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[摘 要]基于现代工业技术的发展，控制系统的复杂程度越来越高。文章以PLC技术为研究对象，分析了其在电气工程自动化控制中的应用情况，明确了PLC技术特点与实际应用效果。
[关键词]PLC技术;电气工程;自动化控制;应用;案例
[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–00–03
[Abstract]Based on the development of modern industrial technology， the complexity of the control system is getting higher and higher. This article mainly takes PLC technology as the research object， specifically analyzes its application in electrical engineering automation control， and clarifies the characteristics of PLC technology and the actual application effect.
[Keywords]PLC technology; electrical engineering; automation control; application; case
1 概述
基于现代电气工程运行安全性、稳定性要求，必须合理配置相应的控制系统，全面分析、统计电气设备运行数据，实现对电气设备的综合管理与自动化控制。随着计算机、通信等科学技术的不断发展，PLC技术功能越来越丰富，且凭借着操作方便、精度高、维修便利等优势，逐渐在电气工程自动化控制中得到了推廣应用，有效提高了系统柔性与可靠性，加强相关研究具有重要的现实意义。
2 电气控制技术方法概述
2.1 人工仪表控制
此方法主要是由继电器、电流/电压表、流量计以及压力表等简单智能仪表构成控制系统，操作人员需随时监控电气设备运行情况，检查是否存在故障，人力物力消耗更多。
2.2 DCS控制系统
分散控制系统（Distributed Control System，DCS），是基于现代大型自动化设备的运用与过程控制要求而产生的综合控制系统，主要构成如图1所示。DCS控制系统实现了分散控制、分级管理以及集中操作，灵活性、开放性较好，且易于维护。
2.3 FCS控制系统
此系统是在现场总线基础上形成的自动控制系统，由PLC、DCS发展而来，主要构成如图2所示。FCS控制系统的开放性、分散性以及互操作性均较好，可提供远程控制、远程参数化工作，且由于现场电缆用量小，成本相对较低。
2.4 PLC控制系统
此系统为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），采用嵌入式CPU与相关输入/出、通讯模块等，在稳定性、可靠性方面优势显著，主要构成如图3所示。随着网络通讯功能的发展，PLC优势在于可实现互联，构建大规模的控制系统，完成各项控制任务，包括：设备简单控制、运动控制、过程控制以及集散控制等。本文主要以PLC系统为研究对象，探讨了其在电气工程自动化控制中的应用情况。
3 PLC技术在电气工程自动化控制中的应用
PLC技术是基于计算机、自动控制以及通信技术发展起来，体积小、编程简单但是功能强大，在电气工程自动化控制中得到了广泛应用。主要就PLC软硬件系统与应用情况展开分析。
3.1 PLC软硬件系统组成
PLC软硬件系统组成如表1所示。
（1）硬件系统：PLC硬件系统的组成如表1所示，以CPU为核心，配备可编程的存储器，在PLC内部进行各种数学运算指令、各种操作指令，利用数字量/模拟量对外输出，实现被控对象的控制。PLC可分为两类：一类是整体PLC，所有部件集成在一起;另一类是模块式PLC，根据功能需求选择模块安装在机架或导轨上。
