基于PLC控制技术的电气设备系统优化设计
摘要：随着科技不断进步，可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）控制技术在电气设备系统中的应用日益广泛。介绍了 PLC 控制技术的基本定义、分类及特点，探讨了其在电气设备系统中的优化方案，包括故障诊断技术、输入 / 输出电路规划及模型板块选择等关键环节，并开展了设备系统优化实验验证。研究结果表明，基于 PLC 控制技术的优化设计能够显著提高电气设备系统的性能，降低谐波含量，增强系统的稳定性。
关键词：可编程逻辑控制器（PLC）控制技术；电气设备系统；优化设计；能源效率
0 引言
随着半导体技术、控制技术和计算机技术的不断进步，可编程逻辑控制器（programmable logic controller， PLC）控制技术取得了长足的发展。新型电力电子器件不断涌现，电路拓扑结构日益复杂，控制策略更加先进，使得 PLC 控制技术在电气设备系统中的应用范围不断扩大，应用水平不断提高。本文基于现有电气设备系统中存在的问题，提出利用 PLC 控制技术对其进行优化设计的方案。在优化设计过程中，重点考虑了电力电子器件的应用、电路拓扑结构优化、控制系统设计及其散热性能和电磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）等方面。
1 PLC控制技术概述
1.1 基本定义
PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入 / 输出（input/output，I/O）来控制各种类型的机械设备或生产过程 [3]。
1.2 常见的 PLC 分类
PLC 按结构形式可分为整体式和模块式两种。整体式 PLC 将所有部件集成在一个机箱内，结构紧凑，价格低廉，但扩展性较差；模块式 PLC 各个部件分成独立的模块，根据需要进行组合，扩展性强，但价格较高。按 I/O 点数分类，可分为小型、中型和大型 PLC。小型 PLC I/O 点数较少，一般在 256 点以下，适用于小型控制系统；中型 PLCI/O 点数在 256 ～ 1 024 点，适用于中型控制系统；大型 PLC I/O 点数在 1 024 点以上，适用于大型控制系统。按功能分类，可分为低档、中档和高档PLC。低档 PLC 主要具有逻辑控制功能；中档 PLC除了具有逻辑控制功能外，还具有模拟量控制功能；高档 PLC 则具有更强大的功能，如运动控制、网络通信等。
1.3 PLC 控制技术的特点
PLC 控制技术具有可靠性高、编程简单、灵活性强、功能强大等特点 [4]。PLC 控制技术采用了多种抗干扰措施，能够在恶劣的工业环境下稳定工作。它的编程语言简单易懂，易于学习和掌握。该
技术还可以根据不同的控制需求，灵活地修改用户程序，适应各种复杂的控制任务。此外，PLC 控制技术不仅可以实现逻辑控制，还能实现模拟量控制、运动控制、网络通信等功能。
2 PLC控制系统设计
在设计电气设备系统时，需要根据生产工艺要求，确定系统的控制流程。确定需要控制的控制器传感器和执行器等设备，以及它们之间的逻辑关系。输入电路的规划需要考虑输入信号的类型、数量和电压等级等因素。一般来说，输入信号分为数字量输入（digital input，DI）和模拟量输入（analog input，AI）两种。DI 信号包括开关信号、按钮信号等；AI 信号包括温度信号、压力信号等。在规划输入电路时，需要根据输入信号的类型和数量选择合适的输入模块，并确定输入模块接线方式。对于 DI 信号，选择 DI 模块，将开关信号、按钮信号等连接到模块输入端。在规划输出电路时，需根据输出信号的类型和数量选择合适的输出模块，并确定输出模块的接线方式。对于数字量输出（digital output，DO）信号，选择继电器输出模块或晶体管输出模块，将输出信号连接到执行器输入端，如电机、气缸、阀门等。
