謝偉健

（廣州南方電力集團(tuán)電氣技術(shù)有限公司，廣東廣州 510000）

1 PLC技術(shù)簡析

1.1 PLC技術(shù)綜述

PLC 技術(shù)在早期應(yīng)用時(shí)，可以制作出一類具有邏輯控制能力的設(shè)備開關(guān)，能夠使一些完全不具備自動(dòng)化工作能力的設(shè)備在計(jì)算機(jī)控制程序的統(tǒng)一調(diào)度下，以PLC 裝置為媒介，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

1.2 PLC技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）程序代碼編制過程幾乎可以省略，用戶端的編程難度得到了大幅度減小，即使毫無編程基礎(chǔ)的人也可以在說明書的指導(dǎo)下，對(duì)與設(shè)備連接的PLC 裝置對(duì)應(yīng)的“設(shè)備動(dòng)作流程”進(jìn)行編輯[1]。原因在于，常規(guī)意義下的編程是指基于C 語言、C++、Java 等語言，通過輸入多行代碼，定向控制設(shè)備做出各類動(dòng)作。在PLC 技術(shù)得到應(yīng)用之后，上述環(huán)節(jié)由PLC 生產(chǎn)廠家直接完成，“基于代碼控制設(shè)備動(dòng)作”的程序已經(jīng)在出廠前被植入PLC 芯片中。在此基礎(chǔ)上，用戶端呈現(xiàn)出的“控制編輯界面”實(shí)際是“設(shè)備動(dòng)作執(zhí)行順序選擇界面”，用戶只需根據(jù)需要，對(duì)設(shè)備執(zhí)行各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)動(dòng)作的次數(shù)、先后順序完成調(diào)整、設(shè)定即可。

（2）PLC 裝置體積很小，一般不會(huì)超過常規(guī)繼電器控制柜的體積，在運(yùn)行控制程序期間消耗能量較少。

1.3 PLC裝置的組成

圖1為PLC 裝置的組成。主要部件及作用如下。

圖1 PLC裝置的構(gòu)成

（1）CPU，即芯片或處理器。一般來說，小型PLC 的CPU 多選擇8位微處理器或是單片機(jī)，中型PLC 多選擇16位微處理器或是單片機(jī)，大型PLC 采用高速位片式微處理器（如AMD-2900）。CPU 的主要功能集中在4個(gè)方面：①接受或存儲(chǔ)控制程序；②通過掃描的方式，獲得輸入單元傳遞來的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息后將其存入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域；③可以定向執(zhí)行監(jiān)控程序以及有關(guān)用戶程序；④能夠響應(yīng)外部設(shè)備發(fā)來的請(qǐng)求，并控制當(dāng)前連接設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作。

（2）存儲(chǔ)器，一般分為RAM 存儲(chǔ)器以及ROM存儲(chǔ)器。其中，RAM 存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)多種類型的暫存數(shù)據(jù)、一些程序運(yùn)行過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果、當(dāng)前正處于編輯調(diào)試狀態(tài)且尚未被正式存儲(chǔ)的程序。ROM 存儲(chǔ)器的主要作用是存儲(chǔ)已經(jīng)完成調(diào)試的程序以及正在應(yīng)用過程中的監(jiān)控程序。

（3）輸入接口，主要作用是將PLC 裝置內(nèi)置的按鈕、開關(guān)、傳感器等受各種因素影響而產(chǎn)生的信號(hào)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，之后傳送到主機(jī)端。PLC 裝置基于輸入接口與其他輸入電路連接后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電平的轉(zhuǎn)換，從而使自身能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)電平進(jìn)行處理。通常情況下，所有類型的PLC 裝置的輸入電路都基本一致——其中會(huì)設(shè)置光耦合器、RC 濾波器，主要用于隔離、消除因觸點(diǎn)抖動(dòng)而產(chǎn)生的外部噪聲干擾。

（4）輸出接口，基于光電隔離技術(shù)設(shè)計(jì)而成，能夠?qū)LC 裝置內(nèi)部線路與外部電路在“電氣”層面進(jìn)行有效隔離，從而降低PLC 裝置可能受到的電磁干擾。輸出接口的主要作用是能夠?qū)LC 逐級(jí)向外輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變成能夠“驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行電路的特定信號(hào)”，從而達(dá)到對(duì)接觸線圈等電器通斷電的有效控制。此外，輸出電路還可以將計(jì)算機(jī)與外部的強(qiáng)電環(huán)境進(jìn)行整體隔離，避免計(jì)算機(jī)受到強(qiáng)電作用而被擊穿[2]。

