摘要：在現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展進程中，電氣儀表自動化控制對提升生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全與產(chǎn)品質(zhì)量意義非凡。可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)屬于先進的自動化控制技術(shù)，在電氣儀表自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。將深入闡述PLC技術(shù)的原理、特性與編程語言，詳細探討在電氣儀表自動化控制里的數(shù)據(jù)采集、控制邏輯執(zhí)行、故障診斷等應(yīng)用，剖析該技術(shù)應(yīng)用時的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，并對其未來發(fā)展予以展望。期望為提高PLC技術(shù)在電氣儀表自動化控制中的應(yīng)用給予理論與實踐的指引。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；電氣儀表；自動化控制；數(shù)據(jù)采集

電氣儀表可實時監(jiān)測并反饋多種工業(yè)參數(shù)，像溫度、壓力、流量、電壓、電流等。自動化控制則依據(jù)這些參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與管理生產(chǎn)流程［1］。PLC技術(shù)因自身出色性能已成為電氣儀表自動化控制的重要技術(shù)方式。

1PLC技術(shù)概述

1.1PLC的基本原理

PLC的硬件主要由中央處理單元（CPU）、輸入輸出（I/O）模塊、電源、存儲器以及通信接口等部分組成。其中，CPU是PLC的核心部分，承擔(dān)著執(zhí)行程序指令、邏輯運算與數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。I/O模塊是PLC和外部設(shè)備相連的紐帶，分為模擬量I/O模塊與數(shù)字量I/O模塊。模擬量I/O模塊用來處理連續(xù)變化的模擬信號；數(shù)字量I/O模塊則用于處理離散的數(shù)字信號。電源為PLC系統(tǒng)供應(yīng)穩(wěn)定的電力。存儲器用來存儲用戶程序、系統(tǒng)程序以及數(shù)據(jù)，包含程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器。通信接口讓PLC能夠與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。PLC采用循環(huán)掃描的工作模式，這種工作模式保證了PLC能夠有序地處理各類輸入輸出信號，并且可靠性和穩(wěn)定性都很高［2］。

1.2PLC的特點

1.2.1與傳統(tǒng)控制手段對比的優(yōu)勢

（1） 可靠性

傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)易受機械觸點的磨損、電弧等影響，導(dǎo)致故障常有發(fā)生。PLC卻不同，它使用無觸點電子元件，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化，抗干擾能力強。PLC有自診斷功能，可及時察覺自身硬件故障，還能報警、切換備用模塊等，系統(tǒng)可靠性大幅提高。

（2） 靈活性

傳統(tǒng)控制方式在布線結(jié)束后，若要改動控制邏輯極為艱難，常常要重新布線。PLC則靠軟件編程實現(xiàn)控制邏輯，當(dāng)生產(chǎn)工藝變化或者控制功能需調(diào)整時，修改程序就行，不必變動硬件接線。這讓PLC能迅速適應(yīng)不同生產(chǎn)需求，系統(tǒng)改造周期得以大大縮短。

（3） 通用性

PLC適用于多種工業(yè)領(lǐng)域和控制任務(wù)。它有豐富的I/O模塊和功能指令，能依據(jù)具體應(yīng)用場景靈活配置。不管是簡單邏輯控制，還是復(fù)雜模擬量控制、運動控制等，PLC都能出色地完成。

1.2.2適應(yīng)多種工業(yè)環(huán)境的能力

PLC在惡劣工業(yè)環(huán)境下仍可正常工作。其外殼由堅固金屬材料制成，防塵、防水、防震性能好。溫度方面，PLC能在較寬溫度范圍運行，像部分工業(yè)級PLC在-20～70 ℃的環(huán)境溫度下能穩(wěn)定工作。在濕度高的環(huán)境中，PLC內(nèi)部電路設(shè)計和防護措施可避免水分侵入引發(fā)短路等問題。另外，在有電磁干擾的環(huán)境下，PLC運用屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)等電磁兼容措施，能有效抑制外界電磁干擾對內(nèi)部電路的影響。

1.3PLC的編程語言

1.3.1常見的PLC編程語言

（1） 梯形圖（LAD）

梯形圖屬于圖形化編程語言，其形式與傳統(tǒng)繼電器控制電路原理圖相近。它由母線、常開觸點、常閉觸點、線圈等基本元素構(gòu)成，用連線表明邏輯關(guān)系。比如在電氣儀表自動化控制中，若要實現(xiàn)溫度超過某設(shè)定值時啟動冷卻設(shè)備的控制邏輯，在梯形圖中可用常開觸點表示溫度傳感器信號，當(dāng)此觸點閉合（也就是溫度超過設(shè)定值）時，對應(yīng)的線圈得電，進而啟動冷卻設(shè)備的控制繼電器。

