電廠PLC控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

李兆嶺

摘 要：在電廠中存在著大量的開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)，如電磁閥、氣閥的開(kāi)閉，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)停止，設(shè)備的電流、電壓，氣體的壓力，液體的液位和流量等。應(yīng)用可編程控制器（PLC）可以方便的對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行控制和檢測(cè)，PLC已經(jīng)成為電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中非常方便可靠的控制手段之一。文章討論了電廠中PLC設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題，并對(duì)PLC在電廠中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。

關(guān)鍵詞：PLC；干擾處理；自動(dòng)輸煤

中圖分類號(hào)：TM621.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）18-0013-02

1 PLC的選擇

當(dāng)今市場(chǎng)中PLC品牌眾多，國(guó)內(nèi)外知名品牌如臺(tái)達(dá)、西門(mén)子、歐姆龍、GE、LG等。不同型號(hào)的PLC往往應(yīng)用于不同的場(chǎng)合之中。其選擇原則往往從以下幾方面考慮。

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模

對(duì)于控制點(diǎn)數(shù)較少且控制邏輯比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，一般選用簡(jiǎn)易PLC單機(jī)加直接擴(kuò)展模塊即可完成。但是對(duì)于點(diǎn)數(shù)比較多，控制對(duì)象比較分散且距離相對(duì)較遠(yuǎn)的系統(tǒng)，就需要外加遠(yuǎn)程通訊進(jìn)行擴(kuò)展模塊。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中特別要詳細(xì)計(jì)算系統(tǒng)中輸入、輸出點(diǎn)的類型和數(shù)量，從而合理選擇數(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊的數(shù)量。需要注意的是，PLC控制系統(tǒng)要預(yù)留一定數(shù)量的備用點(diǎn)，用來(lái)應(yīng)對(duì)調(diào)試過(guò)程中可能增加的新功能和新設(shè)備。

1.2 負(fù)載的類型

對(duì)于PLC的負(fù)載信號(hào)大致分為開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)煞N，分別對(duì)應(yīng)使用開(kāi)關(guān)量和模擬量模塊。而開(kāi)關(guān)量模塊又分為繼電器輸入輸出和晶閘管輸入輸出兩種輸出形式。當(dāng)某些負(fù)載必須采用晶閘管輸入輸出時(shí)，如某些數(shù)顯儀表，我們必須選用晶閘管類型的模塊；當(dāng)繼電器類型和晶閘管類型的模塊均可滿足要求時(shí)，從經(jīng)濟(jì)性考慮，我們優(yōu)先選擇繼電器類型模塊。而對(duì)應(yīng)模擬量負(fù)載，對(duì)于需要采集的數(shù)據(jù)可能是系統(tǒng)電壓、流量、溫度以及位置等，其輸入輸出信號(hào)類型可能是電壓、電流、格雷碼或者ASCⅡ碼等，這時(shí)我們需要根據(jù)負(fù)載信號(hào)類型和數(shù)量，對(duì)應(yīng)選擇適合的模擬量模塊。

1.3 PLC的處理器速率和存儲(chǔ)器容量

比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，往往控制程序比較簡(jiǎn)單，對(duì)PLC的運(yùn)算速率和存儲(chǔ)器大小要求比較低，從而可以選擇對(duì)應(yīng)的低性能簡(jiǎn)易PLC產(chǎn)品；對(duì)于系統(tǒng)規(guī)模比較龐大，控制比較復(fù)雜，要求響應(yīng)速度快的系統(tǒng)，往往PLC程序的容量比較大，配置比較復(fù)雜，因而對(duì)所選用的PLC產(chǎn)品的內(nèi)存和處理器能力要求比較高，就需要選擇對(duì)應(yīng)的運(yùn)算速率快，存儲(chǔ)空間大的高性能PLC產(chǎn)品。同時(shí)，在型號(hào)選擇時(shí)，應(yīng)盡量避免資源的浪費(fèi)，在滿足控制要求的前提下，應(yīng)當(dāng)避免選擇性能太高的PLC。

1.4 PLC品牌的選擇

①應(yīng)該對(duì)應(yīng)系統(tǒng)硬件選擇組網(wǎng)最方便和系統(tǒng)各部分硬件兼容性最優(yōu)的PLC產(chǎn)品。

②根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的環(huán)境和重要性，對(duì)于環(huán)境比較惡劣和比較重要的場(chǎng)合，由于國(guó)際主流品牌的PLC產(chǎn)品可靠性比較高，應(yīng)盡量選擇大品牌PLC。