在选择I/O模型板块时，需要考虑PLC的型号、I/O 点数、信号类型等因素。同时，还需要考虑模型板块的可靠性、稳定性和性价比等因素。对于小型控制系统，优先选择 I/O 点数较少的模型板块；
对于大型控制系统，需要选择 I/O 点数较多、性能稳定的模型板块，以满足系统的需求。
3 基于PLC控制技术的电气设备系统优化 方案
3.1 PLC 故障诊断技术
在现代电气设备系统中，PLC 故障诊断技术的运用显得尤为重要。通过智能化技术构建高效的故障诊断系统，实时监测系统各个节点的数据，并将其与预设的标准数据进行对比分析。当系统运行过程中出现数据偏差时，故障诊断系统能够迅速识别问题并进行原因分析。在电网系统中，常见的故障诊断技术结合了实时过程监控系统、监控与数据采集系统和广域网络系统，这些系统能够及时上传和检测故障数据，从而实现快速响应和处理。
3.2 输入电路规划方法
在结合 PLC 控制技术的电气自动化系统中，输入电路的设计至关重要。一般而言，自动化系统供电电源范围为交流（alternating current，AC）85 ～ 240 V，设计时需确保电源具有广泛适用性。为增强系统的抗干扰能力，输入电路中应增加隔离变压器或电源滤波器等净化元件。其中，隔离变压器的设计基于双隔离技术，其次级线圈的屏蔽层应连接到 PLC 的输入电路，以防止高低频干扰对系统产生影响。在电源负载情况下，需提前计算输入电路的功率，并将其设定为该功率的 2 倍。此外，熔丝的安装也是必要的，它可以有效保护电源装置的安全。
3.3 输出电路设计方案
在 PLC 自动化控制系统中，输出电路的设同样重要。根据系统输入效率，选择合适的输出设备。当系统的输入效率低于 6 次 /min 时，建议使用继电器作为输出设备；而对于高频输出的 PLC自动化控制系统，则应优先考虑使用晶体管进行输出。对于 PLC 自带的电磁线圈类型，需注意感性负载在断电后可能对 PLC 的输出产生影响。因此，必须将二极管并联连接，以吸收多余的电磁线圈负载，从而确保 PLC 正常运作。
3.4 I/O 模型板块的选择
在 PLC 系 统 的 设 计 中，I/O 模型板块的选择应根据系统实际应用情况进行划分。根据不同划分依据将 I/O 模块分为多种类型。输入模块和输出模块可根据通道数目进行分类，如 2 通道、4 通道、8 通道等，也可以根据电流或电压类型进行细分。输入模块可包括电流型（如 4 ～20 mA、0 ～ 20 mA）、 电 压 型（ 如 0 ～ 10 V、-5 ～ 5 V）以及热电偶型等；输出模块同样可分为电流型和电压型，这种类型的精确划分有助于在实际应用中选择最合适的模块，以满足不同的控制需求。
4 实验验证
电气设备系统优化设计结果如表 1 所示，通过实验验证，优化后高压直流输电系统表现出了显著优势。在输出电压波形质量方面，总谐波失真率明显降低，波形更加接近正弦波。系统运行效率也得到了大幅提升，降低了能源损耗。在可靠性方面，模块化多电平换流器应用和控制系统使得系统在面对故障时能够更加迅速地进行处理，提高了系统的稳定性。与传统高压直流输电系统相比，优化后系统在能源效率等方面有了显著提高，为远距离电力传输提供了可靠的解决方案。
5 结论
在系统设计方面，本文探讨了 PLC 故障诊断技术，展示了智能化技术在实时监测和故障处理中的关键作用。实验结果表明，优化后的系统在输出电压波形质量、系统效率和可靠性方面均有显著提升。模块化多电平换流器拓扑结构的应用，降低了总谐波失真率，还提高了系统的平均无故障时间，从而提高了系统的稳定性和能源效率。综上，PLC控制技术优化设计对于提高电气设备系统的性能至关重要，有助于推动工业自动化向更高效、更智能的方向发展。未来研究将进一步探索 PLC 控制技术在新兴工业应用中的潜力，以及如何通过技术创新来应对日益复杂的工业控制挑战。