动化控制方式。围绕上述4项内容进行全方位分析，电气设备机组在运行过程中如果并未对工作环境提出较为严苛的要求，设备运行期间的整体可靠性较强、控制过程的复杂程度较高且控制信号相对较多，控制工艺流程可能会根据生产要求经常发生变化，则适合采用PLC 技术进行控制。

（2）电气控制方案的制订。基于PLC 控制电气机组设备时，控制的程度可分为单机运行、多级联合运行、半自动控制、全自动控制等多种类型。因此，技术人员首先需要明确电气机组设备的控制要求，选择合适的控制形式。在此基础上，还应确定在建构控制系统的过程中，系统除了对各项设备的“作业”进行直接控制外，是否还需要设置其他控制功能。例如：①系统中的某些设备、电路出现故障时，系统是否需要立刻围绕故障产生原因进行检查，且是否需要立刻发出预警信息。②如果故障严重程度较大，已经进入“紧急”状态，那么控制系统是否应该预先存储处理方案。总之，充分考虑这些问题，可提高PLC 控制系统的实用价值。③应确定PLC 控制电路下的输入、输出设备以及相应的控制信号的特点。不同的电气工程自动化控制系统对“控制”的要求存在差异，故在设置控制系统时，首先需要确定系统的输入设备数量及种类，明确输入信号具有哪些特点。例如一些自动化控制系统的核心输入控制信号是开关量，还有一些控制系统的核心输入控制信号是模拟量。如果没有将这些要素梳理清楚，那么控制系统在运行过程中很可能因为输入、输出信息不统一而出现故障。

2.1.2 选型分析

（1）应重点围绕PLC 装置的型号，单元模块、输入输出类型、点数、附属设备、经济性等进行全方位考量。

（2）在基于已经确定的电气工程自动化控制系统中应该设置的输入、输出设备，完成PLC 装置的选定之后，技术人员应将输入、输出设备与PLC 装置的输入、输出接口的地址对照表逐一列出，进一步提高编制控制程序、设计接线图以及硬件安装装置的便利性。此外，在分配输入、输出点时，应该注重规律性。

（3）决定PLC 装置性能的要素如下：①响应速度。PLC 芯片或处理器对控制程序语句的处理时间与总体扫描周期均会直接决定响应速度，应予以重视。②存储容量。以小型PLC 为例。一般估算用户存储器容量的依据是，将PLC 的总点数乘以10，之后即可完成较为精确的估算。③扩展功能。决定PLC 扩展单元能力的要素包括但不限于扩展单元数量、种类、所占的通道数、扩展口的形式等内容。④在选择PLC装置的结构形式时需要考虑到：整体式的PLC 装置相较于模块式的PLC 装置，在经济成本方面更具优势（即价格更低）。同时，整体式PLC 装置的体积较小，适用性更强。但问题在于，整体式PLC 装置的硬件配置灵活程度不如模块式。

2.2 基于PLC技术的电气工程自动化控制系统硬件的设计方案

基于PLC 技术的电气工程自动化控制系统硬件设计总体思路：确定采用集中式控制系统还是分布式控制系统。以集中控制单台电气设备为例，其核心控制原理是“单一PLC 装置直接控制设备对象”。实现控制过程的注意事项是：控制系统对PLC 的输入、输出点数、存储器容量有关的要求较少。因此，控制系统的构成较为简单，通常不必考虑与其他PLC 控制器或控制计算机的通信需求。但在当前的电气工程自动化控制系统中，单台控制形式只是整体控制的一环，为了方便后续将单台设备纳入整体控制系统，在进行单台设备集中控制系统设计时，应考虑后续可能出现的通信需求。如果采用集中控制系统控制多台设备时，只需要将不同的控制对象与PLC 装置中指定的输入、输出接口相连即可。基于PLC 的集中式控制系统硬件设计总体思路有3种。①可在PLC 下设置通信模块，以此对远程I/O 模块进行控制。②适合应用于被控制对象远离集中控制室的场景。③在一个控制系统中，可以设置的远程I/O 通道数量并非固定值，由被控制对象在一定范围内的分散程度及与PLC 装置之间的距离决定。此外，PLC 装置具有多少条通道，也决定控制对象上限。

