煙臺(tái)港集裝箱碼頭有限公司 齊英君 趙海銘

信息化技術(shù)的不斷研發(fā)和更新為我們的生產(chǎn)與生活帶來(lái)了極大的便利，其中PLC 技術(shù)也在一定程度上得到巨大的提升。PLC 技術(shù)為可編程的邏輯控制器技術(shù)，其在極其設(shè)備的制造中有著十分重要的應(yīng)用。主要是因?yàn)樵撚?jì)算能夠?qū)﹂_關(guān)和順序進(jìn)行自由控制，達(dá)到機(jī)械設(shè)備操控的自動(dòng)化效果和目標(biāo)。因此在電氣工程的控制系統(tǒng)中，要想切實(shí)提升其工程的自動(dòng)化控制技術(shù)，則必須要對(duì)PLC 技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)法分析，以此來(lái)提升整體工程的自動(dòng)化控制水平，加快生產(chǎn)效率，為人們提供高效、高質(zhì)量的電氣服務(wù)。

1 PLC 技術(shù)的概念

PLC 技術(shù)是一種可以被擴(kuò)展的編程控制器，也是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的控制方式。在本身PLC 系統(tǒng)中會(huì)分布如電源、中央處理器和模擬量的輸入和輸出模塊等形式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)真正的智能控制功能。PLC 技術(shù)原理為：結(jié)合輸入模塊的運(yùn)行，將現(xiàn)場(chǎng)被讀取到的信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)輸入到系統(tǒng)中，隨后結(jié)合中央處理器來(lái)根據(jù)程序所編寫的邏輯關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)智能的邏輯控制。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，很多人員將計(jì)算機(jī)和PLC 技術(shù)融合在一起，將其組合成為大型的DCS 系統(tǒng)[1]。同時(shí)在系統(tǒng)中也應(yīng)用到了高速CPU 和計(jì)數(shù)以及脈沖控制等模塊內(nèi)容，進(jìn)而提升PLC 在實(shí)際過(guò)程中的控制能力，并且也可實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)共享和快速的程序設(shè)計(jì)等功能，并根據(jù)這些靈活的程序設(shè)計(jì)來(lái)以語(yǔ)句表和梯形圖來(lái)系統(tǒng)的表示現(xiàn)有的工藝流程。

2 PLC 技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值

2.1 特點(diǎn)

其有著極為廣泛的應(yīng)用。在目前的相關(guān)工程生產(chǎn)作業(yè)中，將PLC 或者是一些工控機(jī)等工控設(shè)備應(yīng)用到生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)是現(xiàn)代制造企業(yè)普遍的做法，也可以表示為，現(xiàn)代的產(chǎn)品生產(chǎn)與制造、工業(yè)生產(chǎn)都離不開PLC 系統(tǒng)[2]。結(jié)合該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)的人機(jī)交換、準(zhǔn)確且高效的設(shè)備遠(yuǎn)程可控制以及精準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置等功能，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可以隨處可見數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。同時(shí)也可經(jīng)過(guò)靈活的程序開發(fā)來(lái)對(duì)設(shè)備本身的智能化和自動(dòng)化以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)化水平進(jìn)行全面提升。另外在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，可以利用通訊協(xié)議來(lái)將其分散的控制節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)進(jìn)行融合，共同組成一套大型的控制系統(tǒng)，為技術(shù)人員乃至整個(gè)工程的生產(chǎn)與建設(shè)都創(chuàng)造了極大的便利條件。

網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)生產(chǎn)。在PLC 系統(tǒng)中，其所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)集散控制和遠(yuǎn)程的提取與控制等內(nèi)容都是依靠著其本身靈活多樣的通訊接口所實(shí)現(xiàn)的，如目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)、DCS 系統(tǒng)等[3]。同時(shí)PLC 系統(tǒng)能夠利用自由口和Modbus等通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)第三方設(shè)備的通訊。并且該系統(tǒng)也可利用時(shí)序的控制來(lái)對(duì)單一的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢的操作，提升了整體網(wǎng)絡(luò)的利用率，拓展其利用的實(shí)際范圍。在PLC 豐富的通訊協(xié)議接口支持下，其能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)的一些設(shè)備以數(shù)字化整合的方式共同融入到DCS 控制系統(tǒng)中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的有效控制，如傳感器、智能儀表和執(zhí)行器等設(shè)備。

