电气工程控制系统中PLC技术的应用分析

烟台港集装箱码头有限公司 齐英君 赵海铭

信息化技术的不断研发和更新为我们的生产与生活带来了极大的便利，其中PLC 技术也在一定程度上得到巨大的提升。PLC 技术为可编程的逻辑控制器技术，其在极其设备的制造中有着十分重要的应用。主要是因为该计算能够对开关和顺序进行自由控制，达到机械设备操控的自动化效果和目标。因此在电气工程的控制系统中，要想切实提升其工程的自动化控制技术，则必须要对PLC 技术进行详细法分析，以此来提升整体工程的自动化控制水平，加快生产效率，为人们提供高效、高质量的电气服务。

1 PLC 技术的概念

PLC 技术是一种可以被扩展的编程控制器，也是一种基于计算机技术的控制方式。在本身PLC 系统中会分布如电源、中央处理器和模拟量的输入和输出模块等形式，以此来实现真正的智能控制功能。PLC 技术原理为：结合输入模块的运行，将现场被读取到的信号和设备状态输入到系统中，随后结合中央处理器来根据程序所编写的逻辑关系来实现智能的逻辑控制。

随着计算机技术和自动化控制技术的不断发展，很多人员将计算机和PLC 技术融合在一起，将其组合成为大型的DCS 系统[1]。同时在系统中也应用到了高速CPU 和计数以及脉冲控制等模块内容，进而提升PLC 在实际过程中的控制能力，并且也可实现有效的数据共享和快速的程序设计等功能，并根据这些灵活的程序设计来以语句表和梯形图来系统的表示现有的工艺流程。

2 PLC 技术的特点和应用价值

2.1 特点

其有着极为广泛的应用。在目前的相关工程生产作业中，将PLC 或者是一些工控机等工控设备应用到生产过程中已经是现代制造企业普遍的做法，也可以表示为，现代的产品生产与制造、工业生产都离不开PLC 系统[2]。结合该系统能够实现真实的人机交换、准确且高效的设备远程可控制以及精准参数设置等功能，在工业生产现场可以随处可见数据的实时传输。同时也可经过灵活的程序开发来对设备本身的智能化和自动化以及网络技术化水平进行全面提升。另外在工业现场中，可以利用通讯协议来将其分散的控制节点和上位机进行融合，共同组成一套大型的控制系统，为技术人员乃至整个工程的生产与建设都创造了极大的便利条件。

网络化的工业生产。在PLC 系统中，其所实现的数据集散控制和远程的提取与控制等内容都是依靠着其本身灵活多样的通讯接口所实现的，如目前工业生产中应用较为广泛的数据监控平台、DCS 系统等[3]。同时PLC 系统能够利用自由口和Modbus等通讯协议来实现第三方设备的通讯。并且该系统也可利用时序的控制来对单一的网络进行数据轮询的操作，提升了整体网络的利用率，拓展其利用的实际范围。在PLC 丰富的通讯协议接口支持下，其能够将现场的一些设备以数字化整合的方式共同融入到DCS 控制系统中，以此来实现现场设备层的有效控制，如传感器、智能仪表和执行器等设备。

2.2 价值

PLC 技术本身具有较高的可塑性，在实际应用中以其极高的适用性和灵活性广受工程生产的青睐。在一般的工程实施过程的控制中，其可以根据系统内丰富的逻辑程序来完成相对应的对象控制操作，且可采取与计算机技术同类型的数据格式来实现用户简便编程操作，如对循环、分支、选择、判断等结构进行工艺控制等。

同时在PLC 系统的编程软件中，其为工程生产提供大量的软件构件，如动断触点、寄存器、储存器、定时器或者是一些特殊功能的继电器等，尤其是以西门子为代表的PLC 龙头企业仅有指令语句形式的编程语言，其可以像汇编语言一样实现结构化的编程，在实际工程应用中可以对该程序进行重复使用，以便于实现子程序的创建，进而实现编写成带输入与输出接口的程序目标，这样只要赋值于输入储存器就可以得到自己需要的结果。在此期间也可对子程序的重复调用来对成产期间重复进行的动作进行逐渐完成。如西门子公司在其软件开发期间，将过程中控制中常见的PID 控制和变频器控制以及读写系统实践等编写成功能模块，程序开发人员可以使用这些模块来减少编程存在的负担，减少了大量去现场解决问题的时间。

又如一些电动机电流也可根据现场的仪表通讯接口来远程传送到控制以实现实时监控，这些现场数据的采集也保障工程生产过程的连续与安全性，并且对于节能等环保作业也有着极大的促进作用。

