基于 PLC 的电气工程自动化控制系统设计与实现

一、引言

工业 4.0 与智能制造的核心驱动力之一在于电气工程的高度自动化。可编程逻辑控制器（PLC）以其卓越的可靠性、灵活性和抗恶劣工业环境（如电磁干扰、粉尘、温湿度变化）的能力，已成为自动化控制系统的“工业大脑”。本文聚焦于基于PLC的电气工程自动化控制系统，旨在通过系统化的硬件选型、创新的软件架构设计及严谨的工程实现，构建一个高性能、高稳定性的控制平台，解决传统继电器控制逻辑僵化、故障排查困难、扩展性差等痛点，切实推动电气自动化技术的工程化落地。

二、系统总体设计与需求分析

2.1 系统功能需求

实时数据采集： 精确监测三相电压(0-400V AC)、电流(0-500A)、设备关键点温度 (-20^∘C～150^∘C )、电机振动等参数，采样周期≤1 00ms

精准逻辑控制： 实现设备顺序启停（如：风机 _-> 水泵 J_-> 主电机）、连锁保护（如：油压不足禁止启动）、多模式运行（手动/自动/维修）、PID调速控制（用于传送带、风机等）。

智能故障诊断与保护： 实时分析数据，诊断过流（ >110% 额定）、过压/欠压（ ±15% ）、过温（ >85°C ）、缺相、堵转等故障，实现分级报警（预警、轻故障、重故障）及对应保护动作（报警、降频、紧急停机）。

人机交互与数据管理： 通过HMI实现参数设置、状态监视、报警历史查询；数据存储并支持通过以太网/OPC UA协议上传至SCADA或MES系统。

2.2 系统性能需求

高可靠性： MTBF (平均无故障时间) >10,000 小时；关键部件冗余设计（如：电源）。

强实时性： 关键控制回路响应时间 ≤100ms ；数据采集周期 ≤100ms

优异抗干扰性： 满足IEC 61000-4 系列标准（EFT/B, ESD, Surge）三级以上要求。

良好扩展性： 预留 220% 的I/O点；支持通过PROFINET、Modbus TCP等协议扩展设备。

安全性： 符合IEC 60204-1 机械电气安全标准，具备急停回路、安全继电器等硬线保护。

2.3 系统设计原则

模块化： 硬件按功能（电源、CPU、DI/DO、AI/AO、通信）模块化；软件按任务（数据采集、控制、诊断、通信）模块化，便于独立开发、测试、维护与升级。

标准化： 采用国际/行业标准（IEC 61131-3 编程、M12 连接器、DIN导轨安装）。

安全性： 电气隔离（信号隔离栅）、安全接地、过流/过压/短路保护（空开、熔断器、浪涌保护器）、软件互锁与权限管理。

经济性： 在满足性能和寿命要求下优选性价比高的器件，优化布线降低线缆成本。

可维护性： 清晰的柜内布局、线号标识、完善的文档（原理图、IO表、程序注释）。

方法：

阈值比较： 实时比较采集值 (电流、电压、温度) 与预设报警值(Warning)、停机值 (Trip)。

状态监测： 监测设备反馈信号 (运行、停止、故障) 与PLC输出命令的一致性，检测断线、粘连。

时序逻辑： 判断设备启停顺序是否正确、动作是否超时 (如：接触器吸合时间)。

组合逻辑： 结合多个信号判断复杂故障 (如：电机过流 + 无转速反馈 Σ=Σ 堵转)。

动作：

预警 (HMI黄色闪烁，记录日志)。

轻故障 (HMI红色闪烁，声光报警，可能降速/停机)。

重故障 (HMI红色常亮，急促报警音，立即触发安全回路紧急停机，记录详细故障数据)。

故障信息 (时间、代码、描述、相关数据) 存储于PLC DB块并上传HMI/SCADA。

FC4: SAFETY_MONITORING

核心： 独立于主逻辑的安全回路监控。

实现：

硬件：急停按钮、安全门开关 安全继电器 (PNOZ) _-> 安全接触器(主回路分断)。

软件：通过PLC DI监控安全继电器输出触点状态。一旦触点断开 (急停触发)，PLC立即：置位所有设备为“安全停止”状态。封锁所有输出 (Q点)。在HMI显示急停状态及位置。

五、系统实现、测试与工业应用

5.1 系统集成与调试

硬件安装： 严格按照图纸安装元器件、布线、接地，确保动力线与信号线分离。

软件下载与离线测试： 利用TIA Portal PLCSIM Advanced 进行程序逻辑仿真。

上电检查： 测量各电源电压 (380V AC, 24V DC)，检查有无短路。

点动测试： 在手动模式下逐一测试每个输入点 (传感器、按钮) 和输出点 (接触器、指示灯、阀)。

功能测试： 在自动模式下测试完整工作流程、连锁保护、模式切换。

性能测试：

数据采集精度： 对比标准表与系统显示值 (电压误差 <0.5% ，电流<1% ，温度<1℃)。

控制响应时间： 从触发启动信号到接触器可靠吸合 <50ms (示波器测量)。

故障诊断： 模拟过流、缺相、超温等故障，验证报警类型、动作准确性、记录完整性。诊断准确率 5% ，响应时间 <200ms 。

5.2 工业应用案例：水泥厂原料破碎车间

控制对象： 板式喂料机、颚式破碎机、皮带输送机、除尘风机、润滑站。

效果：

实现一键顺序启停，避免人工操作失误。

实时监测破碎机电流、轴承温度，成功预警多次轴承过热隐患，避免重大设备损坏。

精确的连锁保护 (如：润滑压力不足禁止启动破碎机)。

故障停机时间减少约 40% 。

生产数据自动上传至工厂MES系统，便于生产管理。

系统运行稳定，MTBF远超设计目标。

六、结论

本文详尽阐述了一个基于西门子S7-1200 PLC的工业级电气工程自动化控制系统的全流程设计与工程实现。系统通过严谨的硬件选型（突出抗干扰与精度）、精心的控制柜布局与布线（强调EMC与安全）、以及采用模块化、结构化的软件设计（融合LAD直观性与SCL强大算法能力），成功构建了一个高性能、高可靠、易维护的控制平台。实际工业应用证明，该系统不仅完全满足设计要求，更在提升生产效率、保障设备安全、降低维护成本方面展现出显著优势。其设计理念与方法对类似工程项目具有重要的参考和推广价值。

参考文献：

[1]西门子 (中国) 有限公司. *SIMATIC S7-1200 可编程控制器 系统手册*. [Z]. 2024.

[2]廖常初. *S7-1200/1500 PLC 应用技术 (第 2 版)*. 机械工业出版社.[M]. 2023. (深入TIA Portal编程与实战)