2.2 價(jià)值

PLC 技術(shù)本身具有較高的可塑性，在實(shí)際應(yīng)用中以其極高的適用性和靈活性廣受工程生產(chǎn)的青睞。在一般的工程實(shí)施過(guò)程的控制中，其可以根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)豐富的邏輯程序來(lái)完成相對(duì)應(yīng)的對(duì)象控制操作，且可采取與計(jì)算機(jī)技術(shù)同類型的數(shù)據(jù)格式來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶簡(jiǎn)便編程操作，如對(duì)循環(huán)、分支、選擇、判斷等結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝控制等。

同時(shí)在PLC 系統(tǒng)的編程軟件中，其為工程生產(chǎn)提供大量的軟件構(gòu)件，如動(dòng)斷觸點(diǎn)、寄存器、儲(chǔ)存器、定時(shí)器或者是一些特殊功能的繼電器等，尤其是以西門子為代表的PLC 龍頭企業(yè)僅有指令語(yǔ)句形式的編程語(yǔ)言，其可以像匯編語(yǔ)言一樣實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的編程，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以對(duì)該程序進(jìn)行重復(fù)使用，以便于實(shí)現(xiàn)子程序的創(chuàng)建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)編寫成帶輸入與輸出接口的程序目標(biāo)，這樣只要賦值于輸入儲(chǔ)存器就可以得到自己需要的結(jié)果。在此期間也可對(duì)子程序的重復(fù)調(diào)用來(lái)對(duì)成產(chǎn)期間重復(fù)進(jìn)行的動(dòng)作進(jìn)行逐漸完成。如西門子公司在其軟件開發(fā)期間，將過(guò)程中控制中常見的PID 控制和變頻器控制以及讀寫系統(tǒng)實(shí)踐等編寫成功能模塊，程序開發(fā)人員可以使用這些模塊來(lái)減少編程存在的負(fù)擔(dān)，減少了大量去現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題的時(shí)間。

又如一些電動(dòng)機(jī)電流也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的儀表通訊接口來(lái)遠(yuǎn)程傳送到控制以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集也保障工程生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)與安全性，并且對(duì)于節(jié)能等環(huán)保作業(yè)也有著極大的促進(jìn)作用。

3 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與內(nèi)容

在電氣工程中，其整個(gè)系統(tǒng)的核心控制核心就是可編程的邏輯控制器，其控制器設(shè)計(jì)的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和管理。在PLC 控制系統(tǒng)中需要注意三點(diǎn)控制原則。

對(duì)設(shè)計(jì)成本進(jìn)行科學(xué)控制。成本的支出與企業(yè)生產(chǎn)的效益完全掛鉤，合理的成本控制不僅可以提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可為后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng)預(yù)留出資金，也為系統(tǒng)的升級(jí)和研發(fā)預(yù)留出重要的資金，保障整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要原則。

提升控制效率以保障產(chǎn)品滿足質(zhì)量要求。在原始的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，明確詳細(xì)的控制系統(tǒng)需求，隨后對(duì)系統(tǒng)做好需求分析、選擇適合的CPU、確定輸入設(shè)備與輸出設(shè)備。

隨后設(shè)計(jì)I/O 模塊與CPU 模塊，繪制基本的系統(tǒng)原理圖，最后編寫控制程序，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，完善其本身的系統(tǒng)功能[4]。