③而對(duì)于一些環(huán)境較好，應(yīng)用要求較低的場(chǎng)合，由于國(guó)產(chǎn)品牌質(zhì)量也在不斷提升，從經(jīng)濟(jì)性和支持民族產(chǎn)業(yè)的角度，應(yīng)適當(dāng)選用部分國(guó)產(chǎn)PLC產(chǎn)品。

2 PLC的抗干擾處理

電廠中往往存在大量大功率高頻干擾源，其對(duì)PLC系統(tǒng)往往有著很大的影響，很容易造成PLC系統(tǒng)的誤動(dòng)作，甚至造成PLC的損壞。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，我們必須對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾處理。

2.1 電源的處理

電源中的諧波和感應(yīng)電是PLC干擾的重要干擾源。對(duì)于諧波干擾我們可以采用在PLC電源端加裝電子濾波器或者隔離變壓器的方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行消除，而當(dāng)電源中存在感應(yīng)電時(shí)，則應(yīng)選用帶屏蔽層電源線，并且電纜屏蔽層應(yīng)可靠接地。

2.2 輸入輸出回路的處理

對(duì)于信號(hào)電纜距離較長(zhǎng)或者與強(qiáng)電有連接時(shí)，數(shù)字量輸入輸出端口應(yīng)加裝中間繼電器，進(jìn)行信號(hào)隔離。

對(duì)于模擬量信號(hào)，信號(hào)線應(yīng)選用屏蔽雙絞線，屏蔽層應(yīng)可靠接地。

對(duì)于干擾較大的場(chǎng)合，信號(hào)線應(yīng)外套金屬管，金屬管應(yīng)采取多點(diǎn)接地保護(hù)。

同時(shí)還可以在信號(hào)端口處加裝信號(hào)隔離器，對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行隔離保護(hù)。另外，從所選取的信號(hào)類型上，對(duì)于信號(hào)傳輸較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，PLC信號(hào)應(yīng)選擇4～20 mA電流信號(hào)，而不應(yīng)該選擇容易受到影響的電壓信號(hào)。

2.3 系統(tǒng)的安裝和線路的布置

PLC模塊的安裝應(yīng)遠(yuǎn)離高頻大功率器件，對(duì)于無(wú)法回避強(qiáng)干擾源的場(chǎng)合，應(yīng)對(duì)PLC進(jìn)行屏蔽隔離保護(hù)措施。PLC的控制線和通訊線應(yīng)單獨(dú)布置，并且遠(yuǎn)離動(dòng)力線等大功率干擾源，避免與動(dòng)力線近距離平行排布，以免對(duì)信號(hào)造成干擾。

2.4 系統(tǒng)接地

PLC控制系統(tǒng)接地應(yīng)與外部系統(tǒng)接地網(wǎng)分開(kāi)，形成單獨(dú)接地，避免外部干擾從接地系統(tǒng)引入。對(duì)于PLC系統(tǒng)接地其接地電阻應(yīng)小于4 ？贅，PLC系統(tǒng)各個(gè)模塊接地端子應(yīng)與地可靠連接。

3 PLC在電廠中的應(yīng)用

3.1 PLC在在供配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

作為一種新型的微機(jī)控制器，PLC可以用內(nèi)部軟件式的繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件繼電器，同時(shí)應(yīng)用編程的形式，用內(nèi)部邏輯運(yùn)算代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件邏輯組合。因此，PLC在繼電保護(hù)中的引入，一方面，它避免了由于傳統(tǒng)繼電器本身觸電以及線圈算壞或者失效，造成的系統(tǒng)誤動(dòng)作或者不動(dòng)作；另一方面，PLC兼容傳統(tǒng)接觸器繼電器的控制思想和設(shè)計(jì)方案，特別對(duì)于邏輯關(guān)系非常復(fù)雜的情況，應(yīng)用PLC進(jìn)行編程控制，可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工變得十分簡(jiǎn)便。下面我們介紹PLC控制系統(tǒng)在低頻減載和自動(dòng)投入備用電源中的應(yīng)用。

功能框由多功能繼電器構(gòu)成，其與微處理器保護(hù)的典型圖基本相同，它們之間的差別是，該設(shè)備把常用的微處理器繼電器邏輯電路劃分為PLC和保護(hù)繼電器組兩部分。依據(jù)不盡相同的保護(hù)對(duì)象（線路保護(hù)、電容保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)等）。由保護(hù)功能不同的繼電器組構(gòu)成，把設(shè)備劃分為幾個(gè)常用的型號(hào)，其中每個(gè)單獨(dú)功能的器件都符合正邏輯原則，在PLC里設(shè)定動(dòng)作節(jié)點(diǎn)。