3 PLC 控制系统的设计原则与内容

在电气工程中，其整个系统的核心控制核心就是可编程的逻辑控制器，其控制器设计的质量关系到整个系统的运行和管理。在PLC 控制系统中需要注意三点控制原则。

对设计成本进行科学控制。成本的支出与企业生产的效益完全挂钩，合理的成本控制不仅可以提升企业的经济效益，同时也可为后续系统的维护与保养预留出资金，也为系统的升级和研发预留出重要的资金，保障整个系统的安全运行，这也是系统设计的首要原则。

提升控制效率以保障产品满足质量要求。在原始的设计原则基础上，明确详细的控制系统需求，随后对系统做好需求分析、选择适合的CPU、确定输入设备与输出设备。

随后设计I/O 模块与CPU 模块，绘制基本的系统原理图，最后编写控制程序，对程序进行调试和测试，完善其本身的系统功能[4]。

4 PLC 技术在电气工程控制系统中的发展历程

PLC 起源于上个世纪六十年代，当时美国通用汽车公司为了对其工厂生产线的问题进行调整，且继电器顺序控制系统电路修改费时一般出现难以维护的重要问题[5]。在PLC 出现之前，汽车行业的总体控制和顺序控制以及安全互锁逻辑控制必须要根据多种继电器、定时器和一些专用的闭环控制器来完成，这些器械的体积庞大，且噪声极大，在后续相关联络系统检修期间对于操作人员的要求也相对较高，也浪费了大量的人力和物力资源。

为了解决这些问题的发生，美国通用汽车公司在1968年开始招标，并设计一套新的系统来代替继电器系统。由此美国数字设备公司（DEC）于1969年开发出第一台PDP-14的控制器，并且在自动装配线上成功使用。随后在上个世纪七十年代初期将微处理器技术引入到PLC 中后，促使PLC 具有算术功能和多位数字的信号输出与输入功能。

于1971年，日本从美国引入该技术，并且也迅速发展与开发自己的DCS-8的可编程控制器。德国与法国从1973年到1974年也有着自己的技术；中国在1977年开发了自己第一款可编程的逻辑控制器，但是其所使用的微处理器内核是MC14500。在上个世纪七十年代中期，远程通信、模拟输出和NC 伺服控制等技术被加入到PLC 中[6]。等到八十年代以后，引入了PLC 高速通讯网络功能，这也使其增加了一些特殊的输入与输出端口、人机交互界面和高功能指令等功能，对于数据的采集与分析有着高效率的保障。在目前的大环境背景下，PLC 技术前景十分广阔，如电气工程等多个相关行业都开始应用到该技术，但是在实际应用期间容易受到主观与客观的影响导致其作用没有被完全发挥。因此在未来还需要进一步探究该技术的内涵和应用范围，使其为我们的工业生产创造更大的价值。

5 PLC 技术在电气工程控制系统的实际应用

本文以电气工程中很多工厂中的热源供给设备—水—水换热机组的PLC 应用为例。

5.1 案例背景

某地工程内智能换热机组是将市政所输送过来的高压蒸汽经过减少压力后在智能板式热换器和50℃的水进行能量转换，促使高压蒸汽在放热后能够变为凝结水，并且所释放出来的热量也将系统中回水温度进行来全面提升。另外通过热循环泵不断的循环工作，可以保障热量可以传递到各个洁净室空调机组和厂房内的用热设备，而基于PLC 控制，能够实现无人看管也能保持有条不紊的系统运行目标。本换热机组的流程图1所示。

图1 智能换热机组流程图

智能热水换热机组将蒸汽热源转化成热水源后，再有热水循环泵输送给其他使用点，其核心组件主要有汽—水热交换器，热水循环水泵、智能控制柜、驱动阀门、温度探测器、压力探测器。智能汽—水换热机组设备性能比一般的水—水换热机组功能强大，最主要体现在：换热量大、换热速度快、占用空间小、噪音小、无需人员监护，但设备组件类型比较多，控制程序比较复杂等特点。但在供热系统中这种智能化设备具要高效、可靠。在工厂内，这套设备将处在关键能源输送位置。所以本课题主要研究智能热水换热机组的设计及运行。

5.2 PLC 程序组成

本次控制系统选择step7-20smart 中的LAD 编程软件，其具有组织结构紧凑、组态灵活且具备功能欠打的指令集等优势。项目内采取SIMATICPCS7V7.1软件，工程师站用于组态的操作系统为Windows7，并采取集成的全局数据管理和组态工具TOOL SET。本次使用的CPU 型号为SR20Ac/DC/记单词，位储存器为256位，模拟图像为56个字的输入/输出，板载数字量I/O 为12点输入/8点输出。

