程志明，姜良佳，秦 雷

（日照港股份有限公司，山東 日照 276800）

0 引 言

現(xiàn)階段，工業(yè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，不僅對工業(yè)技術(shù)的精度提出了新的挑戰(zhàn)，而且對于工業(yè)自動化控制水平也有了更高的要求。自動化技術(shù)可以極大提升工業(yè)生產(chǎn)效率，確保其高效高質(zhì)地完成作業(yè)任務(wù)。目前，可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化發(fā)展的重要技術(shù)，相比于其他技術(shù)具有操作更加便捷的優(yōu)點，且能做到服務(wù)的按需定制。同時，PLC 技術(shù)在電氣自動化控制的應(yīng)用中得到不斷發(fā)展與完善，展現(xiàn)了其在自動化控制中應(yīng)用的極大潛力和價值[1]。

1 PLC 技術(shù)概述

PLC 技術(shù)是廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制方面的一種新型現(xiàn)代技術(shù)，其控制系統(tǒng)主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出接口以及外部編程設(shè)備等組成，運行模式相對簡單，系統(tǒng)運行時需要不斷進(jìn)行循環(huán)掃描處理，通過自身的邏輯計算去處理不同觸點的控制線路。PLC系統(tǒng)的工作過程如圖1 所示，從左至右依次為輸入、程序處理以及輸出。

圖1 PLC 技術(shù)的工作過程

PLC 技術(shù)是自動化技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的融合，被大規(guī)模應(yīng)用于電氣操作系統(tǒng)。處理和運算數(shù)據(jù)是PLC技術(shù)的基礎(chǔ)能力，因此PLC 技術(shù)可以及時地分析和整合電氣控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)在外界干擾下無法正常運行和相應(yīng)設(shè)備基礎(chǔ)功能較為薄弱的短板，PLC 技術(shù)的抗干擾能力明顯要更突出。對PLC 技術(shù)進(jìn)行合理使用，可以在集成電路作用下對外界干擾進(jìn)行有效防御，保障了電氣設(shè)備的相關(guān)性能。除此之外，PLC 技術(shù)可以在電氣設(shè)備出現(xiàn)故障時進(jìn)行故障區(qū)域定位檢測、故障分析診斷，并向工作人員發(fā)送警報，有利于故障維修人員及時發(fā)現(xiàn)故障問題以及了解故障起因，助力后續(xù)的維修檢測工作[2,3]。PLC技術(shù)在電氣工程自動化控制中擁有如下優(yōu)勢。

（1）數(shù)據(jù)傳輸安全得到極大保障。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸往往受到技術(shù)層面、人員操作等影響，從而出現(xiàn)傳輸錯誤，穩(wěn)定性方面亟待提升，而利用PLC 技術(shù)則可以極大減少人為誤差，大幅降低數(shù)據(jù)傳輸錯誤率，為電氣設(shè)備的長期穩(wěn)定運行提供了技術(shù)保障。

（2）具備較強(qiáng)的通用性。相比于傳統(tǒng)電氣設(shè)備，PLC 技術(shù)可以借助編程來達(dá)到電氣設(shè)備的自動化控制的目的。工作人員可以通過計算機(jī)將相關(guān)操作指令上傳到PLC 控制器，最后實現(xiàn)設(shè)備的自動化作業(yè)，降低了設(shè)備操作的復(fù)雜程度，作業(yè)人員的工作強(qiáng)度也大幅度降低，提高了生產(chǎn)效率。

（3）具備功能多樣化與網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。除了可以提升設(shè)備的自動化水平，PLC 技術(shù)具備許多功能特性，使得電氣設(shè)備有一個安全穩(wěn)定的運行條件，因此電氣故障率降低，工作效率得到提升。此外，借助互聯(lián)網(wǎng)，電氣設(shè)備可以接收來自網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南嚓P(guān)控制指令，根據(jù)生產(chǎn)需求來對電氣設(shè)備的自動化控制進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證工業(yè)作業(yè)順利、高效完成[4-7]。

2 PLC 控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用分析

PLC 技術(shù)有效解決了電氣控制中存在的諸多共性問題。當(dāng)前PLC技術(shù)已廣泛應(yīng)用于開關(guān)量邏輯控制、定時、計數(shù)控制及多級網(wǎng)絡(luò)控制等方面。具體來看，PLC 技術(shù)在自動化控制的具體應(yīng)用可以歸納為以下幾個方面。

