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        探究PLC技術(shù)在電氣工程自動化控制中的應(yīng)用

        2022-12-09 08:57:10張梓奕
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年21期
        關(guān)鍵詞:流程圖編程電氣工程

        張梓奕

        (湖南工程學(xué)院,湖南 湘潭 411100)

        1 引言

        PLC 又被稱為可編程邏輯控制器,在系統(tǒng)中可以作為儲存器,也具有編程的相關(guān)功能,是信息化技術(shù)發(fā)展的代表,具有顯著優(yōu)勢。在電氣工程自動化領(lǐng)域,PLC 技術(shù)改變了傳統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用框架,顯著增強(qiáng)了自動化控制功能,產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此,為更好地順應(yīng)電氣工程項(xiàng)目的發(fā)展要求,應(yīng)掌握PLC 技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn),充分發(fā)揮該技術(shù)的功能。

        2 PLC技術(shù)分析

        目前,PLC 技術(shù)可以依靠程序編寫、調(diào)整順序控制以及算法處理等功能操控電氣工程控制器,能夠滿足電氣工程自動化控制的功能。該技術(shù)在可編程中的性能顯著,可以根據(jù)自動化控制要求選擇具有響應(yīng)速度快、兼容性強(qiáng)的內(nèi)核處理器,保證了系統(tǒng)功能。在數(shù)據(jù)傳輸中,該技術(shù)可以實(shí)時(shí)展示電氣工程的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù),并經(jīng)過人機(jī)交互系統(tǒng)展示電氣工程運(yùn)行的數(shù)據(jù)。同時(shí),PLC 系統(tǒng)在運(yùn)行過程中只需要提供5 V 電源供電即可,具有穩(wěn)定的運(yùn)行效率,發(fā)生故障的概率低[1]。

        從電氣工程自動化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看,在PLC 系統(tǒng)中可以通過圖像傳感器類攝像頭采集現(xiàn)場資料,相關(guān)數(shù)據(jù)可以在320×240 的像素下傳遞信息之后經(jīng)薄膜晶體管顯示屏展示出三原色圖像,確保系統(tǒng)能夠真實(shí)還原出自動化功能的運(yùn)行情況。在STM32 單片機(jī)中的處理單元可以分析自動化系統(tǒng)中每個(gè)數(shù)值的變化情況,在讀取圖像后可以通過圖像預(yù)處理以及二值化等方法簡化數(shù)據(jù)處理流程,保障了電氣工程設(shè)備的運(yùn)行效率。

        3 PLC技術(shù)在電氣工程自動化中的應(yīng)用方案

        3.1 PLC技術(shù)的基本工藝流程

        根據(jù)電氣工程自動化的特性,PLC 技術(shù)的運(yùn)行共分為3 個(gè)階段。第一階段是輸入采樣階段。在本階段可通過攝像頭等設(shè)備經(jīng)循環(huán)掃描等方法識別電氣工程自動化的運(yùn)行數(shù)據(jù),如系統(tǒng)記錄開關(guān)、按鈕等相關(guān)輸入單元的運(yùn)行數(shù)據(jù),然后再將其上傳至I/O 單元中。第二階段是程序執(zhí)行階段。在本階段PLC 將根據(jù)掃描順序,通過已經(jīng)編寫好的程序識別匹配自動化系統(tǒng)程序與算法,并統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)與掃描狀態(tài)。第三階段是信息輸出階段。即在掃描結(jié)束后由中央處理器CPU 根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)處理流程來更新輸出設(shè)備的狀態(tài)與數(shù)據(jù),再經(jīng)外部設(shè)備接口驅(qū)動外設(shè)。整個(gè)PLC 技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

        根據(jù)PLC 工藝流程可以發(fā)現(xiàn),該技術(shù)的主要特征就是可以按照用戶設(shè)定的程序完成電氣工程的自動化控制。在中央處理器的作用下,PLC 技術(shù)能夠更新設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及控制開關(guān)等。在技術(shù)應(yīng)用中,整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成包括擴(kuò)展單元、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及中央處理器等,在上述構(gòu)件搭建系統(tǒng)后可以自動化控制各個(gè)功能模塊的運(yùn)行[2]。

        3.2 在信息數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

        在電氣工程自動化中,PLC 技術(shù)可以提供信息數(shù)據(jù)采集與控制功能。在技術(shù)應(yīng)用中,通過該技術(shù)可以編寫電氣設(shè)備的識別程序,在對信息處理過程進(jìn)行篩選后,就可以利用信息采集終端來提取電氣工程自動化的相關(guān)信息,如系統(tǒng)可以按照編程內(nèi)容選擇從左至右、從上到下的掃描程序來識別系統(tǒng)數(shù)據(jù);或者掃描梯形圖等方法來采集運(yùn)行數(shù)據(jù)。在獲得數(shù)據(jù)后經(jīng)處理器可以在特定程序下快速抓取海量數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息,完成數(shù)據(jù)采集的整個(gè)流程。

