PLC在電氣自動化中的應(yīng)用及發(fā)展前景

楊彥青，宋 星

楊彥青，宋星/臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師（浙江臺州 318000）。

一、PLC的定義和特點

作為一種專門為工業(yè)而設(shè)計、旨在提升工業(yè)環(huán)境安全的數(shù)字運算操作系統(tǒng)，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）可以對工業(yè)數(shù)據(jù)進行模擬以及編程，這是由于在自身的存儲器內(nèi)部可以執(zhí)行一些特定的操作，比如邏輯的運算、順序，以計數(shù)等指令來進行控制，還可以對一些常見的模擬量和數(shù)字量進行inlet和outlet，實現(xiàn)對電機或者器械以及流程的控制。

PLC技術(shù)主要是以計算機計數(shù)及接觸器控制技術(shù)為基礎(chǔ)的一項技術(shù)。傳統(tǒng)控制器系統(tǒng)內(nèi)部接線較為復(fù)雜，可靠性低、耗能高以及靈活性差，PLC近年來正逐漸取代傳統(tǒng)系統(tǒng)運用于電氣自動化中。由于PLC內(nèi)部的輔助繼電器代替了傳統(tǒng)的機械觸電繼電器，以邏輯關(guān)系代替原來的連接導(dǎo)線，所以這類繼電器的節(jié)點變位時間可以認(rèn)為無限趨近于零，并且不需要考慮傳統(tǒng)繼電器的返回系數(shù)；PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力非常強，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)，適合復(fù)雜的工業(yè)操作環(huán)境；它的操作也很簡單，采用簡單的指令形式，直觀形象的簡單程序使得操作人員能夠快速上手。

二、PLC在電氣自動化中的應(yīng)用

（一）順序控制

火力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)輔助操作系統(tǒng)的工藝流程多為順序控制以及開關(guān)量控制兩種。隨著經(jīng)濟發(fā)展，國家對于節(jié)能減排的要求越來越高，電氣行業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)過程中降低能源損耗且提高效益，已成為各大企業(yè)管理的終極目標(biāo)。所以企業(yè)對于車間自動控制水平的要求也逐漸提高，目前大型火電企業(yè)的輔助系統(tǒng)均用PLC控制系統(tǒng)代替了原繼電控制器，PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)在還能單獨控制某一條工藝流程，且協(xié)調(diào)全廠的生產(chǎn)工作。

1.輸煤自控系統(tǒng)。好的輸煤自動控制系統(tǒng)主要由三方面因素來決定：首先是生產(chǎn)的安全性，其次是能不能提高整個車間的生產(chǎn)效率，最后是能不能切實優(yōu)化工人的生產(chǎn)環(huán)境，保證工人的健康。目前，很多煤電廠都淘汰了常見的弱電控制輸煤系統(tǒng)以及人力控制系統(tǒng)，采用微機控制。四大部分構(gòu)成了燃煤電廠的輸煤系統(tǒng)：儲煤系統(tǒng)、配煤子系統(tǒng)、上煤子系統(tǒng)和卸煤系統(tǒng)等，輸煤系統(tǒng)控制方案多采用輸煤控制系統(tǒng)。我們可以用分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法將其分成三層 （從縱向的角度看）：第一層是主站層、其次是IO層站、最后是傳感器[1]。其中主站層由以下兩部分組成：PLC，即可編程控制器和人機交互接口設(shè)備，PLC的中央處理器采用雙機熱備配置，通訊模件則以冗余配置為模式，主站層的所有設(shè)備都集中安置在輸煤集控樓內(nèi)；遠(yuǎn)程IO站設(shè)備通過光纖和主站層控制機之間進行連接，通過二次控制電纜和輸煤傳感器 (含執(zhí)行機構(gòu) )之間進行信息交流。輸煤自控系統(tǒng)以控制室集中控制的模式，就地設(shè)置緊急拉線開關(guān)檢修啟停按鈕[2]。而控制室主要以PLC程序為主，以帶有連鎖或者解除連鎖手動控制作為輔助手段。操作員則可通過顯示電腦對主要輸煤設(shè)備實行監(jiān)控，工作條件得以改善，勞動生產(chǎn)率亦提高了很多。