2 PLC技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

2.1 基于PLC技術(shù)的電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟及選型分析

2.1.1 設(shè)計(jì)步驟

（1）調(diào)查電氣設(shè)備（機(jī)組）的控制功能。①需要調(diào)查被控制設(shè)備的工藝原理、工作特點(diǎn)、具備的功能及特點(diǎn)。②明確需要被直接控制的事項(xiàng)以及與設(shè)備自動(dòng)化控制有關(guān)的設(shè)計(jì)要求。③編制詳細(xì)的控制循環(huán)圖及控制狀態(tài)圖。④確定自動(dòng)化控制方式。圍繞上述4項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行全方位分析，電氣設(shè)備機(jī)組在運(yùn)行過程中如果并未對(duì)工作環(huán)境提出較為嚴(yán)苛的要求，設(shè)備運(yùn)行期間的整體可靠性較強(qiáng)、控制過程的復(fù)雜程度較高且控制信號(hào)相對(duì)較多，控制工藝流程可能會(huì)根據(jù)生產(chǎn)要求經(jīng)常發(fā)生變化，則適合采用PLC 技術(shù)進(jìn)行控制。

（2）電氣控制方案的制訂?；赑LC 控制電氣機(jī)組設(shè)備時(shí)，控制的程度可分為單機(jī)運(yùn)行、多級(jí)聯(lián)合運(yùn)行、半自動(dòng)控制、全自動(dòng)控制等多種類型。因此，技術(shù)人員首先需要明確電氣機(jī)組設(shè)備的控制要求，選擇合適的控制形式。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)確定在建構(gòu)控制系統(tǒng)的過程中，系統(tǒng)除了對(duì)各項(xiàng)設(shè)備的“作業(yè)”進(jìn)行直接控制外，是否還需要設(shè)置其他控制功能。例如：①系統(tǒng)中的某些設(shè)備、電路出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)是否需要立刻圍繞故障產(chǎn)生原因進(jìn)行檢查，且是否需要立刻發(fā)出預(yù)警信息。②如果故障嚴(yán)重程度較大，已經(jīng)進(jìn)入“緊急”狀態(tài)，那么控制系統(tǒng)是否應(yīng)該預(yù)先存儲(chǔ)處理方案?？傊?，充分考慮這些問題，可提高PLC 控制系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。③應(yīng)確定PLC 控制電路下的輸入、輸出設(shè)備以及相應(yīng)的控制信號(hào)的特點(diǎn)。不同的電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)“控制”的要求存在差異，故在設(shè)置控制系統(tǒng)時(shí)，首先需要確定系統(tǒng)的輸入設(shè)備數(shù)量及種類，明確輸入信號(hào)具有哪些特點(diǎn)。例如一些自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心輸入控制信號(hào)是開關(guān)量，還有一些控制系統(tǒng)的核心輸入控制信號(hào)是模擬量。如果沒有將這些要素梳理清楚，那么控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中很可能因?yàn)檩斎搿⑤敵鲂畔⒉唤y(tǒng)一而出現(xiàn)故障。

2.1.2 選型分析

（1）應(yīng)重點(diǎn)圍繞PLC 裝置的型號(hào)，單元模塊、輸入輸出類型、點(diǎn)數(shù)、附屬設(shè)備、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行全方位考量。

（2）在基于已經(jīng)確定的電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)該設(shè)置的輸入、輸出設(shè)備，完成PLC 裝置的選定之后，技術(shù)人員應(yīng)將輸入、輸出設(shè)備與PLC 裝置的輸入、輸出接口的地址對(duì)照表逐一列出，進(jìn)一步提高編制控制程序、設(shè)計(jì)接線圖以及硬件安裝裝置的便利性。此外，在分配輸入、輸出點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該注重規(guī)律性。