2.1 在變頻器中的應(yīng)用

變頻器是電氣設(shè)備中最常見的設(shè)備，在調(diào)節(jié)變頻器過程中，傳統(tǒng)方式是在變頻器的控制面板上完成設(shè)備調(diào)節(jié)工作。但是，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式僅能在小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，無法實現(xiàn)頻繁的調(diào)節(jié)作業(yè)。此外，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式對技術(shù)人員的專業(yè)能力要求較高，需了解變頻器的控制邏輯，根據(jù)具體生產(chǎn)需求針對性地調(diào)整變頻范圍，但調(diào)節(jié)作業(yè)量大增加了技術(shù)人員的工作強(qiáng)度，并且變頻器的控制精度也難以得到有效保證。隨著PLC 技術(shù)的引入，可以對變頻器進(jìn)行控制自動完成配置變頻設(shè)備的工作，根據(jù)電氣設(shè)備的工作需求隨時隨地調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率，確保變頻器長時間穩(wěn)定運行，提升了變頻器運行的穩(wěn)定性，可以更加精準(zhǔn)地完成變頻，充分發(fā)揮變頻器的作用。

2.2 在開關(guān)量控制中的應(yīng)用

在控制電氣設(shè)備的過程中，操作人員往往要對許多個開關(guān)進(jìn)行控制。不同電氣設(shè)備的開關(guān)數(shù)量有多有少，并且開關(guān)種類繁多，導(dǎo)致電氣設(shè)備的操作難度增加。因此，為精準(zhǔn)操控電氣設(shè)備，避免出現(xiàn)不規(guī)范的操作行為，操作人員要在了解不同開關(guān)量間關(guān)系的基礎(chǔ)上按照既定操作流程與操作順序?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)的有效控制。如果操作人員的操作不夠規(guī)范或者存在誤操作行為，則會影響電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，甚至?xí)l(fā)故障。開關(guān)量控制工作引入PLC 技術(shù)后，操作人員可以將操作指令輸入PLC 系統(tǒng)，電氣設(shè)備會根據(jù)PLC 指令完成相關(guān)作業(yè)任務(wù)，提升開關(guān)量控制的高效性與可靠性，防止出現(xiàn)誤操作情況，使電氣設(shè)備工作更加穩(wěn)定。

2.3 在順序控制中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣設(shè)備的構(gòu)成不斷趨于復(fù)雜化，大量電氣設(shè)備共同工作，每天所耗費的電量也極高。因此，為了提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，有必要利用PLC 技術(shù)提升電氣設(shè)備的運行效率，從而降低運行功耗。在電氣設(shè)備的運行過程中，使用PLC技術(shù)調(diào)整電氣設(shè)備的運行順序，提升電氣設(shè)備的響應(yīng)速度，并對電氣設(shè)備運行方式進(jìn)行優(yōu)化，在保證電氣設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)上，較大提升電氣設(shè)備的整體工作效率。

2.4 在集中控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

利用PLC技術(shù)，可以控制多個設(shè)備所組成的系統(tǒng)。在中央集成式系統(tǒng)中，不同設(shè)備的控制要求存在差異，并且運行順序也存在差異。利用PLC 技術(shù)可以實現(xiàn)中央集成式系統(tǒng)的有效控制，從而提高中央集成式系統(tǒng)的效率，且一次投入的成本較低，因此中央集成式電氣系統(tǒng)在未來的發(fā)展空間十分廣闊。

3 PLC 控制技術(shù)案例分析

3.1 PLC 控制技術(shù)在水處理過程中的應(yīng)用

日照港動力工程有限公司嵐北站包含供電、供熱、供水以及污水4 個系統(tǒng)，其中供水和污水是涉及水處理的2 個系統(tǒng)。港區(qū)供水系統(tǒng)主要有供水、蓄水2 個過程。供水過程中，在市政進(jìn)水對應(yīng)的壓強(qiáng)滿足0.35 MPa 要求時，采用直供的方式，反之則采用泵供。直供和泵供只能根據(jù)市政壓力進(jìn)行人工切換，過程復(fù)雜，切換后為滿足供水壓力，仍需人工調(diào)節(jié)供水泵的運行頻率。蓄水過程主要是要控制市政進(jìn)水量與港區(qū)蓄水池高度之間的關(guān)系，無論是直供還是泵供都要保障蓄水池水位在要求范圍內(nèi)。現(xiàn)有供水運行過程中蓄水池補(bǔ)水時必須人工開關(guān)閥門，浪費人力且在頻繁進(jìn)行井下作業(yè)的過程中存在不小的安全隱患。通過引入PLC控制技術(shù)，升級改造供水過程中直供和泵供的自動切換，在切換為泵供后，系統(tǒng)能夠根據(jù)供水壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，并可直觀監(jiān)控閥門開度。