（2） 指令表（IL）

指令表是基于指令助記符的編程語言，類似計算機匯編語言，以助記符形式表示操作指令，像LD（裝載）、AND（與）、OR（或）、OUT（輸出）等。指令表編程語言的優(yōu)點是程序緊湊、執(zhí)行效率高，適合有一定編程經(jīng)驗的用戶編寫復(fù)雜控制邏輯。

（3） 功能塊圖（FBD）

功能塊圖運用類似數(shù)字電路中邏輯門（如與門或門、非門、定時器、計數(shù)器等）的圖形符號表示各種功能塊。把這些功能塊按一定邏輯關(guān)系連接起來，就能構(gòu)建復(fù)雜控制邏輯。功能塊圖的特點是邏輯結(jié)構(gòu)清晰，便于進行模塊化編程。

1.3.2不同編程語言在電氣儀表自動化控制中的適用性梯形圖語言因其直觀性，能迅速把傳統(tǒng)繼電器控制邏輯轉(zhuǎn)變成PLC程序。指令表語言在程序執(zhí)行中效率高且在控制邏輯復(fù)雜的電氣儀表自動化控制中有優(yōu)勢。功能塊圖語言適用于大型、復(fù)雜電氣儀表自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計。

2PLC技術(shù)在電氣儀表自動化控制中的應(yīng)用

2.1數(shù)據(jù)采集

2.1.1數(shù)據(jù)連接方式

PLC和電氣儀表的數(shù)據(jù)連接方式主要有模擬量輸入連接與數(shù)字量輸入連接這2種。輸出模擬信號的電氣儀表，如部分溫度傳感器、壓力傳感器等，一般會輸出4～20 mA的電流信號或者0～10 V的電壓信號。

2.1.2采集數(shù)據(jù)的類型及原理

PLC能夠采集多種電氣儀表的數(shù)據(jù)。以采集電壓和電流數(shù)據(jù)為例，對于電壓數(shù)據(jù)，電氣儀表輸出的電壓信號接入PLC的模擬量輸入模塊后，模擬量輸入模塊中的電路會先對電壓信號進行分壓、濾波等預(yù)處理，之后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）把模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。而對于電流數(shù)據(jù)，模擬量輸入模塊會把電流信號經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺匍_展后續(xù)處理。

2.1.3采集數(shù)據(jù)的處理方法

在數(shù)據(jù)采集期間，為提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，PLC需要對采集的數(shù)據(jù)進行處理。濾波是常見的數(shù)據(jù)處理方式之一，借助濾波算法能夠消除采集數(shù)據(jù)里的噪聲干擾。例如運用一階低通濾波算法，它依據(jù)當(dāng)前采集值與上一次濾波后的值按照特定權(quán)重算出濾波后的結(jié)果，進而將數(shù)據(jù)里的高頻噪聲平滑掉。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也是關(guān)鍵的處理環(huán)節(jié)。采集到模擬量數(shù)據(jù)后，要把它轉(zhuǎn)化成實際的物理量值。比如，對于4～20 mA的電流信號采集，假定采集到的數(shù)字量為N，對應(yīng)的物理量（像壓力）的量程是Pmin-Pmax，那么能夠憑借公式把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為實際的壓力值，這里的Nmin和Nmax分別是對應(yīng)4 mA和20 mA電流信號的數(shù)字量值［3］。

2.2控制邏輯執(zhí)行

2.2.1通過邏輯運算實現(xiàn)控制邏輯

PLC借助自身內(nèi)部的邏輯運算功能實現(xiàn)電氣儀表的控制邏輯。與、或、非運算是最為基本的邏輯運算。在電氣照明系統(tǒng)的控制里，存在A和B2個開關(guān)，規(guī)定唯有這2個開關(guān)都閉合（即A與B）時燈才會亮，這就能夠憑借PLC與邏輯運算來實現(xiàn)。PLC的輸入點分別與開關(guān)A和B的狀態(tài)信號相連接，在程序中運用與邏輯指令針對這2個輸入信號開展運算，當(dāng)運算結(jié)果為真時，輸出點對燈的繼電器進行控制使其得電，燈就亮了。除了基本邏輯運算之外，PLC還能夠進行組合邏輯運算。

2.2.2典型控制任務(wù)中的實現(xiàn)過程

以設(shè)備啟?？刂茷槔?，在對水泵進行控制時，利用液位傳感器對水箱中的水位予以監(jiān)測。液位傳感器輸出的信號連接到PLC的輸入點，當(dāng)水位處于下限值以下時，PLC接收到相應(yīng)的輸入信號后，經(jīng)邏輯運算，輸出信號對水泵啟動繼電器加以控制，從而讓水泵開始抽水。而當(dāng)水位達到上限值時，液位傳感器的信號出現(xiàn)變化，PLC再次進行邏輯運算，輸出信號使水泵停止運行。