4 PLC 技術(shù)在電氣工程控制系統(tǒng)中的發(fā)展歷程

PLC 起源于上個(gè)世紀(jì)六十年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)通用汽車公司為了對(duì)其工廠生產(chǎn)線的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整，且繼電器順序控制系統(tǒng)電路修改費(fèi)時(shí)一般出現(xiàn)難以維護(hù)的重要問(wèn)題[5]。在PLC 出現(xiàn)之前，汽車行業(yè)的總體控制和順序控制以及安全互鎖邏輯控制必須要根據(jù)多種繼電器、定時(shí)器和一些專用的閉環(huán)控制器來(lái)完成，這些器械的體積龐大，且噪聲極大，在后續(xù)相關(guān)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)檢修期間對(duì)于操作人員的要求也相對(duì)較高，也浪費(fèi)了大量的人力和物力資源。

為了解決這些問(wèn)題的發(fā)生，美國(guó)通用汽車公司在1968年開始招標(biāo)，并設(shè)計(jì)一套新的系統(tǒng)來(lái)代替繼電器系統(tǒng)。由此美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）于1969年開發(fā)出第一臺(tái)PDP-14的控制器，并且在自動(dòng)裝配線上成功使用。隨后在上個(gè)世紀(jì)七十年代初期將微處理器技術(shù)引入到PLC 中后，促使PLC 具有算術(shù)功能和多位數(shù)字的信號(hào)輸出與輸入功能。

于1971年，日本從美國(guó)引入該技術(shù)，并且也迅速發(fā)展與開發(fā)自己的DCS-8的可編程控制器。德國(guó)與法國(guó)從1973年到1974年也有著自己的技術(shù)；中國(guó)在1977年開發(fā)了自己第一款可編程的邏輯控制器，但是其所使用的微處理器內(nèi)核是MC14500。在上個(gè)世紀(jì)七十年代中期，遠(yuǎn)程通信、模擬輸出和NC 伺服控制等技術(shù)被加入到PLC 中[6]。等到八十年代以后，引入了PLC 高速通訊網(wǎng)絡(luò)功能，這也使其增加了一些特殊的輸入與輸出端口、人機(jī)交互界面和高功能指令等功能，對(duì)于數(shù)據(jù)的采集與分析有著高效率的保障。在目前的大環(huán)境背景下，PLC 技術(shù)前景十分廣闊，如電氣工程等多個(gè)相關(guān)行業(yè)都開始應(yīng)用到該技術(shù)，但是在實(shí)際應(yīng)用期間容易受到主觀與客觀的影響導(dǎo)致其作用沒有被完全發(fā)揮。因此在未來(lái)還需要進(jìn)一步探究該技術(shù)的內(nèi)涵和應(yīng)用范圍，使其為我們的工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造更大的價(jià)值。

5 PLC 技術(shù)在電氣工程控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

本文以電氣工程中很多工廠中的熱源供給設(shè)備—水—水換熱機(jī)組的PLC 應(yīng)用為例。

5.1 案例背景

某地工程內(nèi)智能換熱機(jī)組是將市政所輸送過(guò)來(lái)的高壓蒸汽經(jīng)過(guò)減少壓力后在智能板式熱換器和50℃的水進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，促使高壓蒸汽在放熱后能夠變?yōu)槟Y(jié)水，并且所釋放出來(lái)的熱量也將系統(tǒng)中回水溫度進(jìn)行來(lái)全面提升。另外通過(guò)熱循環(huán)泵不斷的循環(huán)工作，可以保障熱量可以傳遞到各個(gè)潔凈室空調(diào)機(jī)組和廠房?jī)?nèi)的用熱設(shè)備，而基于PLC 控制，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人看管也能保持有條不紊的系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)。本換熱機(jī)組的流程圖1所示。

圖1 智能換熱機(jī)組流程圖

智能熱水換熱機(jī)組將蒸汽熱源轉(zhuǎn)化成熱水源后，再有熱水循環(huán)泵輸送給其他使用點(diǎn)，其核心組件主要有汽—水熱交換器，熱水循環(huán)水泵、智能控制柜、驅(qū)動(dòng)閥門、溫度探測(cè)器、壓力探測(cè)器。智能汽—水換熱機(jī)組設(shè)備性能比一般的水—水換熱機(jī)組功能強(qiáng)大，最主要體現(xiàn)在：換熱量大、換熱速度快、占用空間小、噪音小、無(wú)需人員監(jiān)護(hù)，但設(shè)備組件類型比較多，控制程序比較復(fù)雜等特點(diǎn)。但在供熱系統(tǒng)中這種智能化設(shè)備具要高效、可靠。在工廠內(nèi)，這套設(shè)備將處在關(guān)鍵能源輸送位置。所以本課題主要研究智能熱水換熱機(jī)組的設(shè)計(jì)及運(yùn)行。