在處理含油污水的過程中，需要人工調(diào)節(jié)閥門和開啟水泵，通過手動調(diào)節(jié)含油污水的流量實現(xiàn)污水處理的正常運行，這種方式極大地浪費了人力，而且頻繁的人工操作也很很難做到安全生產(chǎn)。

3.1.1 供水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設(shè)計

在進(jìn)行供水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設(shè)計時，涉及直供與泵供之間的自動化切換以及泵供供水壓力的自動調(diào)節(jié)，前者需要根據(jù)市政供水壓力來實現(xiàn)。因此，需將市政供水壓力與目標(biāo)供水壓力進(jìn)行比較，通過壓力變送器進(jìn)行采集，將采集到的供水壓力大小轉(zhuǎn)化為4 ～20 mA 的電流信號，并將該控制信號傳送給恒壓供水控制器（KP553A），利用控制器來判斷是啟動泵工，還是直接市政供水。在自動調(diào)節(jié)泵供供水壓力時，若輸出壓力偏小，則先用變頻器啟動水泵，若變頻器頻率達(dá)到50 Hz 時，經(jīng)3 min 延時還不能滿足設(shè)定壓力（供水壓力），則本泵轉(zhuǎn)為工頻，然后變頻器再啟動下一臺，依次循環(huán)。當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定壓力，變頻器將降速運行，若頻率降到啟停頻率后還是超過設(shè)定值，則第一臺運行的工頻泵停止運行，其余的工頻泵也依次停止，從而實現(xiàn)供水壓力的比例積分微分（Proportional Integral Differential，PID）自動調(diào)節(jié)控制。供水控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 供水控制系統(tǒng)圖紙

PLC 控制系統(tǒng)的應(yīng)用采用了模擬數(shù)字信號，全面采用光電隔離，抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，故障率低，后期根據(jù)港區(qū)供水現(xiàn)有情況進(jìn)行了多次調(diào)試和參數(shù)設(shè)置。該港區(qū)供水系統(tǒng)的運行趨于穩(wěn)定，運行6 個月內(nèi)，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)任何故障，為進(jìn)一步實現(xiàn)無人值守提供了有力保障。

3.1.2 含油污水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設(shè)計

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，含油污水系統(tǒng)中有2 個原因?qū)е碌毓艿肋M(jìn)水流量無法及時調(diào)節(jié)，一是污水儲水罐與集水井配合不當(dāng)，二是中間池和清水池水泵需定期手動開啟。

進(jìn)行自動化設(shè)計時，需要利用PLC 控制技術(shù)實現(xiàn)集水井進(jìn)水自動控制，設(shè)計邏輯如圖3 所示，具體方案如下。

圖3 PLC 控制設(shè)計邏輯

首先，觸摸屏為發(fā)令機(jī)構(gòu)，將集水井的電信號傳輸?shù)絇LC并及時反饋到觸摸屏上；PLC為控制單元，用于接收觸摸屏發(fā)送的指令并執(zhí)行；污水罐的閥門為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)完成電氣動作，驅(qū)動閥門動作。

其次，利用水位計采集各環(huán)節(jié)的模擬量信號，用于PLC 模擬量控制。集水井的水位計信號用于控制儲水罐閥門，實現(xiàn)集水井低于0.3 m 時儲水罐閥門打開，高于2.6 m 時儲水罐閥門關(guān)閉。

最后，編寫PLC 控制程序圖和利用觸摸屏組態(tài)含油污水處理流程圖，自動化運行和遠(yuǎn)程控制含油污水的處理。

在含油污水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設(shè)計中，還需要利用PLC 控制實現(xiàn)中間池和清水池水泵的自動控制。首先，利用中間水池液位計和清水池液位計的電信號，控制中間水池水泵的高停低開；其次，清水池水泵則利用中間水池和清水池中液位計提供的電信號實現(xiàn)高開低停；最后，利用觸摸屏以實現(xiàn)集水井水位，運行情況在值班室隨時觀察，方便運維人員進(jìn)行處理。