（2）软件系统：PLC程序包括系统程序、用户程序。前者是PLC自身程序，由制造厂家编写，用户无权读写;后者是用户开发的程序，用户可随意读写、更改。在PLC技术实际运用中，不同品牌或是同一品牌不同系列的编程语言表达方式有所差异，但也较为易懂，如：梯形图语言、语句表达语言、逻辑图语言、功能表图语言等。
3.2 PLC技术的应用情况
3.2.1 PLC应用方式
基于我国科学技术的进步，PLC功能增强，主要应用方式可归纳如下。
（1）开关量逻辑控制：包括顺序控制、逻辑控制，可应用于单台设备控制、多机群控以及生产线控制。
（1）运动控制：PLC有多个运动控制模块，如驱动电机单（多）轴的位置控制模块，实现直线、圆周运动控制。
（2）数据处理：PLC可提供各种数据转换、传输以及分析处理等功能，通过一系列程序控制与参数值比对完成相关控制工作，同时通过通讯功能传输给其他智能装置。
（3）过程控制：利用PLC不同程序可实现各种控制算法，完成模拟量（如温度、流量、压力）的闭环控制。目前，PID调节控制方法的运用最为广泛的，大多PLC设有PID功能模块，可直接调用PID子程序，在编写PID调节程序时相对简单。
（4）通讯及联网：PLC设有通讯接口，可完成PLC之间、PLC与电气设备间的通讯工作。
（5）模拟量控制：电气工程自动化控制要求完成各种模拟量的控制，如温度、速度、压力以及流量等，配套设置模数转换模块，实现A/D、D/A转换。 3.2.2 PLC应用特点
目前电气工程自动化控制中，PLC已经成为主流设备，主要应用特点可归纳如下：
（1）可靠性好，抗干扰能力强。PLC以集成电路构成，采用了先进的抗干扰技术，配置故障自诊断程序，提高了PLC系统可靠性。
（2）通用性强，控制程序灵活。PLC控制系统运用时，可灵活改变控制系统，无需更改硬件装置，只要修改PLC程序即可满足实际控制要求。
（3）功能强大，适应性好。随着PLC的功能不断丰富，其不仅可满足电气设备控制需求，还可直接控制生产线、生产过程，运用越加广泛。
（4）编程简单，易于操作。PLC程序编写语言下相对简单，学习较为容易。
（5）体积小，维护方便。PLC体积紧凑、重量轻，可安装于设备内部，维护管理方便。
4 案例分析
本文以异步电机同步控制为例，具体分析了PLC的运用情况。
4.1 应用环境
异步电机运行环境相对恶劣，采用工控机进行系統控制存在故障率高、抗干扰能力差的问题。本文针对PLC技术的运用展开分析，选用欧姆龙PLC，型号C200HE，基于PLC内嵌的PID算法模块构建闭环控制系统，具体如图4所示。
此闭环控制系统运行时，控制精度受测量精度影响。由此，闭环控制系统内采用高速计数模块，计数模式为门控方式，控制输入IN为高电平时，对脉冲计数;IN为低电平时，保留计数值，直至IN再次为高电平时从零开始计数。
4.2 PLC程序实现
程序实现时，需在进入中断服务程序后，将IN设为低电平，读取计数值，再将IN设为高电平实现脉冲计数。PLC程序在扫描周期最后集中刷新数字量I/O口，此时需执行IORF指令，使输入口IN马上有效。程序框架如图5所示。
在人机界面设置速度，0～2 500 r/min的情况下电机速度响应曲线，如图6所示。在电机运行中，PLC高速计数模块测量电机速度负反馈，输入PI控制模块，计算获得速度控制信号，并由RS-485输出至变频器，实现对电机转速的良好调节。结合速度曲线分析显示，响应时间为0.02 s，振荡幅度很小，稳态速度可维持在2 500 r/min。基于此分析可得，基于PLC的闭环控制系统较好地完成了过程控制，且经现场试运行显示，PLC系统运行稳定，可较好的抵抗各种干扰，使用效果良好。
5 结束语
随着现代科学技术的发展，PLC技术愈加成熟，其在可靠性、功能性方面表现优异，且由于编程简单、维护方便，实现了大范围的推广应用。目前，PLC技术在电气工程自动化控制中的应用，可有效提高工作效率，降低故障发生率，实现电气设备安全稳定运行，获得良好的社会经济效益。
参考文献
[1] 陈洪骏.电气控制技术的发展趋势分析[C].第十六届中国航空测控技术年会论文集，2019.
[2] 李永健.基于PLC技术在电气工程自动化控制中的应用分析[C].北京大学经济管理学院.“决策论坛——管理科学与经营决策学术研讨会”论文集（下），2016.