2.工廠除灰系統(tǒng)。隨著人們對人居環(huán)境的重視，更多的環(huán)境保護政策相繼出臺，電廠亦開始重視環(huán)保和廢物再利用技術(shù)。為了再利用電輸塵下來的粉煤灰，氣力除灰系統(tǒng)已被廣泛推展開來。傳統(tǒng)的氣力除灰系統(tǒng)主要是通過繼電器邏輯電路順序來控制，目前大多被可編程邏輯控制器PLC為主核心的順序控制系統(tǒng)代替。PLC控制系統(tǒng)在除灰系統(tǒng)中的核心控制部分，它的主要控制對象包括了送風(fēng)機、氣化風(fēng)機、加熱器、倉泵、卸灰裝置、收灰風(fēng)機、布袋除塵器以及管道壓力等，部分輸入輸出控制結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜。它也可以由PLC、二次儀表、傳感器以及主控柜等組成，可按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分成下位機控制器以及操作員站兩部分[3]。對于系統(tǒng)可靠性要求較高，用PLC雙機熱備（硬熱備）是上佳之選。PLC的軟件基本上都是采用模塊化設(shè)計架構(gòu)，既便于修改，又具備較高的可讀性，市場調(diào)試也很方便，整個系統(tǒng)程序主要由N個功能模塊和一個主程序的模塊集合而成。PLC的遠(yuǎn)程站完善的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)電廠鍋爐除灰系統(tǒng)的自動控制。

（二）閉環(huán)控制

自動電力系統(tǒng)的控制流程，跟如下變量有關(guān)：壓力、流量、溫度和速度等模擬量，需要對它們進行連續(xù)變化監(jiān)控。起初PLC控制系統(tǒng)在閉環(huán)控制上沒有優(yōu)勢，當(dāng)技術(shù)更新后PLC亦具有了閉環(huán)控制這項功能，到目前為止這一技術(shù)已發(fā)展得較為成熟。PLC模塊生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中基本都具備了PID指令，能夠非常容易地進行PID控制，而且它的控制程序是由PLC原廠家設(shè)計并置于模塊中的。用戶在使用時僅需設(shè)置一些常用的參數(shù)，簡單方便。直接采用PID指令能夠輕松實現(xiàn)基于PLC的PID控制，經(jīng)濟性較高[4]。

1．油泵、水泵電動機。啟動發(fā)電機廠的調(diào)速器油泵的方式非常多，比如機旁屏啟動、自動啟動等。每臺控制器都可以自動運行，而且調(diào)速器油泵都可以根據(jù)已經(jīng)運行的累計時間，下次開機時優(yōu)先選擇累計總時間最短的泵當(dāng)做主泵，其他的泵當(dāng)做備用泵。當(dāng)調(diào)速器壓油罐的壓力降低時，主泵便會自動啟動，若持續(xù)降到整定值，備用泵便會相繼啟動，向壓油罐加油?，F(xiàn)地控制箱的手動啟動方式首先需要將機旁屏上的控制方式設(shè)置為“手動調(diào)速器”啟動方式，直接在控制箱上按啟動或者停止按鈕，便可以啟動調(diào)速器的油泵?？梢圆捎肞LC按照各自的運行時間長短選擇主用泵或者通過手動來確定，PLC程序重啟后，程序?qū)⒛J(rèn)主用泵。而且PLC控制系統(tǒng)會直接輸出2臺油泵的優(yōu)先啟動權(quán)以此選擇繼電器，PLC輸出啟動油泵的命令后，會選擇最優(yōu)先啟動的繼電器。PLC控制油泵分為自動控制和常規(guī)控制，兩者互相合作。常規(guī)回路可以作為整個PLC控制系統(tǒng)的輔助補充，是整個油泵控制系統(tǒng)的安全回路。所以現(xiàn)實情況中即便PLC出現(xiàn)技術(shù)故障，調(diào)速油的供給也不會突然中斷，確保了所有機組運行的穩(wěn)定性。

2.發(fā)電機調(diào)速。水輪機的調(diào)速器可以確保整個水利發(fā)電機組的穩(wěn)定運行，進而影響到整個機組運行的可靠性和穩(wěn)定性。調(diào)速機的發(fā)展前后主要經(jīng)歷了三個階段：機械液壓型調(diào)速器、電氣液壓型調(diào)速器以及微機調(diào)速器。PLC整個調(diào)速器的控制系統(tǒng)主要由以下三個關(guān)鍵部分組成：轉(zhuǎn)速測量單元、電子調(diào)節(jié)單元以及電液執(zhí)行單元，它能夠驅(qū)動導(dǎo)水機構(gòu)、測量轉(zhuǎn)速以及調(diào)節(jié)規(guī)律等三個功能單元，控制調(diào)節(jié)規(guī)律通過軟件實現(xiàn)，而且穩(wěn)定不易出狀況。到目前為止，積分微分、PID控制系統(tǒng)仍是水利發(fā)電機組中使用最為廣泛的控制系統(tǒng)。