如果采用分布式控制系统时，可设置的通信控制结构如下：①控制计算机与多个PLC 装置彼此之间保持串联连接的状态。在此基础上，每一个PLC 装置都与一个特定的设备串联。这种控制方式的缺点在于，一旦处于“串联线路中”的一个PLC 装置出现故障，便会导致后续PLC 装置全部中断连接。因此，这种通信控制结构已经很少应用。②控制计算机与多个PLC 装置并联，且每一个PLC 装置与被控制设备之间串联。这种分布式PLC 控制结构是最常见、运行过程稳定性最高的方式。其特点是，任何一个PLC装置都被控制计算机直接控制，其中一个出现问题后，也不会影响其他PLC 装置及设备。因此，应尽量采用该结构。

2.3 基于PLC技术的电气工程自动化控制系统软件的设计方案

（1）梯形图编程语言。这种编程语言与继电器控制电路的程序控制形式相同，或是可以作如下理解——梯形图编程语言是在电气控制系统中十分常用的继电器、接触器逻辑控制基础上，对一些符号进行简化之后演变成的一种更具直观性、实用性、生动性、更容易被电气技术人员接受、应用范围较广的PLC 编程语言。例如传统电气控制系统中常用的继电器控制电路控制原理描述方法是：电路中可能存在多个种类的电力元器件，如开关、电容等。这些不同类型元器件在控制程序中均被赋予不同的表示符号。因此，在常规描述及控制程序编写过程中，这些符号呈现出“杂乱无章”的特点，很可能因为角标数字处出现错误，导致电路整体运行出现问题。基于梯形图编写控制语言时，表达电路中各类装置的符号得到了全面简化，控制程序整体更加简洁、明了，运行过程中出现错误的概率会明显降低。

（2）指令表与梯形图的整体控制程序编写。上文提到，PLC 技术在电气工程自动化控制中的应用优势之一是，控制程序编写过程十分简单，即使非计算机程序控制专业出身的操作人员也可以在说明书的指导下，根据提示一步一步完成功能指令的编写。以三菱FX 系列PLC 的基本逻辑控制指令编写过程为例，在根据梯形图完成电气自动化控制电路图的设计之后，需要明确一个原理——电路图是以“整体”的形式，将多个控制流程融入同一个电路图中。但PLC装置在实际控制期间，电路图中的某些元器件并不在控制范围，由此需要运用“取指令”与“输出指令”，实现对“需要控制的元器件”的“定向选取”。常用的取指令与输出指令包括LD、LDI、LDP、LDF、OUT。上述5 个指令的含义及功能分别是：①LD，是一个“取指令”，主要用于决定一个PLC 控制电路中的“常开触点”与左侧母线是否连接的指令。所有以“常开触点”开始的逻辑命令行都需应用该指令。②LDI，是一个“取反指令”，主要用于决定一个常闭触点与左母线的连接指令，且每一个常闭触点开始的逻辑命令行都需应用这一指令。③LDP，属于“取上升沿指令”，用于向与左母线连接的常开触点发布“上升沿检测”的指令。该指令只能够在制订位元件的上升沿时，接通一个扫描周期（之前的开关状态为OFF，之后转为IN）时方可运用。④LDF，属于“取下降沿指令”，用于与左母线连接的常闭触点的下降沿检测指令。与LDP 不同，LDF 指令运用时，无需考虑指定位元件之前的状态。⑤OUT 指令，是一个“输出指令”，主要用于对电路中的线圈等设备或元件进行驱动。

在电气工程自动化控制中应用PLC 技术时，与取指令、输出指令有关的设计要素是：①LD、LDI指令不仅能够用于输入与左母线相连的触点，还能够与ANB、ORB 等指令互相配合，共同完成与“块逻辑”有关的逻辑运算。②LDP、LDF 两个指令如上文所述，只有当对应元件处于有效状态且至少能够维持一个扫描周期接通状态下，方可使用这两个指令。③LD、LDI、LDP 三个指令的目标元件应该为梯形图下标注符号为X、Y、M、C、S 的元件。④OUT 指令可以连续多次下达。但针对定时器和数据器两类元件，当OUT 指令下达之后，需要立刻完成有关指令常数K的设定。