摘要：在现代工业领域，机械设备的电气安全控制是至关重要的。随着自动化技术的不断发展，PLC（可编程逻辑控制器）技术在机械设备电气安全控制方面发挥着日益显著的作用。PLC技术以其可靠性、灵活性和可扩展性等优点，为机械设备的安全运行提供了强有力的保障。文章探讨了PLC技术在机械设备电气安全控制中的应用，旨在通过PLC实现对设备的紧急停机、过载短路保护、互锁联锁控制及安全监控报警等策略，以提高设备的安全性和可靠性。研究显示，基于PLC的安全控制方案能够有效预防和应对电气故障，确保机械设备稳定运行。

       关键词：PLC技术；电气安全；紧急停机；过载保护

　　随着中国制造业的快速发展和《中国制造2025》等政策的推动，机械装备的自动化、智能化水平不断提升。PLC作为工业控制领域的核心技术，在机械设备电气控制中得到了广泛应用。然而，机械设备在运行过程中往往面临着较大的电气安全风险，如过载、短路、漏电等，威胁着设备和人员安全咱1暂。如何利用PLC技术有效解决机械设备电气安全问题，成为当前制造业亟需探讨的课题。

　　1 PLC技术的工作原理

　　PLC（可编程逻辑控制器）是一种专为工业控制环境设计的数字运算操作电子系统。其工作原理是通过对输入设备信号的采集与逻辑运算处理后，控制输出设备动作，实现对机械设备各项功能的自动控制。以西门子S7-1200系列PLC为例，其内部集成了高速MCU运算处理器，指令执行周期可达0.1滋s，RAM容量可达125KB，配备PROFINET工业以太网通信接口，传输速率高达100Mbps咱2暂。PLC在工作时，通过专用的编程软件STEP 7等，编写控制逻辑程序，运用IL、LAD等指令表达控制策略。程序下载到PLC后，PLC便可根据输入信号进行逻辑判断运算，驱动输出端的执行器件，如接触器、电磁阀等，完成设定的控制任务。PLC支持多种控制功能，如顺序控制、闭环PID调节等，可灵活应对复杂多变的工况条件，适应性极强。

　　2机械设备电气安全问题分析

　　在钢铁工业中，机械设备电气系统的安全隐患主要来源于元件故障、线路老化和过载等，这些问题在高温、粉尘等恶劣工况下表现得尤为突出。以炼钢车间常用的大功率交流接触器为例，其触头在频繁通断电流时产生电弧，温度可高达3000~4000℃。在钢铁企业连续生产的工况下，长期工作将加速触头表面烧蚀，导致触头粘连，使接触器失去断路保护功能。当发生短路时，电流可瞬间升至数十千安，电流引起的电动力和热效应会造成触头熔焊，导线熔断，在钢铁企业易燃易爆环境下极易引发电气火灾。再如轧钢生产线使用的屏蔽电缆，在高温、水汽、油气混合的环境中，其绝缘材料的水解、交联等老化过程明显加快。当绝缘电阻降至0.5M赘以下时，正常工作电压可在绝缘层产生局部高场强，加速老化并最终击穿，形成对地漏电回路。在钢铁企业潮湿导电的地面环境下，漏电流超过30mA时，极易导致作业人员触电伤亡。

　　3 PLC技术的应用

　　3.1紧急停机控制

　　为保障机械设备在异常状态下的安全，文章提出一种基于可编程逻辑控制器（PLC）的紧急停机控制策略。该策略利用PLC的高速逻辑运算和可靠性，实现对设备的快速、可控停机咱3暂。

　　首先，通过在设备各关键部位安装压力、位移、速度、温度等传感器，实时采集设备运行参数。PLC以20ms的扫描周期对各参数进行采样，通过比较参数与预设阈值，判断是否处于异常状态。例如，当传动轴承温度T超过警戒值Tmax时，即判定为异常咱4暂。阈值可按公式（1）设定：

　　Tmax=Trate+驻T（1）

　　式中：Trate为轴承额定工作温度，驻T为预留裕度，通常取20℃。

　　一旦监测到任一参数异常，PLC立即触发紧急停机程序。先切断设备电源，防止异常扩大。同时，根据设备惯性及当前速度，计算安全制动力矩M，如公式（2）：

　　式中：J为设备转动惯量，棕为转速，t为角加速度，Tf为摩擦力矩，Tw为工作负载力矩。PLC输出该力矩指令至制动器，快速平稳地将设备减速至停止。

　　在停机过程中，PLC实时反馈速度等参数，通过PID算法不断调整制动力矩，确保最佳制停曲线。一般取比例、积分、微分系数Kp=1.5、Ki=0.2、Kd=0.1。

　　紧急制停完成后，PLC触发故障诊断程序，分析异常原因并报警，指导维修。通过本策略，可在0.5s内安全可靠地停止设备运转，最大程度减少事故损失。

　　3.2过载与短路保护

　　PLC机械设备过载与短路保护策略，旨在防范因负载异常和线路故障引发的设备损坏和安全事故。该策略利用PLC的实时数据采集和逻辑判断功能，对设备的电流、电压等参数进行连续监测咱5暂。PLC每50ms采样一次电流I和电压U，并计算视在功率S，如公式（3）：