[3] 郭江涛. PLC技术在电气工程及其自动化控制中的运用分析[J].工程技术研究，2019，4（22）：50-51.
[关键词]PLC技术;电气工程;自动化控制;应用;案例
[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–00–03
[Abstract]Based on the development of modern industrial technology， the complexity of the control system is getting higher and higher. This article mainly takes PLC technology as the research object， specifically analyzes its application in electrical engineering automation control， and clarifies the characteristics of PLC technology and the actual application effect.
[Keywords]PLC technology; electrical engineering; automation control; application; case
1 概述
基于现代电气工程运行安全性、稳定性要求，必须合理配置相应的控制系统，全面分析、统计电气设备运行数据，实现对电气设备的综合管理与自动化控制。随着计算机、通信等科学技术的不断发展，PLC技术功能越来越丰富，且凭借着操作方便、精度高、维修便利等优势，逐渐在电气工程自动化控制中得到了推廣应用，有效提高了系统柔性与可靠性，加强相关研究具有重要的现实意义。
2 电气控制技术方法概述
2.1 人工仪表控制
此方法主要是由继电器、电流/电压表、流量计以及压力表等简单智能仪表构成控制系统，操作人员需随时监控电气设备运行情况，检查是否存在故障，人力物力消耗更多。
2.2 DCS控制系统
分散控制系统（Distributed Control System，DCS），是基于现代大型自动化设备的运用与过程控制要求而产生的综合控制系统，主要构成如图1所示。DCS控制系统实现了分散控制、分级管理以及集中操作，灵活性、开放性较好，且易于维护。
2.3 FCS控制系统
此系统是在现场总线基础上形成的自动控制系统，由PLC、DCS发展而来，主要构成如图2所示。FCS控制系统的开放性、分散性以及互操作性均较好，可提供远程控制、远程参数化工作，且由于现场电缆用量小，成本相对较低。
2.4 PLC控制系统
此系统为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），采用嵌入式CPU与相关输入/出、通讯模块等，在稳定性、可靠性方面优势显著，主要构成如图3所示。随着网络通讯功能的发展，PLC优势在于可实现互联，构建大规模的控制系统，完成各项控制任务，包括：设备简单控制、运动控制、过程控制以及集散控制等。本文主要以PLC系统为研究对象，探讨了其在电气工程自动化控制中的应用情况。
3 PLC技术在电气工程自动化控制中的应用
PLC技术是基于计算机、自动控制以及通信技术发展起来，体积小、编程简单但是功能强大，在电气工程自动化控制中得到了广泛应用。主要就PLC软硬件系统与应用情况展开分析。
3.1 PLC软硬件系统组成
PLC软硬件系统组成如表1所示。
（1）硬件系统：PLC硬件系统的组成如表1所示，以CPU为核心，配备可编程的存储器，在PLC内部进行各种数学运算指令、各种操作指令，利用数字量/模拟量对外输出，实现被控对象的控制。PLC可分为两类：一类是整体PLC，所有部件集成在一起;另一类是模块式PLC，根据功能需求选择模块安装在机架或导轨上。
（2）软件系统：PLC程序包括系统程序、用户程序。前者是PLC自身程序，由制造厂家编写，用户无权读写;后者是用户开发的程序，用户可随意读写、更改。在PLC技术实际运用中，不同品牌或是同一品牌不同系列的编程语言表达方式有所差异，但也较为易懂，如：梯形图语言、语句表达语言、逻辑图语言、功能表图语言等。