5.2 PLC 程序組成

本次控制系統(tǒng)選擇step7-20smart 中的LAD 編程軟件，其具有組織結(jié)構(gòu)緊湊、組態(tài)靈活且具備功能欠打的指令集等優(yōu)勢(shì)。項(xiàng)目?jī)?nèi)采取SIMATICPCS7V7.1軟件，工程師站用于組態(tài)的操作系統(tǒng)為Windows7，并采取集成的全局?jǐn)?shù)據(jù)管理和組態(tài)工具TOOL SET。本次使用的CPU 型號(hào)為SR20Ac/DC/記單詞，位儲(chǔ)存器為256位，模擬圖像為56個(gè)字的輸入/輸出，板載數(shù)字量I/O 為12點(diǎn)輸入/8點(diǎn)輸出。

5.3 智能換熱機(jī)組的運(yùn)行流程

本次智能換熱機(jī)組所實(shí)現(xiàn)的主要功能包含：系統(tǒng)初始化、水泵的運(yùn)行與控制、水泵的故障判斷和顯示、系統(tǒng)補(bǔ)水工程、溫度與壓力監(jiān)測(cè)等功能。其中水泵的控制運(yùn)行屬于主程序系統(tǒng)，而其他的系統(tǒng)初始化與水泵的故障判斷以及顯示等都屬于子程序塊。設(shè)備運(yùn)行啟動(dòng)之前先清理設(shè)備的控制流程。

整個(gè)換熱機(jī)組啟動(dòng)存在手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制模式。在系統(tǒng)手動(dòng)啟動(dòng)之后，熱水循環(huán)泵位置在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)二次側(cè)循環(huán)熱水系統(tǒng)的關(guān)參數(shù)的控制，如壓力、水容量和溫度等，但是可以顯示出系統(tǒng)的故障類型。該系統(tǒng)也難以做到節(jié)能的效果，因此水泵在手動(dòng)狀態(tài)期間，必須要有人進(jìn)行全程監(jiān)督和手動(dòng)控制。同時(shí)在手動(dòng)控制中也沒有報(bào)警連鎖功能，由此必須要選擇自動(dòng)控制來(lái)保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

在自動(dòng)控制模式下，如果機(jī)組二次供回水壓差和設(shè)定值存在偏差，循環(huán)的熱水泵需要先投遞一臺(tái)運(yùn)行并且提升水泵的運(yùn)行效率，這時(shí)由此側(cè)供熱的蒸汽閥門開度會(huì)增加，如果壓力依舊沒有與設(shè)定值相同，這樣第二臺(tái)水泵也會(huì)被投入運(yùn)行。二次側(cè)壓力不足，以補(bǔ)水泵來(lái)實(shí)現(xiàn)供水運(yùn)行。

需要注意的是，對(duì)于蒸汽閥門進(jìn)行精準(zhǔn)控制不僅可以滿足系統(tǒng)能量的需求，同時(shí)也可對(duì)能源的浪費(fèi)情況進(jìn)行控制。閥門的開關(guān)度一直會(huì)受到PLC 輸出指令控制，并且其所發(fā)出的指令一般都是來(lái)自于系統(tǒng)回水溫控的數(shù)據(jù)收集，再去針對(duì)系統(tǒng)設(shè)定的值和歷史數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)系統(tǒng)該去發(fā)出哪一種指令。PLC電氣控制系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)收集的熱水會(huì)輸壓力和壓差值進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果實(shí)際值較設(shè)定值低，那么么整個(gè)機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)會(huì)缺少熱能的傳媒，此時(shí)則需要增加系統(tǒng)的內(nèi)傳媒系統(tǒng)，這時(shí)PLC 會(huì)將指令運(yùn)行時(shí)間最短的補(bǔ)水泵發(fā)出啟動(dòng)的信號(hào)，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后上線，這時(shí)回水壓力的數(shù)據(jù)會(huì)提供給PLC，請(qǐng)求補(bǔ)水泵停止工作，這時(shí)的補(bǔ)水泵也會(huì)對(duì)進(jìn)口的壓力起到定壓的實(shí)際作用。