隨后，對中間水池、清水池及集水井的模擬信號進(jìn)行采集，編寫PLC 控制梯形圖，實現(xiàn)中間池和清水池水泵的自動控制。

在含油污水系統(tǒng)的PLC 控制自動化設(shè)計方案實施后，集水井的人工進(jìn)水操作由平均每月360 次降為每月4 次，中間水池和清水池水泵的手動操作也由平均每月130 次降為每月5 次。由此可見，PLC 控制技術(shù)的應(yīng)用，提高了設(shè)備自動化水平和供水質(zhì)量，對于企業(yè)發(fā)展和社會進(jìn)步都有重要意義。

3.2 PLC 控制技術(shù)在繼電器自動化控制中的應(yīng)用

電氣設(shè)備如發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路以及繼電器等作為電力供應(yīng)的重要媒介及載體，其控制會直接對設(shè)備的運行狀態(tài)產(chǎn)生影響，設(shè)備運行狀態(tài)則會對電力供應(yīng)質(zhì)量和效率產(chǎn)生直接影響。因此，利用PLC控制技術(shù)對繼電器運行進(jìn)行有效控制具有重要意義。

PLC 控制技術(shù)在繼電器自動化控制中的應(yīng)用主要分為3 個部分。（1）對系統(tǒng)的順序控制。PLC 控制技術(shù)主要通過連續(xù)優(yōu)化繼電器控制元素來達(dá)到強(qiáng)化靈敏度、控制序列的目的，還極大降低由控制序列故障等造成的各種問題發(fā)生概率。（2）對開關(guān)量的控制。在電氣自動控制中，積極提高并且優(yōu)化繼電器能有效降低控制操作的失效率，PLC 開關(guān)量控制技術(shù)可以有效提高電自動控制系統(tǒng)的操作精度，這對于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)實際運用中的不良部件、實現(xiàn)系統(tǒng)整體的集中控制、保證自動控制系統(tǒng)的使用效率具有積極作用。（3）對閉環(huán)系統(tǒng)的控制。在實際操作過程中，控制模式以及狀態(tài)通過結(jié)合每個泵的操作來進(jìn)行選擇，在閉環(huán)控制中，PLC 控制技術(shù)的應(yīng)用提升了系統(tǒng)整體的安全性和可靠性。

以熱繼電器為例，其額定電壓為690 V，設(shè)置復(fù)位按鈕、表盤、測試以及停止按鈕；“TH”防護(hù)處理，使其能避免濕熱環(huán)境帶來的影響；-20 ～55 ℃是其正常工作的環(huán)境溫度，-20 ℃以下及70 ℃以上是進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)沫h(huán)境溫度；其額定絕緣電壓為1 000 V，脫扣等級為10 A，能在過載狀態(tài)下快速回到正常操作狀態(tài)。

PLC 對繼電器實行模糊PID 控制，控制模型的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 PLC 控制技術(shù)在繼電器應(yīng)用中的控制模型

PLC 控制技術(shù)在繼電器中的應(yīng)用很好地解決了兼容性問題，能夠在面對不同系統(tǒng)服務(wù)器的情況下保證系統(tǒng)的正常運行。此外，PLC 控制技術(shù)在繼電器中的應(yīng)用使得系統(tǒng)可靠性得到了極大提升，其擁有低于0.36 s 的響應(yīng)速度，接近零的穩(wěn)態(tài)誤差以及90%以上的精度。

4 結(jié) 論

電氣設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域中作為其生產(chǎn)基礎(chǔ)，對于工業(yè)生產(chǎn)的平穩(wěn)發(fā)展具有重要意義。不斷提高電氣設(shè)備的自動化控制水平已是發(fā)展所趨，需要對PLC 控制技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，不斷放大其技術(shù)優(yōu)勢，使其與電氣設(shè)備更快、更好地融合。此外，PLC 控制技術(shù)在自動化控制中的應(yīng)用質(zhì)量也能得到強(qiáng)化，這對于我國工業(yè)自動化具有相當(dāng)積極的作用。