3.2 PLC技术的应用情况
3.2.1 PLC应用方式
基于我国科学技术的进步，PLC功能增强，主要应用方式可归纳如下。
（1）开关量逻辑控制：包括顺序控制、逻辑控制，可应用于单台设备控制、多机群控以及生产线控制。
（1）运动控制：PLC有多个运动控制模块，如驱动电机单（多）轴的位置控制模块，实现直线、圆周运动控制。
（2）数据处理：PLC可提供各种数据转换、传输以及分析处理等功能，通过一系列程序控制与参数值比对完成相关控制工作，同时通过通讯功能传输给其他智能装置。
（3）过程控制：利用PLC不同程序可实现各种控制算法，完成模拟量（如温度、流量、压力）的闭环控制。目前，PID调节控制方法的运用最为广泛的，大多PLC设有PID功能模块，可直接调用PID子程序，在编写PID调节程序时相对简单。
（4）通讯及联网：PLC设有通讯接口，可完成PLC之间、PLC与电气设备间的通讯工作。
（5）模拟量控制：电气工程自动化控制要求完成各种模拟量的控制，如温度、速度、压力以及流量等，配套设置模数转换模块，实现A/D、D/A转换。 3.2.2 PLC应用特点
目前电气工程自动化控制中，PLC已经成为主流设备，主要应用特点可归纳如下：
（1）可靠性好，抗干扰能力强。PLC以集成电路构成，采用了先进的抗干扰技术，配置故障自诊断程序，提高了PLC系统可靠性。
（2）通用性强，控制程序灵活。PLC控制系统运用时，可灵活改变控制系统，无需更改硬件装置，只要修改PLC程序即可满足实际控制要求。
（3）功能强大，适应性好。随着PLC的功能不断丰富，其不仅可满足电气设备控制需求，还可直接控制生产线、生产过程，运用越加广泛。
（4）编程简单，易于操作。PLC程序编写语言下相对简单，学习较为容易。
（5）体积小，维护方便。PLC体积紧凑、重量轻，可安装于设备内部，维护管理方便。
4 案例分析
本文以异步电机同步控制为例，具体分析了PLC的运用情况。
4.1 应用环境
异步电机运行环境相对恶劣，采用工控机进行系統控制存在故障率高、抗干扰能力差的问题。本文针对PLC技术的运用展开分析，选用欧姆龙PLC，型号C200HE，基于PLC内嵌的PID算法模块构建闭环控制系统，具体如图4所示。
此闭环控制系统运行时，控制精度受测量精度影响。由此，闭环控制系统内采用高速计数模块，计数模式为门控方式，控制输入IN为高电平时，对脉冲计数;IN为低电平时，保留计数值，直至IN再次为高电平时从零开始计数。
4.2 PLC程序实现
程序实现时，需在进入中断服务程序后，将IN设为低电平，读取计数值，再将IN设为高电平实现脉冲计数。PLC程序在扫描周期最后集中刷新数字量I/O口，此时需执行IORF指令，使输入口IN马上有效。程序框架如图5所示。
在人机界面设置速度，0～2 500 r/min的情况下电机速度响应曲线，如图6所示。在电机运行中，PLC高速计数模块测量电机速度负反馈，输入PI控制模块，计算获得速度控制信号，并由RS-485输出至变频器，实现对电机转速的良好调节。结合速度曲线分析显示，响应时间为0.02 s，振荡幅度很小，稳态速度可维持在2 500 r/min。基于此分析可得，基于PLC的闭环控制系统较好地完成了过程控制，且经现场试运行显示，PLC系统运行稳定，可较好的抵抗各种干扰，使用效果良好。
5 结束语
随着现代科学技术的发展，PLC技术愈加成熟，其在可靠性、功能性方面表现优异，且由于编程简单、维护方便，实现了大范围的推广应用。目前，PLC技术在电气工程自动化控制中的应用，可有效提高工作效率，降低故障发生率，实现电气设备安全稳定运行，获得良好的社会经济效益。
参考文献
[1] 陈洪骏.电气控制技术的发展趋势分析[C].第十六届中国航空测控技术年会论文集，2019.
[2] 李永健.基于PLC技术在电气工程自动化控制中的应用分析[C].北京大学经济管理学院.“决策论坛——管理科学与经营决策学术研讨会”论文集（下），2016.
[3] 郭江涛. PLC技术在电气工程及其自动化控制中的运用分析[J].工程技术研究，2019，4（22）：50-51.