5.4 機(jī)組參數(shù)的調(diào)節(jié)和測(cè)試

本身控制系統(tǒng)柜平面上的組態(tài)軟件種類較多，由于本項(xiàng)目上采取的西門子的stp7-200smart 編程軟件，由此為了保障設(shè)備和程序之間相互吻合，與其配套的組態(tài)軟件也是西門子的品牌。軟件的控制系統(tǒng)中的上位機(jī)控制就是人和觸摸屏之間持有的可觀察的交流通道。而組態(tài)軟件也是對(duì)各個(gè)設(shè)備模塊所進(jìn)行的邏輯組合來(lái)滿足設(shè)備運(yùn)行的控制要求。這些組態(tài)軟件能夠?qū)σ恍┢渌愋偷南到y(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行暫時(shí)性的解決，如研發(fā)成本過(guò)高或者軟件開發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)等。

西門子組態(tài)軟件除了具有極為直觀的操作界面應(yīng)用以外，其設(shè)備顯示也十分的絢麗，有著高度絕佳的視覺效果以及創(chuàng)新性，并且其內(nèi)部的存儲(chǔ)空間也相對(duì)較大，系統(tǒng)本身的處理性能和數(shù)據(jù)連通性能、可靠性等優(yōu)勢(shì)被本項(xiàng)目所高度重視。

5.5 圖形界面的生成

圖形界面組態(tài)顯示如下的數(shù)據(jù)：閥門開啟度、蒸汽壓力、二次側(cè)供回水溫度、二次側(cè)回水壓力、循環(huán)水泵運(yùn)行頻率、水箱水位、二次側(cè)供回水壓差值、故障。如果設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行正常故障燈顯示綠色，紅色顯示系統(tǒng)有故障，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。圖形主頁(yè)右上方顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。閥門開度在0%狀態(tài)下表示閥門完全關(guān)閉，循環(huán)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率也在OHZ 同樣表示設(shè)備在停止?fàn)顟B(tài)下。循環(huán)水泵在停止?fàn)顟B(tài)下，二次側(cè)熱源供回水管道壓力慢慢趨近相同，壓差閥顯示OBar。設(shè)備二次側(cè)顯示的流體溫度將是智能設(shè)備附近溫度，不代表系統(tǒng)循環(huán)溫度，一般系統(tǒng)運(yùn)行前都要人工操作，防止設(shè)備發(fā)生災(zāi)難性故障，更不建議遠(yuǎn)程啟動(dòng)。觸摸屏上的自動(dòng)旋鈕如果轉(zhuǎn)向手動(dòng)時(shí)，整個(gè)循環(huán)的熱水泵將會(huì)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，自動(dòng)控制設(shè)備也達(dá)不到變頻和節(jié)能的效果。

5.6 設(shè)定調(diào)節(jié)閥參數(shù)

該調(diào)節(jié)閥參數(shù)的設(shè)定如表1內(nèi)容所示。

表1 調(diào)節(jié)閥參數(shù)設(shè)定統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以電氣工程中的智能換熱設(shè)備中的PLC 技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。經(jīng)過(guò)其分析過(guò)程可以看出，根據(jù)PLC 控制的方法與技術(shù)，能夠促使電氣工程各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行的效率和質(zhì)量全面提升，并且也可根據(jù)各項(xiàng)控制的精準(zhǔn)性與可靠性優(yōu)勢(shì)在工程生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。基于目前對(duì)PLC 技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為了在該技術(shù)的數(shù)字化和可靠性方向上還有著進(jìn)一步延伸的空間，也會(huì)在電氣工程中得到更加廣泛的應(yīng)用。