电气控制技术概述及PLC控制技术优缺点分析

电气控制主要分为两大类：一种是传统的以继电器、接触器等为主搭接起来的逻辑电路，即继电-接触器控制；另一种是基于可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的弱电控制强电的系统——PLC控制。

1.基本概念

（1）继电-接触器控制。

继电-接触器控制技术属于传统电气控制技术。继电-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器和保护电器等元件用导线按一定的控制逻辑连接而成的系统。它主要采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机或其他机械设备的启动、停止、反向、调速及多台设备的顺序控制和自动保护等功能。

继电-接触器控制系统具有结构简单、控制电路成本低廉、容易维护、抗干扰能力强优点，但这种控制系统采用固定的接线方式，若改变控制方案，则需拆线，重新接线乃至更换元器件。继电-接触器控制所用电器元件体积较大，工作频率低，触点易损坏，可靠性差，控制装置是专用的，通用性差。

（2）PLC控制。

PLC 控制技术属现代电气控制技术，它是计算机技术与继电-接触器控制技术相结合的控制技术，同时PC的输入、输出仍与低压电器密切相关。PLC控制以微处理技术为核心，综合应用计算机技术、自动控制技术、电子技术以及通信技术等，以软件手段实现各种控制功能。

PLC控制具有如下优点：

① 可靠性高，抗干扰能力强；

② 适用性强，当需要改变设备的控制功能时，只要修改程序，稍稍修改接线即可完成，应用灵活；

③ 编程方便，易于应用；

④ 功能强大，扩展能力强；

⑤ 系统设计、安装、调试方便；

⑥ 体积小，重量轻，易于实现机电一体化。

但是 PLC 的价格相对继电-接触器控制系统来讲还是比较高的，而且应用PLC控制技术还需要一定的电气专业知识和计算机知识，这在一定程度上限制了PLC的发展。

上述两种控制技术既有区别又有联系，在进行电气控制设计时，应充分考虑它们各自的优、缺点，选择相应的控制技术，使系统控制效果好、成本低，达到最高的性价比。

继电-接触器控制系统主要用于动作简单、控制规模比较小的电气控制系统中，至今仍是机床和其他许多机械设备广泛采用的电气控制形式，而 PLC 控制系统则用于相对复杂的控制电路，实现设备的简便连接，根据实际要求自动控制设备按程序运行。继电-接触器控制系统在简单控制系统中的经济性方面明显优于 PLC 控制系统，在不太重要的场合可以考虑使用，而可靠性方面PLC控制系统则明显优于继电-接触器控制系统。

2.电气控制技术的发展历程

早在 1831 年，英国科学家法拉第发现了电磁感应现象，奠定了发电机的理论基础。科学家们根据这一发现，从19 世纪60～70年代起对电做了深入的探索和研究，出现了一系列电气发明。

1866 年，西门子提出了发电机的工作原理，并由西门子公司的工程师成功研制出了人类第一台具有应用价值的发电机。19 世纪 70 年代，实际可用的发电机问世。这一时期，西门子发明了第一台直流电动机，使电能可以转化为机械能，电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。随后，电灯、电车、电钻、电焊等电气产品如雨后春笋般地涌现出来。

但是，要把电力应用于生产，还必须解决远距离输送问题。1882 年，法国人德普勒发现了远距离送电的方法，美国科学家爱迪生建立了美国第一个火力发电站，把输电线连接成网络。电力是一种优良而价廉的新能源，它的广泛应用，推动了电力工业和电器制造业等一系列新兴工业的迅速发展。

19世纪末到 20世纪初为生产机械电力拖动的初期，常以一台电动机拖动多台设备，或者一台电动机拖动一台机床的多个运动部件，称为集中拖动。集中拖动开始于瓦特的蒸汽机时代，一个车间使用一台蒸汽机提供动力，通过天轴、齿轮和传送带系统将动力分配到各个纺织机械。此拖动系统传动机构较为复杂，不能满足生产机械自动控制的需要。随后出现了单机拖动，至 20 世纪 30 年代发展成为分散拖动，即各运动部件分别用不同的电动机拖动，不仅简化了机械传动机构，提高了传动效率，而且也为生产机械各部分选择最合理的运行速度和自动控制创造了良好条件。因此，目前绝大多数生产机械都采用分散控制。(www.xing528.com)

20 世纪 20～30年代产生了继电-接触器控制，最初采用一些手动控制电器，通过人力操作实现对电动机的控制。后来发展为采用继电器、接触器、主令电器和保护电器等组成的自动控制方式，这种控制方式由操作者发出信号，通过主令电器接通继电器和接触器电路，控制电动机。生产企业为了提高生产效率，采用机械化流水作业的生产方式，对不同类型的产品分别组成生产线。但随着产品的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这时就需要改变控制程序，使生产线的机械设备按新的工艺过程运行。由于继电-接触器控制系统采用固定接线方式，若工艺流程改变，则需要重新设计生产线，开发周期长。特别是对于一些大型生产线的控制系统，使用的继电器、接触器等数量较多，降低了系统的可靠性，进行故障检测的难度较大。

20 世纪 60 年代出现了矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统来代替继电-接触器控制系统，它们是以逻辑元件插接方式组成的控制系统，编程简单，系统成本也有所降低。对于复杂的自动控制系统，则采用计算机控制，但其系统复杂，抗干扰能力差，成本高。

1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电-接触器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即

（1）编程简单方便，可在现场修改程序。

（2）硬件维护方便，最好是插件式结构。

（3）可靠性要高于继电-接触器控制装置。

（4）体积小于继电-接触器控制装置。

（5）可将数据直接送入管理计算机。

（6）成本上可以与继电器竞争。

（7）输入可以是交流115 V。

（8）输出为交流115 V、2 A 以上，能直接驱动电磁阀。

（9）扩展时，原有系统只需做很小改动。

（10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4 KB。

上述技术指标可归纳为四点：

（1）用计算机代替继电器控制盘。

（2）用程序代替硬接线。

（3）输入/输出电平可与外部装置直接相接。

（4）结构易扩展。

根据招标要求，1969 年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序控制器 PDP14 型，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制时代。从此，可编程序控制器这一新的控制技术迅速发展起来。目前，PLC 已作为一种标准化通用设备应用于机械加工、自动机床、木材加工、冶金工业、建筑施工、交通运输、纺织、造纸、化工等行业，对传统的控制系统进行技术改造，使工厂自动控制技术产生了很大的飞跃。

20 世纪 50 年代，自动控制技术的另一分支——数控技术也获得了重要发展，并随着计算机技术的发展而不断完善。数控技术不仅在机床控制中发挥了极大作用，在激光加工机、火焰切割机等设备上也得到了广泛应用，取得了良好效果。

随着社会生产规模的扩大以及工业生产的要求提高，控制手段及控制方式不断进步，控制理论也在不断发展，同时也对电气控制技术提出了更高要求，如能够增加系统运行的可靠性、提高系统的控制性能和产品质量、降低能源及原材料的消耗等。电气控制技术将会在工业自动化中发挥更大作用。