5.3 智能换热机组的运行流程

本次智能换热机组所实现的主要功能包含：系统初始化、水泵的运行与控制、水泵的故障判断和显示、系统补水工程、温度与压力监测等功能。其中水泵的控制运行属于主程序系统，而其他的系统初始化与水泵的故障判断以及显示等都属于子程序块。设备运行启动之前先清理设备的控制流程。

整个换热机组启动存在手动与自动两种控制模式。在系统手动启动之后，热水循环泵位置在工频状态下运行，难以实现对二次侧循环热水系统的关参数的控制，如压力、水容量和温度等，但是可以显示出系统的故障类型。该系统也难以做到节能的效果，因此水泵在手动状态期间，必须要有人进行全程监督和手动控制。同时在手动控制中也没有报警连锁功能，由此必须要选择自动控制来保持系统的正常运行。

在自动控制模式下，如果机组二次供回水压差和设定值存在偏差，循环的热水泵需要先投递一台运行并且提升水泵的运行效率，这时由此侧供热的蒸汽阀门开度会增加，如果压力依旧没有与设定值相同，这样第二台水泵也会被投入运行。二次侧压力不足，以补水泵来实现供水运行。

需要注意的是，对于蒸汽阀门进行精准控制不仅可以满足系统能量的需求，同时也可对能源的浪费情况进行控制。阀门的开关度一直会受到PLC 输出指令控制，并且其所发出的指令一般都是来自于系统回水温控的数据收集，再去针对系统设定的值和历史数据来确认系统该去发出哪一种指令。PLC电气控制系统能够对系统收集的热水会输压力和压差值进行设计，如果实际值较设定值低，那么么整个机组循环系统会缺少热能的传媒，此时则需要增加系统的内传媒系统，这时PLC 会将指令运行时间最短的补水泵发出启动的信号，当压力达到设定值后上线，这时回水压力的数据会提供给PLC，请求补水泵停止工作，这时的补水泵也会对进口的压力起到定压的实际作用。

5.4 机组参数的调节和测试

本身控制系统柜平面上的组态软件种类较多，由于本项目上采取的西门子的stp7-200smart 编程软件，由此为了保障设备和程序之间相互吻合，与其配套的组态软件也是西门子的品牌。软件的控制系统中的上位机控制就是人和触摸屏之间持有的可观察的交流通道。而组态软件也是对各个设备模块所进行的逻辑组合来满足设备运行的控制要求。这些组态软件能够对一些其他类型的系统出现的问题进行暂时性的解决，如研发成本过高或者软件开发周期过长等。

西门子组态软件除了具有极为直观的操作界面应用以外，其设备显示也十分的绚丽，有着高度绝佳的视觉效果以及创新性，并且其内部的存储空间也相对较大，系统本身的处理性能和数据连通性能、可靠性等优势被本项目所高度重视。

5.5 图形界面的生成

图形界面组态显示如下的数据：阀门开启度、蒸汽压力、二次侧供回水温度、二次侧回水压力、循环水泵运行频率、水箱水位、二次侧供回水压差值、故障。如果设备系统运行正常故障灯显示绿色，红色显示系统有故障，同时蜂鸣器报警。图形主页右上方显示实时时间。阀门开度在0%状态下表示阀门完全关闭，循环水泵运转频率也在OHZ 同样表示设备在停止状态下。循环水泵在停止状态下，二次侧热源供回水管道压力慢慢趋近相同，压差阀显示OBar。设备二次侧显示的流体温度将是智能设备附近温度，不代表系统循环温度，一般系统运行前都要人工操作，防止设备发生灾难性故障，更不建议远程启动。触摸屏上的自动旋钮如果转向手动时，整个循环的热水泵将会在工频状态下运行，自动控制设备也达不到变频和节能的效果。

5.6 设定调节阀参数

该调节阀参数的设定如表1内容所示。

表1 调节阀参数设定统计

6 结语

综上所述，本文以电气工程中的智能换热设备中的PLC 技术应用进行简要分析。经过其分析过程可以看出，根据PLC 控制的方法与技术，能够促使电气工程各项设备运行的效率和质量全面提升，并且也可根据各项控制的精准性与可靠性优势在工程生产中得到广泛应用。基于目前对PLC 技术的研究现状，为了在该技术的数字化和可靠性方向上还有着进一步延伸的空间，也会在电气工程中得到更加广泛的应用。