（3）決定PLC 裝置性能的要素如下：①響應(yīng)速度。PLC 芯片或處理器對(duì)控制程序語句的處理時(shí)間與總體掃描周期均會(huì)直接決定響應(yīng)速度，應(yīng)予以重視。②存儲(chǔ)容量。以小型PLC 為例。一般估算用戶存儲(chǔ)器容量的依據(jù)是，將PLC 的總點(diǎn)數(shù)乘以10，之后即可完成較為精確的估算。③擴(kuò)展功能。決定PLC 擴(kuò)展單元能力的要素包括但不限于擴(kuò)展單元數(shù)量、種類、所占的通道數(shù)、擴(kuò)展口的形式等內(nèi)容。④在選擇PLC裝置的結(jié)構(gòu)形式時(shí)需要考慮到：整體式的PLC 裝置相較于模塊式的PLC 裝置，在經(jīng)濟(jì)成本方面更具優(yōu)勢(shì)（即價(jià)格更低）。同時(shí)，整體式PLC 裝置的體積較小，適用性更強(qiáng)。但問題在于，整體式PLC 裝置的硬件配置靈活程度不如模塊式。

2.2 基于PLC技術(shù)的電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案

基于PLC 技術(shù)的電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體思路：確定采用集中式控制系統(tǒng)還是分布式控制系統(tǒng)。以集中控制單臺(tái)電氣設(shè)備為例，其核心控制原理是“單一PLC 裝置直接控制設(shè)備對(duì)象”。實(shí)現(xiàn)控制過程的注意事項(xiàng)是：控制系統(tǒng)對(duì)PLC 的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量有關(guān)的要求較少。因此，控制系統(tǒng)的構(gòu)成較為簡單，通常不必考慮與其他PLC 控制器或控制計(jì)算機(jī)的通信需求。但在當(dāng)前的電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，單臺(tái)控制形式只是整體控制的一環(huán)，為了方便后續(xù)將單臺(tái)設(shè)備納入整體控制系統(tǒng)，在進(jìn)行單臺(tái)設(shè)備集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮后續(xù)可能出現(xiàn)的通信需求。如果采用集中控制系統(tǒng)控制多臺(tái)設(shè)備時(shí)，只需要將不同的控制對(duì)象與PLC 裝置中指定的輸入、輸出接口相連即可。基于PLC 的集中式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體思路有3種。①可在PLC 下設(shè)置通信模塊，以此對(duì)遠(yuǎn)程I/O 模塊進(jìn)行控制。②適合應(yīng)用于被控制對(duì)象遠(yuǎn)離集中控制室的場景。③在一個(gè)控制系統(tǒng)中，可以設(shè)置的遠(yuǎn)程I/O 通道數(shù)量并非固定值，由被控制對(duì)象在一定范圍內(nèi)的分散程度及與PLC 裝置之間的距離決定。此外，PLC 裝置具有多少條通道，也決定控制對(duì)象上限。

如果采用分布式控制系統(tǒng)時(shí)，可設(shè)置的通信控制結(jié)構(gòu)如下：①控制計(jì)算機(jī)與多個(gè)PLC 裝置彼此之間保持串聯(lián)連接的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，每一個(gè)PLC 裝置都與一個(gè)特定的設(shè)備串聯(lián)。這種控制方式的缺點(diǎn)在于，一旦處于“串聯(lián)線路中”的一個(gè)PLC 裝置出現(xiàn)故障，便會(huì)導(dǎo)致后續(xù)PLC 裝置全部中斷連接。因此，這種通信控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)很少應(yīng)用。②控制計(jì)算機(jī)與多個(gè)PLC 裝置并聯(lián)，且每一個(gè)PLC 裝置與被控制設(shè)備之間串聯(lián)。這種分布式PLC 控制結(jié)構(gòu)是最常見、運(yùn)行過程穩(wěn)定性最高的方式。其特點(diǎn)是，任何一個(gè)PLC裝置都被控制計(jì)算機(jī)直接控制，其中一個(gè)出現(xiàn)問題后，也不會(huì)影響其他PLC 裝置及設(shè)備。因此，應(yīng)盡量采用該結(jié)構(gòu)。

2.3 基于PLC技術(shù)的電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方案

（1）梯形圖編程語言。這種編程語言與繼電器控制電路的程序控制形式相同，或是可以作如下理解——梯形圖編程語言是在電氣控制系統(tǒng)中十分常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上，對(duì)一些符號(hào)進(jìn)行簡化之后演變成的一種更具直觀性、實(shí)用性、生動(dòng)性、更容易被電氣技術(shù)人員接受、應(yīng)用范圍較廣的PLC 編程語言。例如傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)中常用的繼電器控制電路控制原理描述方法是：電路中可能存在多個(gè)種類的電力元器件，如開關(guān)、電容等。這些不同類型元器件在控制程序中均被賦予不同的表示符號(hào)。因此，在常規(guī)描述及控制程序編寫過程中，這些符號(hào)呈現(xiàn)出“雜亂無章”的特點(diǎn)，很可能因?yàn)榻菢?biāo)數(shù)字處出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致電路整體運(yùn)行出現(xiàn)問題?；谔菪螆D編寫控制語言時(shí)，表達(dá)電路中各類裝置的符號(hào)得到了全面簡化，控制程序整體更加簡潔、明了，運(yùn)行過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率會(huì)明顯降低。