        PLC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)圖2中的基本架構(gòu),PLC 系統(tǒng)的程序、軟件以及定值等資料均可以上傳在存儲器中,同時(shí)考慮到電氣工程自動化對系統(tǒng)運(yùn)行的影響,該系統(tǒng)支持通過PC 機(jī)接口完成數(shù)據(jù)上傳與下載等功能,只需要經(jīng)過通信接口連接至自動化網(wǎng)絡(luò)中即可。而與電氣設(shè)備保持二次連線的部分,則可以經(jīng)過DI 接口、AI 接口與DO 接口完成。

        圖3為PLC 電源模塊的基本架構(gòu)。例如,在電氣工程750 V 的保護(hù)裝置,DPU96、S7-200、S7-300 的DI 點(diǎn),接入的輔助接點(diǎn)就是無源接點(diǎn)。它的電源是由PLC 裝置自身提供的24 V 電源,這種電源設(shè)計(jì)模式能夠滿足自動化控制要求。在該回路中,因?yàn)殡娫床⒎鞘菑闹绷髌炼坞娫传@得的,在查找故障時(shí)不應(yīng)采用正負(fù)對地檢測的方法,所以在故障檢測中應(yīng)以PLC 電源模塊負(fù)極為0 電位并查找檢測點(diǎn)的正電壓,保證正常的系統(tǒng)功能。

        3.3 在閉環(huán)控制中的應(yīng)用

        閉環(huán)控制是指針對某一被控制對象,經(jīng)PID 控制器來比較實(shí)際數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定數(shù)據(jù),在嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)差值之后再將其反饋給輸入控制系統(tǒng),并不斷進(jìn)行系統(tǒng)糾正。而對于電氣工程自動化控制系統(tǒng)而言,在運(yùn)行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)不規(guī)律變化的情況,如溫度、壓力、速度等,這些數(shù)據(jù)均為模擬量,在電氣設(shè)備控制中需要將上述數(shù)據(jù)的模擬量以及數(shù)字量等進(jìn)行轉(zhuǎn)化[3]。

        同時(shí),為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的功能,需要將電氣工程自動化所采集的資料反饋至PLC 中,如在以溫度為調(diào)整對象時(shí),可以利用PLC 經(jīng)PID 指令控制通斷,此時(shí)PID 指令第一步會輸出模擬量信號,可以用于控制開關(guān)量變化。所以在PLC 技術(shù)中,廠家通常會準(zhǔn)備配套的A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換模塊來控制PLC 的模擬量,整個(gè)系統(tǒng)操作流程如圖4所示。

        在該技術(shù)該體系下,PID 反饋回路的作用可以保證電氣工程電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行,在PLC 控制技術(shù)的支持下可以借助來回路來調(diào)控電氣設(shè)備的輸入、輸出參數(shù),并維持穩(wěn)定的電氣輸出參數(shù),保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

        3.4 在順序控制上的應(yīng)用

        PLC 技術(shù)在電氣工程自動化控制中,可以通過算法與編程的手段來控制電氣工程設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)參數(shù),這是提升系統(tǒng)自動化水平的關(guān)鍵點(diǎn)。在PLC 編程中,通過使用適當(dāng)?shù)木幊膛c算法來安排系統(tǒng)的執(zhí)行順序。在執(zhí)行順序的控制中能夠確保程序結(jié)構(gòu)清晰明了,并且簡化了整個(gè)執(zhí)行程序的操作過程,保障程序的完整性與嚴(yán)謹(jǐn)性,不會因?yàn)闊o效操作而造成成本的增加,這也成為該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。

