基于PLC的电气自动控制系统设计

摘要：随着电气行业的飞速发展，自动化控制技术因具有广泛的应用前景而受到大量学者的关注，并在诸多工程项目中得以实现。但随着日益复杂的工业要求，传统电气自动控制系统在设计层面临着诸多挑战，因此对其进行相关研究具有重要的意义。于是本文针对系统结构、运行维护、信息交换、抗风险能力等方面，着重分析了几种监控设计，并构思了一种基于PLC的电气自动控制系统。通过仿真对比与分析可知：相较于传统电气自动控制系统，PLC控制系统的控制可靠性较高。

关键词：控制可靠性;自动控制系统;PLC

中图分类号：TP273  文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

随着电气自动化技术的日益成熟，其已逐步渗透入各行各业，并以机械化、可编程、误差小等优势大大提高了工作效率，促进了相关行业的发展。自20世纪70年代起，相关学者借助着计算机的独特优势研究电气工程技术，使其朝着自动化、智能化的方向发展。如今电气自动控制技术日益完善，改变了相关人员的工作方式，减少资源消耗并提高了工作效率^[1]。但随着工业产品及生产设备日新月异，诸多传统电气设备在设计方面存在着不足，我国自动化控制水平一定程度上低于欧美国家^[2]，不仅难以满足当今产品的质量需求，更影响了电气设备的正常使用。于是本文根据实际生产情况中对不同运行参数要求存在差异，而选择不同的监控方式并分析其各自存在的优缺点;另外对系统硬件、输入/输出电路进行设计，提出一种妥善的电气自动化设计，并与传统存在的自动控制系统进行对比分析。

1 电气自动控制系统的设计原则

1.1 电气自动控制系统的功能与设计指标

电气自动控制系统是以计算机为核心、信息技术为辅助的新型电气系统。其核心功能有：故障管理、自动分析及绘图等，并利用不同的数据采集方式实现自动化配电补充。其主要应用有变电站自动化系统^[3]，利用自动化控制系统准确分析配电网中存在的故障，将问题线路段自动隔离，确保整体配电网的运行安全。另外自动化控制系统还可以检测变电站内的基础运行数据，通过数据比对确定变电站目前的运行状态，保证各种电气设备稳定运行。

电气自动化系统的设计要结合产品的需求及各项指标进行综合考察，比如产品的成本、外观、实用性等。首先利润是工业生产的主要目标之一，因此控制产品造价是电力自动化系统设计的主要原则;其次产品外观的形状、体积、大小等因素决定着电气设备的应用限制条件，因此在设计自动化控制系统时要确保整体设备外观简洁、规整;最后产品的实用性决定了电气设备是否有必要进行大规模推广，因此电气工程产品要能完成相应的功能。

1.2 自动控制系统的监测目标

电气自动控制系统在设计时要以实现远程监测、集中监测以及总线监测为目标，因此其设计主要体现在以下几点^[4]：

在集中监测时，系统的控制与处理均可依托电气自动化控制系统得以实现，这种方式不仅提升了系统的维护效率，也确保系统的运行安全。

在进行远程监测时，可利用电气自动化控制技术实时监测系统运行状态，并收集相关数据，以协助运维部门进行修正系统。

在监测总线时，电气自动化控制技术可发挥集中控制能力，高效监测系统中的各个子系统。

1.3 电气自动控制系统的监控设计

在设计电气自动化控制系统时，要明确设计重点。不同设计方向的具体设计要求存在差异。

（1）集中监控设计：集中监控系统的整体结构较为简单，运行及维护较为方便，但其CPU数量限制了整体系统的性能，使得其信息交换速度及处理效率较低。另外随着电气设备的技术复杂度越来越高，监控系统要监测的单元数量显著增加，因此事故发生率也相应上升。为避免此类事故的出现，在设计过程重要尽量缩短线缆的长度，以保证系统可靠性;另外断路器连锁要采用硬接线，以提升系统响应速度。

（2）远程监控设计：远程监控设计对现场总线的带宽有一定要求，其将导致更高的线路成本，从而影响企业利润。因此在设计过程中要依据实际需求合理选择传输线材，以提升经济效益。另外远程监控方对传输配置要求较低，难以满足大型设备系统的数据传输要求，因此远程监控设计不适用于数量规模较大的设备群控制。

（3）现场总线监控设计：此类方式对于系统性能要较高，在实际运行时会出现间隔，通过系统总线监控方式可以在不同间隔内发挥不同作用，因此设计此类监控方式时要明确实际间隔方式，以确保设计方案符合实际的监控需求。这种设计方式的优点在于资源利用效率较高，系统各结构之间排列紧凑，线缆使用量大为减少，有助于节约成本。由于系统中各个子系统之间保持独立，因此系统稳定性高、安全性好，抗风险能力强。