（2）指令表與梯形圖的整體控制程序編寫。上文提到，PLC 技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之一是，控制程序編寫過程十分簡單，即使非計(jì)算機(jī)程序控制專業(yè)出身的操作人員也可以在說明書的指導(dǎo)下，根據(jù)提示一步一步完成功能指令的編寫。以三菱FX 系列PLC 的基本邏輯控制指令編寫過程為例，在根據(jù)梯形圖完成電氣自動(dòng)化控制電路圖的設(shè)計(jì)之后，需要明確一個(gè)原理——電路圖是以“整體”的形式，將多個(gè)控制流程融入同一個(gè)電路圖中。但PLC裝置在實(shí)際控制期間，電路圖中的某些元器件并不在控制范圍，由此需要運(yùn)用“取指令”與“輸出指令”，實(shí)現(xiàn)對(duì)“需要控制的元器件”的“定向選取”。常用的取指令與輸出指令包括LD、LDI、LDP、LDF、OUT。上述5 個(gè)指令的含義及功能分別是：①LD，是一個(gè)“取指令”，主要用于決定一個(gè)PLC 控制電路中的“常開觸點(diǎn)”與左側(cè)母線是否連接的指令。所有以“常開觸點(diǎn)”開始的邏輯命令行都需應(yīng)用該指令。②LDI，是一個(gè)“取反指令”，主要用于決定一個(gè)常閉觸點(diǎn)與左母線的連接指令，且每一個(gè)常閉觸點(diǎn)開始的邏輯命令行都需應(yīng)用這一指令。③LDP，屬于“取上升沿指令”，用于向與左母線連接的常開觸點(diǎn)發(fā)布“上升沿檢測”的指令。該指令只能夠在制訂位元件的上升沿時(shí)，接通一個(gè)掃描周期（之前的開關(guān)狀態(tài)為OFF，之后轉(zhuǎn)為IN）時(shí)方可運(yùn)用。④LDF，屬于“取下降沿指令”，用于與左母線連接的常閉觸點(diǎn)的下降沿檢測指令。與LDP 不同，LDF 指令運(yùn)用時(shí)，無需考慮指定位元件之前的狀態(tài)。⑤OUT 指令，是一個(gè)“輸出指令”，主要用于對(duì)電路中的線圈等設(shè)備或元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

在電氣工程自動(dòng)化控制中應(yīng)用PLC 技術(shù)時(shí)，與取指令、輸出指令有關(guān)的設(shè)計(jì)要素是：①LD、LDI指令不僅能夠用于輸入與左母線相連的觸點(diǎn)，還能夠與ANB、ORB 等指令互相配合，共同完成與“塊邏輯”有關(guān)的邏輯運(yùn)算。②LDP、LDF 兩個(gè)指令如上文所述，只有當(dāng)對(duì)應(yīng)元件處于有效狀態(tài)且至少能夠維持一個(gè)掃描周期接通狀態(tài)下，方可使用這兩個(gè)指令。③LD、LDI、LDP 三個(gè)指令的目標(biāo)元件應(yīng)該為梯形圖下標(biāo)注符號(hào)為X、Y、M、C、S 的元件。④OUT 指令可以連續(xù)多次下達(dá)。但針對(duì)定時(shí)器和數(shù)據(jù)器兩類元件，當(dāng)OUT 指令下達(dá)之后，需要立刻完成有關(guān)指令常數(shù)K的設(shè)定。

3 結(jié)束語

綜上所述，PLC 技術(shù)應(yīng)用于電氣工程自動(dòng)化控制時(shí)，整體具有靈活性高、控制便利性大、成本低、控制效果好的特點(diǎn)。在具體應(yīng)用時(shí)，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)盡量采用分布式控制結(jié)構(gòu)；在軟件設(shè)計(jì)方面，應(yīng)采用梯形圖與指令表相結(jié)合的方式?？傊琍LC 的運(yùn)用較為簡單且效果較好，應(yīng)予以推廣。