在參數(shù)調(diào)節(jié)控制方面，以空調(diào)系統(tǒng)中的溫度調(diào)節(jié)舉例。溫度傳感器把室內(nèi)溫度信號傳輸給PLC的模擬量輸入模塊，PLC把采集到的溫度數(shù)值與設(shè)定的溫度數(shù)值進行對比。若實際溫度比設(shè)定溫度高，PLC經(jīng)由邏輯運算輸出控制信號給空調(diào)的制冷設(shè)備，對制冷量進行調(diào)節(jié)，從而讓溫度降低；若實際溫度低于設(shè)定溫度，就對加熱設(shè)備進行控制，增加熱量，使溫度升高。

2.2.3復(fù)雜控制邏輯中的應(yīng)用機制

在順序控制上，PLC可憑借順序功能圖（SFC）實現(xiàn)復(fù)雜的順序控制邏輯。例如在自動化生產(chǎn)線上，產(chǎn)品加工得依照多個工序依次開展，物料的輸送、加工、檢測等工序。SFC把整個生產(chǎn)過程拆分成多個步序，每個步序?qū)?yīng)一項特定操作，PLC依據(jù)步序的轉(zhuǎn)移條件按順序執(zhí)行各項操作。在每個步序里，PLC能夠?qū)ο嚓P(guān)電氣儀表予以控制，例如在加工步序中，控制加工設(shè)備的運行參數(shù)，并且利用電氣儀表監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)。在聯(lián)鎖控制里，PLC依照多個電氣儀表的狀態(tài)信號，經(jīng)邏輯運算確保系統(tǒng)在安全、可靠的狀態(tài)下運行。例如在化工生產(chǎn)流程中，反應(yīng)釜的溫度、壓力等參數(shù)需要進行聯(lián)鎖控制，保證反應(yīng)釜的安全［4］。

2.3故障診斷

2.3.1監(jiān)測故障信號的途徑

PLC監(jiān)測電氣儀表故障信號有硬件監(jiān)測與軟件判斷2種主要途徑。在硬件監(jiān)測方面，PLC的I/O模塊自身具備一定的硬件故障檢測能力。比如，模擬量輸入模塊能夠檢測輸入信號是否超出正常的范圍，要是輸入信號過高或者過低，這或許意味著傳感器有故障或者線路連接存在問題。數(shù)字量輸入模塊則可以檢測輸入信號的電平是否正常，正常情況下應(yīng)該為高電平的輸入信號，要是長時間處于低電平狀態(tài)，可能就表明對應(yīng)的開關(guān)出現(xiàn)故障或者線路短路了。

2.3.2故障診斷方法

基于規(guī)則的故障診斷方法：依據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則判斷故障。以電氣設(shè)備的電流監(jiān)測為例，若規(guī)定當(dāng)電流超出額定電流的1.5倍，并且持續(xù)時長超過10 s時判定為過載故障。則PLC對采集到的電流數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，一旦滿足該規(guī)則，就判定為過載故障?；跔顟B(tài)監(jiān)測的故障診斷方法：PLC為電氣儀表的正常工作狀態(tài)建立模型，之后把采集到的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)與模型對比來診斷故障。

2.3.3故障診斷結(jié)果的反饋與處理方式

當(dāng)PLC診斷出電氣儀表存在故障后，會以多種途徑反饋故障診斷結(jié)果。常見的方式是借助聲光報警器發(fā)出報警信號，以此提醒現(xiàn)場操作人員。同時，PLC還會記錄故障信息，這些信息可存儲于內(nèi)部存儲器，或者經(jīng)由通信接口發(fā)送至上位機。故障記錄涵蓋故障發(fā)生的時間、故障類型、相關(guān)電氣儀表的參數(shù)等內(nèi)容，方便維護人員進行故障排查與分析。

3結(jié)語

PLC技術(shù)在電氣儀表自動化控制方面應(yīng)用廣泛且極具意義。它依靠諸多優(yōu)勢與功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制邏輯執(zhí)行和故障診斷等多方面工作。持續(xù)提升PLC技術(shù)的性能，從而進一步推動電氣儀表自動化控制水平邁向新高度。

參考文獻：

［1］趙浩然.基于PLC的電氣儀表自動化控制研究［J］.信息記錄材料，2024，25（8）：97-99.

［2］楊濤，李念.PLC技術(shù)在電氣工程自動化控制中的應(yīng)用［J］.造紙裝備及材料，2024，53（7）：113-115.

［3］季鵬飛.PLC技術(shù)在電氣工程及其自動化控制中的應(yīng)用分析［J］.中國信息化，2024（4）：62-63，61.

［4］吳濤.淺談PLC技術(shù)在電氣工程及其自動化控制中的應(yīng)用［J］.時代汽車，2024（7）：13-15.

作者簡介：馬奇友，男，四川瀘縣人，工程師，碩士研究生，研究方向：自動化電氣儀表及供應(yīng)鏈管理。