2 一种基于PLC的电气自动化控制系统设计

2.1 硬件设计

在硬件设计过程中要优先设计电气设备的物理层，确定变压器的各項基本指标，比如状态、电压等。在物理层设计过程中要设置数据传感器，以获取必要控制信息数据，判断系统状态;另外物理层还需配备信号处理器及控制终端等硬件设备。

2.2 输入电路设计

在电路设计过程中，要确定PLC的供电条件要求，包括抗干扰、安全容量等，在明确条件后，输入电路的设计要参考实际需求进行调整。大型PLC硬件系统通常使用交流电，且子系统数量多、结构较为复杂、各种线缆分布杂乱又长短不一，因此系统在使用过程中要设置相应的保护装置，以避免意外情况;小型PLC硬件系统使用直流电供电，其系统结构简单、线缆使用量低、长度较短，因此在使用时控制较为简便，无需额外防护。另外设计要求PLC硬件具备一定的抗干扰能力，因此常采用在硬件周围设置等体积隔离变压设备的方式屏蔽外部电路干扰。

2.3 輸出电路设计

优秀的输出电路设计对于实现自动化控制及维护系统稳定运行具有重要作用。在输出电路中，传感器将收集到的完整数据发送至信号处理器中，处理器利用信号转换功能将信号转换为数据递送至自动化控制终端，并显示在后台。设计过程中，PLC自动控制系统要与传感器映像寄存器以及元件数据寄存器保持连接，以便于自动调取其中数据并将其传输至信号处理器中。此时设备要保持动态监控，因此要进行数据刷新设置。

3 仿真分析

为确定设计思路是否正确，下面将结合实例对系统运行效果进行对比性分析。

3.1 数据准备

在仿真实验开始前要预先开展数据准备工作。首先选取不同工作条件下的自动化设备，通过仔细勘察收集其中重要的真实数据;以某地单位的传统电气控制系统为例，收集该系统工作过程中的数据记录;数据收集完毕后，分别将两组数据输入到仿真模拟系统中，得到PLC自动化控制系统以及传统电气控制系统。

3.2 实验对比

在仿真模拟程序中，同时运行PLC自动化控制系统以及传统电气控制系统，且以2小时为运行周期不断切换自动化系统工作条件，另外除了要对相同场景中两个控制系统的运行数据进行收集整理外，还需收集条件切换后两控制系统的运行数据，以便于进行数据对比（如图1）。

3.3 结论

依据曲线图可知，基于PLC的电气自动化控制系统曲线波动频率较平缓，且整体系统的运行可靠度长时间维持在较高水平，而传统电气控制系统在运行初期阶段即出现可靠性降低的问题，虽然在后续时间节点中性能略有回升，但持续时间较短。由此可知：相较于传统电气控制系统，PLC自动化控制系统有较大优势。因此PLC自动化控制系统具有较大的应用前景。

4 结语

综上所述，电气自动化技术在国内的应用前景十分广阔，使得各行业依托电气自动化技术实现技术转型具有更高的可行性。采用合理的方式设计电气自动化控制系统可显著提升系统的整体性能，对于提升人们生活质量及提高企业生产效率具有重要意义。随着国内相关技术的发展，电气自动化技术逐渐趋于完善，被广泛的应用于各个基础建设领域，为国家的经济发展及社会建设起到重要的推动作用。因此在信息化技术高度发达的今天，改善电气自动化控制系统的设计，研究新型电气自动化技术，对于促进社会的智能化发展具有积极的现实意义。

参考文献

[1] 李永男，高任，金松林.人工智能技术在电气自动化中的应用[J].集成电路应用，2019，36（11）：74-75.

[2] 刘禹.电气自动化工程控制系统的现状及其发展趋势探究[J].轻纺工业与技术，2020，49（1）：106-107.

[3] 田晓娟，李景瑞，杜静，等.论电气自动化控制技术在电力系统中的应用[J].信息记录材料，2019，20（10）：107-108.

[4] 王馨.计算机技术应用下的电气自动化控制系统设计浅谈[J].科技风，2019（34）：96.

收稿日期：2020-03-24

作者简介：钱世超（1993—），男，江苏盐城人，硕士，研究方向：电力系统故障诊断。

Design of electric Automatic Control System Based on PLC

QIAN Shi-chao

（Anhui University of Science and Technology，Huainan  Anhui  232001）

Abstract： With the rapid development of the electrical industry， the automation control technology has attracted the attention of a large number of scholars due to its wide application prospects， and which has been implemented in many engineering projects. But with the increasingly complex industrial requirements， it is of great significance to carry out related research for the fact that traditional electrical automatic control systems are facing many challenges at the design level. So this paper focuses on the analysis of several monitoring designs and conceives a PLC-based electrical automatic control system for system structure， operation and maintenance， information exchange and anti-risk capability. It is known that the control reliability of the PLC control system is higher than the traditional Through simulation comparison and analysis.

Key words： Control reliability; Automatic Control System; PLC