        在順序控制設(shè)計(jì)過程中,需要將電氣工程自動化控制系統(tǒng)的操作流程劃分為若干個(gè)階段,這些階段被稱為“步”。“步”與不同的系統(tǒng)輸入狀態(tài)、內(nèi)部條件以及時(shí)間條件對接,保證系統(tǒng)可以自動運(yùn)行管理指令。在PLC 中,“步”是通過順序工程流程圖實(shí)現(xiàn)的,在過程中的每一“步”都具有相應(yīng)的變化條件,從第一“步”進(jìn)行到第二“步”時(shí)往往有具體的操作條件,只有在確定條件滿足結(jié)束程序后才會開展下一個(gè)動作,而上一個(gè)動作的信息會被清除。所以為確保PLC 控制功能得以實(shí)現(xiàn),提出了以下設(shè)計(jì)方法:(1)“步”的劃分。在將整個(gè)電氣工程自動化控制劃分為若干個(gè)順序連接階段后,用編程單元來替代“步”,此時(shí)“步”是根據(jù)PLC 輸出狀態(tài)的變化來劃分的,任何一“步”中不會出現(xiàn)輸出狀態(tài)改變的情況,但是相鄰“步”之間的輸出狀態(tài)存在明顯差異。(2)確定轉(zhuǎn)換條件。當(dāng)系統(tǒng)從當(dāng)前步驟轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱徊綍r(shí),轉(zhuǎn)換條件成為重要影響因素,此時(shí)電氣工程自動化的轉(zhuǎn)換條件包括外部輸入信號,如指令開關(guān)、按鈕以及限位開關(guān)等;或者選擇PLC 內(nèi)部信號,如計(jì)數(shù)器與定時(shí)器的接通/ 斷開等;或者采用若干個(gè)信號的邏輯、非邏輯組合方式。(3)繪制程序工程流程圖。按照上述分析與控制內(nèi)容與步驟、程序等繪制流程圖。(4)編制梯形圖。按照順序工程流程圖編制程序方式形成圖形圖程序; 若PLC 技術(shù)支持工程流程圖編程,則可以將PLC 中編制的程序作為最終程序。

        在編制PLC 流程中還需要注意的是:(1)兩個(gè)“步”不能直接連接,此時(shí)需要通過轉(zhuǎn)換將相鄰的“步”隔開;(2)兩個(gè)轉(zhuǎn)換之間不能直接連接,需要用“步”將轉(zhuǎn)換之間隔開;(3)順序功能流程圖是起始步中不可缺少的內(nèi)容,在數(shù)據(jù)處理中能夠與待處理系統(tǒng)的初始狀態(tài)相對應(yīng),若沒有進(jìn)行該步驟,則無法表示初始狀態(tài),系統(tǒng)返回停止?fàn)顟B(tài)。

        4 應(yīng)用效果評價(jià)

        4.1 保證了電氣工程自動化控制的性能

        在PLC 技術(shù)中可以選擇STM 嵌入式微控制芯片,該芯片具有快速響應(yīng)的優(yōu)勢,在電氣工程自動化控制中可以確保系統(tǒng)控制的實(shí)效性。芯片中的數(shù)據(jù)傳輸與控制指令并非采用相同數(shù)據(jù)線,所以在數(shù)據(jù)處理中可以提升電氣工程運(yùn)行效率。在PLC 技術(shù)中可以采用16 位或者32 位程序編寫的方法,可以保證編寫效率并降低操作難度。該技術(shù)中所使用的Cortex處理器中具有內(nèi)核自帶位帶操作的方法,不允許對任意端口的I/O 口做介質(zhì)控制,并且在數(shù)據(jù)處理中可以通過32 位地址空間單獨(dú)訪問空間,并且能夠?qū)δ骋还δ茏龃鎯蛘咴L問,能夠?qū)崿F(xiàn)快速控制的功能。

        4.2 可以提供豐富的功能支持

        在電氣工程自動化控制中,借助可編程控制芯片可以提供豐富的開發(fā)資源。芯片中可提供64 引腳,并且支持多樣化的功能設(shè)計(jì),能提供12 個(gè)中央處理單元來改善服務(wù)處理器的效能,經(jīng)外部設(shè)備連接設(shè)備,保證了良好的系統(tǒng)控制效果,保證了芯片與處理器的兼容性,可以滿足大部分電氣工程設(shè)備的功能要求。同時(shí),該技術(shù)可以提供睡眠、停機(jī)與待機(jī)等幾方面的功能,在系統(tǒng)運(yùn)行中能夠降低設(shè)備運(yùn)行中的能耗,提高了系統(tǒng)的性能。

        5 結(jié)語

        在當(dāng)前電氣工程自動化控制中,通過PLC 技術(shù)可以進(jìn)一步完善控制系統(tǒng)功能,該系統(tǒng)借助順序控制、閉環(huán)控制等功能來強(qiáng)化系統(tǒng)的自動化控制效果,在技術(shù)上具有可行性,并且最終實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,該技術(shù)可以強(qiáng)化電氣工程自動化控制功能,并提供良好的功能支持,符合未來電氣工程自動化控制系統(tǒng)功能拓展的要求,具有可行性。

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