　　S=UI（3）

　　式中：I和U分别为电流和电压的有效值。

　　根据设备的额定功率Pe，可确定其最大允许视在功率Smax。考虑一定裕度，取Smax=1.2Pe。当采样的视在功率S连续5次超过Smax时，PLC判定为过载，立即触发过载保护程序：①PLC向控制柜内的断路器发出分闸指令，在1.5个交流周期（30ms）内切断设备电源，避免过载损坏设备；②同时，PLC向人机界面发送过载报警，并记录事件于日志文件，以供事后分析。

　　另一方面，PLC通过对三相电流不平衡度着进行计算和判断，及时发现短路故障，如公式（4）：

　　式中：Imax、Imin、Iavg分别为三相电流的最大值、最小值和平均值。

　　正常运行时，应小于10%。若着突增至30%以上，表明线路或设备绝缘损坏，PLC立即启动短路保护，在0.1s内切断故障回路，并发出短路报警。

　　通过本策略，可将过载反应时间缩短至150ms以内，短路检测与保护时间缩短至0.1s以内，有效防止了设备的严重损坏，提高了系统安全性。

　　3.3设备互锁与联锁控制

　　PLC设备互锁与联锁控制策略，运用PLC的逻辑编程和顺序控制功能，通过相关设备间的状态约束和操作同步，防止违规操作和异常工况。

　　具体而言，首先在PLC中建立各设备的状态寄存器，实时记录设备的运行状态，如“运行”“停止”“故障”等。对于存在互斥关系的设备A和B，分别用布尔变量SA和SB表示其状态，1为运行，0为停止。将互锁逻辑表达为公式（5）：

　　SA+SB≤1（5）

       即A、B两设备不能同时处于运行状态。PLC每100ms周期性地检查这一约束条件。一旦检测到互锁条件不满足，即刻发出报警，并阻止后续的启动操作，直到该约束条件再次得到满足为止。

　　对于需要按特定顺序启动的联锁设备，如C、D、E，PLC采用顺序函数图（SFC）进行控制。SFC由一系列步骤和转移构成，每一步执行特定操作，转移条件满足后自动跳转至下一步。设启动顺序为C寅D寅E，转移条件T1和T2如下：

　　T1：设备C关键参数满足设定范围，如温度TC在20~80℃内，T1=20≤TC≤80。

　　T2：设备D速度vD达到额定值的90%，即T2=vD≥0.9vDrate。

　　SFC自上而下扫描，依次为设备C、D、E通电，并实时检查转移条件。若T1和T2在各自转移处均满足，SFC依序执行下去，完成联锁启动；否则控制流程“停滞”在对应步骤，待条件满足后方可推进。

　　通过本策略，有效规避了人为误操作，杜绝了设备的非安全状态组合，使机械设备始终在预定的安全范围内运行，从而提高了系统可靠性。

　　3.4安全监控与报警系统

　　PLC机械设备安全监控与报警策略，旨在及时发现设备的异常状态，准确定位故障部位，并迅速采取预警和保护措施，最大限度地减小事故损失。

　　该策略利用PLC的数据采集和逻辑判断功能，对设备运行参数进行实时监测和评估。PLC通过传感器每隔10ms采集一次设备的振动速度v、轴承温度T、电机电流I等关键参数，并与预设的安全阈值进行比较。

　　当监测参数超出安全范围时，PLC立即触发报警程序。以轴承温度T为例，设其安全上限为Tmax，下限为Tmin。PLC判断温度是否异常的逻辑可表述为公式（6）：

　　式中：AlarmT为温度报警标志，1表示异常，0表示正常。Tmax和Tmin的设定需综合考虑轴承的材料、尺寸、润滑等因素，如某型号轴承的Tmax=120℃,Tmin=-20℃。

　　一旦监测参数触发报警，PLC迅速采取以下措施：①发出声光报警信号，提醒操作人员及时处置；②将报警信息及相关参数上传至中控室，记录于数据库中，便于事后追溯和分析；③根据故障等级，PLC直接发出控制指令，如减速、停机、切断电源等，防止异常状态恶化。同时，PLC还具备故障诊断功能。通过对采集的时序数据进行分析，如频谱分析、小波变换等，PLC可识别设备的典型故障模式，如不平衡、松动、磨损等，为维修决策提供依据。本策略可在故障发生后0.5s内发出报警，在3s内完成故障诊断，使异常状态得到及时处置，从而有效避免了事故扩大，保障了机械设备的安全运行。

　　3.5安全接地与漏电保护

　　为有效防范机械设备因绝缘老化或损坏引发的漏电事故，保障人身和设备安全，提出一种基于可编程逻辑控制器（PLC）的安全接地与漏电保护策略。该策略利用PLC的高速采样和实时控制能力，通过对设备的接地电阻和漏电流持续监测，一旦发现异常立即采取保护措施。