（三）開關(guān)量控制

PLC的實質(zhì)是用內(nèi)部已經(jīng)定義完全的各種輔助繼電器替換原來的機械觸電繼電器，而且可以認(rèn)為內(nèi)部各繼電器節(jié)點變位的時間近似等于零。它運行的時候只需考慮其在0-1的狀態(tài)就可以，傳統(tǒng)的繼電器則需要返回一定的系數(shù)，所以用它作為開關(guān)量控制非常適合[5]。

1．?dāng)嗦房刂破?。先前的火電系統(tǒng)內(nèi)部大多使用電磁型繼電器作為主要的控制元件，而PLC控制系統(tǒng)則安裝了大量的電磁元件，但自身擁有大量的觸點，這使得系統(tǒng)可靠性大幅度降低，且接線也很復(fù)雜維修困難。近年來PLC大量代替實物原件，大大提高了可靠性和安全性。運行人員只需學(xué)會分合閘操作，操作過程中根據(jù)系統(tǒng)給出的指示信號執(zhí)行下一步的操作，能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時自動分閘，并給出相應(yīng)的信號指示即可。PLC能夠大大簡化二次接線，每個線路都有各自的公共端且接線過程中不易發(fā)生錯誤，無需配置相應(yīng)的專門閃光電源，只要能夠符合要求，進行簡單的接線便可以滿足相應(yīng)的要求。而且PLC控制系統(tǒng)可以簡化相應(yīng)的輔助開關(guān)數(shù)目，實現(xiàn)多臺斷路控制器之間的控制，集中顯示信號，減輕工作人員間的維護和檢修工作難度和工作量。

2.自動切換。供電可靠性的提高有著積極的意義，為提高其可靠性，火電企業(yè)便在裝置中引入備用電源。最初都是手動或者自動供回電線路操作，雖然該操作過程時間較短暫，但是對于要求連續(xù)供電的用戶來說則是不可行的。所以，針對此種情況，在裝置中引用PLC構(gòu)成的備用電源，能夠通過編程實現(xiàn)各種運行方式，并將在設(shè)備正常運行過程中的信號作為電源啟動或者關(guān)閉的判斷依據(jù)。由于這個系統(tǒng)具備邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理的功能，所以它可以作為備用電源來完成自投操作，還能順便考慮整個系統(tǒng)的運行情況和其他的各種操作要求。系統(tǒng)本身具備超強的抗干擾能力，可靠性高、調(diào)試操作方便簡單、接線容易、運行成本低等。實踐證明，用PLC作為備用電源投入到控制系統(tǒng)是一種較為可靠且經(jīng)濟運行方式，極大提高了設(shè)備的自投功能的供電穩(wěn)定度，明顯改善了運行效果。

三、PLC在電氣自動化中的發(fā)展前景及建議

PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下的電子操作系統(tǒng)，能夠在無任何保護措施的工作情況下使用。但是當(dāng)其工作環(huán)境過分惡劣或者充滿了電磁干擾的時候，程序便會出現(xiàn)運行錯誤，這將導(dǎo)致設(shè)備失靈乃至殃及整個系統(tǒng)。這將要求廠家提高PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，另一方面設(shè)計、安裝和使用維護也要多加重視，多方合作消除干擾。

目前集散型控制系統(tǒng)DCS技術(shù)日益完善，應(yīng)用經(jīng)驗豐富。然而現(xiàn)在則處于停滯狀態(tài)，如何促進它大幅度地進步，關(guān)鍵在于實現(xiàn)通用化的硬件平臺并融合PLC。微電子技術(shù)和控制技術(shù)的進步，PLC控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)能夠互相取長補短，走向同化。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的進步和現(xiàn)代化熱工自動化技術(shù)的成熟，控制儀表也越來越數(shù)字化、智能化，電廠的自動化控制水平也提高到了一個新高度。為了能夠在更為廣闊的領(lǐng)域適應(yīng)工業(yè)化的生產(chǎn)流程控制需要，PLC控制系統(tǒng)作為國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成和自動化控制網(wǎng)絡(luò)的部分，其產(chǎn)品將更加豐富，規(guī)格也將更加完善和齊全，而且能夠在電氣自動化的發(fā)展過程中得到更加廣泛的推廣和使用。

[1] 劉善增.PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機,2004(7):39-41

[2] 劉海榮，趙湛．PC—P LC集散控制在船閘電氣自動化的應(yīng)用[J]．工業(yè)控制計算機,2007，20(4)

[3] 劉新正.PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報,2005(2)

[4] 鄭晟,鞏建平,張學(xué).現(xiàn)代可編程序控制器原理與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2003

[5] 葉曉暉.PLC在電氣自動化中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景概述[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009（15）：144-145