　　首先，在每台机械设备的外壳可触及部位设置专用的保护接地端子，并与车间的接地母排可靠连接，确保接地电阻Rg满足标准要求。对于对地电压不超过500V的设备，Rg应小于4Ω。PLC采用电流电压法，实时测量接地回路的电流Ig和电压降Ug，并计算Rg值，如公式（7）：

　　PLC每隔20ms对Rg进行一次采样和计算，并与标准阈值比较。若连续3次超标，则立即报警并发出维修指令，同时控制设备停机，防止漏电风险扩大。

　　其次，PLC实时监控机械设备的工作电流。通过在电源进线处安装漏电流传感器，PLC可连续采集各相漏电流IL1，IL2，IL3。当任一相漏电流超过30mA时，PLC即判定为漏电故障，并在10ms内切断电源，避免人员触电。

　　4 PLC技术的安全控制应用实例

　　4.1案例背景与需求分析

　　以某化工厂的原料进料泵为例，阐述PLC技术在其电气安全控制中的应用。该泵为多级离心泵，额定流量Q=50m3/h，扬程H=80m，功率P=15kW，电机转速n=2900r/min。泵的启停由PLC控制，采用西门子S7-1200系列CPU，配有8路数字量输入（I0.0~I0.7）和6路继电器输出（Q0.0~Q0.5）模块。但在实际运行中，发现存在以下问题：一是泵在断电后无法实现自动重启，需要人工操作，效率低；二是当流量、压力等参数异常时，缺乏有效的报警和联锁保护，存在泵空转、超压的安全隐患；三是对泵的电气元件接触器、热继电器等缺乏状态监测，无法及时发现故障。针对上述问题，亟需采用PLC技术改造泵的控制系统，实现安全可靠的自动化运行。

　　4.2基于PLC的应用方案实施

　　为解决该泵存在的安全隐患和控制问题，设计实施了一套基于PLC的泵安全控制系统。首先选用了西门子S7-1200系列CPU 1214C DC/DC/DC（6ES7 214-1AG40-0XB0），具有14个数字量输入点，10个数字量输出点，2个模拟量输入通道（分辨率为10bit）。扩展4路热电偶输入模块（6ES7 231-5QD32-0XB0）用于泵的轴承、定子绕组等部位温度T1~T4监测；扩展2路高速计数器模块（6ES7 238-5XA32-0XB0）用于泵的进出口压力Pin、Pout脉冲采集。

　　在PLC控制程序中，首先对泵的启动条件进行判断，当满足系统无故障、流量压力正常（Qmin=45m3/h≤Q臆Qmax=55m3/h，Pmin=0.3MPa臆Pout-Pin臆Pmax=0.5MPa）等条件后，发出启动指令，经10s延时后恢复正常运行，实现了泵的自动重启控制。在泵运行过程中，通过对温度、压力等参数的实时采样分析，建立了泵故障诊断和报警模型。如表1所示，设定轴承温度Talert=80℃、绕组温度Talert=130℃为预警值，Ttrip=90℃、Ttrip=150℃为跳闸值。当监测值连续3次超过预警值时，PLC触发报警程序，向操作员发出警示；当监测值超过跳闸值时，PLC立即切断泵电源，防止事故扩大。同时，压力参数采用类似的预警和保护策略，有效防范了泵的异常工况。

　　此外，还对泵的电气元件状态进行了监测。利用PLC的高速输入捕获功能，记录接触器动作的通断时间ton，toff，计算接触器动作时间tact=ton-toff。参考标准值为tstd=10±2ms，若连续3次检测到tact超限，则判定为接触器故障，PLC发出警报并阻止泵的启动。同理，对热继电器的动作电流Iact进行监测，与整定值Iset比较，及时发现继电器故障或误调整。

　　通过上述PLC控制策略的实施，泵的电气安全性能得到显著提升。半年运行统计表明，泵的意外停机率从2次/月降低到0.5次/月，故障报警响应时间从10min缩短至1min，有效避免了设备损坏和安全事故。泵运行的稳定性提高了20%，过程控制精度达到±2%，能耗下降5%，实现了安全、高效、节能运行。

　　5结束语

　　文章详细阐述了如何利用PLC技术增强机械设备电气系统的安全性，通过实施紧急停机、过载与短路防护、设备间互锁联锁，以及全面的安全监控等措施，显著提升了设备的运行稳定性与安全性。未来，随着工业自动化水平的不断提高，将更深入地探索PLC与其他智能技术相结合的应用，进一步优化机械设备的安全控制体系。

　参考文献

　　［1］王竖溢.发电厂低压电气供配电及设备安全低压电气研究［J］.石河子科技，2024（5）：19-21.

　　［2］顾源，潘艺玮.配电运维检修中的风险与预控对策分析［J］.集成电路应用，2024，41（8）：346-347.

　　［3］李广智.机电安全控制系统的设计与实现［J］.集成电路应用，2024，41（3）：99-101.

　　［4］丁丽娟.电气自动化技术在煤矿机械设备中的应用［J］.能源与环保，2024，46（1）：221-226.

　　［5］张静，陆通通.火力发电厂低压电气供配电及设备安全运行措施［J］.科技创新与应用，2023，13（35）：137-140.