例如，當(dāng)某個(gè)欠電壓機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，就有一個(gè)對(duì)應(yīng)的PLC開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)接通，而當(dāng)某個(gè)過(guò)電壓機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，也會(huì)有另外一個(gè)PLC的開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)接通。

當(dāng)用PLC編寫(xiě)低頻減載程序時(shí)，梯形圖把常規(guī)繼電器的返回系數(shù)和響應(yīng)時(shí)間理想化了。其主要原因是PLC的微處理器功能，程序在PLC中是不斷循環(huán)掃描的。其掃描周期由整個(gè)程序的邏輯構(gòu)成決定，往往整個(gè)程序的掃描周期以微秒為單位計(jì)算，因此掃描時(shí)間可以直接忽略。

因此把繼電器放在梯形圖對(duì)應(yīng)的線圈后，繼電器的響應(yīng)時(shí)間可以近似為零。這樣就使低頻減載功能和備用電源的投入和切除可以簡(jiǎn)單快速的完成。繼電保護(hù)裝置內(nèi)置PLC在電廠從設(shè)計(jì)到安裝調(diào)試可以看出，PLC強(qiáng)大的靈活編程能力可以方便及時(shí)地解決調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

3.2 PLC在電廠自動(dòng)輸煤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

電廠的輸煤系統(tǒng)一般由卸煤、上煤和配煤三個(gè)工藝流程組成。整個(gè)系統(tǒng)依靠上級(jí)工控機(jī)完成輸送帶帶中心度檢測(cè)和設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)等功能，應(yīng)用PLC完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)控制。整個(gè)輸煤自動(dòng)控制系統(tǒng)由本地控制結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站和輸煤控制中心三部分組成。

由于輸煤系統(tǒng)中的各種設(shè)備在功能上相互關(guān)聯(lián)，設(shè)備安裝的物理位置比較分散，自動(dòng)輸煤系統(tǒng)需要在PLC主站基礎(chǔ)上增加若干個(gè)遠(yuǎn)程控制分站。整個(gè)系統(tǒng)利用PLC遠(yuǎn)程站對(duì)輸煤現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)連接到對(duì)應(yīng)的PLC主站，再通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)或者PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷斆哼h(yuǎn)程控制中心。

最終通過(guò)控制中心工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成輸煤系統(tǒng)中心站對(duì)系統(tǒng)所有設(shè)備的監(jiān)視和控制。在該系統(tǒng)中，PLC和工業(yè)計(jì)算機(jī)是以下位機(jī)和上位機(jī)的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，輸煤控制中心完成了設(shè)備傳送帶跑偏信號(hào)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以把整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)顯示在工業(yè)計(jì)算機(jī)顯示屏上，從而可以直觀的觀察到輸煤設(shè)備的運(yùn)行情況。而現(xiàn)場(chǎng)PLC的動(dòng)作由自動(dòng)開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)控制，從而使相應(yīng)的程序工作得以完成，并將設(shè)備的實(shí)時(shí)工作信息傳輸給上位機(jī)；同時(shí)，PLC也可以接受上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)和操作命令，如故障停機(jī)和系統(tǒng)報(bào)警等功能。根據(jù)以上功能得出，只有實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC之間的良好配合，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)電廠電廠輸煤的自動(dòng)控制功能。

PLC的連鎖控制和本地手動(dòng)功能：

①PLC的連鎖控制。自動(dòng)輸煤系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行和停止都是按照相應(yīng)的工藝流程進(jìn)行的，彼此間相互間互相影響互相制約，存在一些連鎖條件。例如輸煤設(shè)備的運(yùn)行和停止，當(dāng)啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間設(shè)置為10 s時(shí)，停車延時(shí)時(shí)間的設(shè)定應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行，可能設(shè)5 s或15 s。如果設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了故障，系統(tǒng)應(yīng)故障報(bào)警，并且應(yīng)同時(shí)自動(dòng)停車，然后上料設(shè)備和后續(xù)設(shè)備都應(yīng)按照要求順序聯(lián)鎖停止運(yùn)行。

②遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。遠(yuǎn)程手動(dòng)控制是電廠自動(dòng)化控制的重要補(bǔ)充，當(dāng)控制按鈕安裝的位置比較遠(yuǎn)時(shí)，就需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，來(lái)控制輸煤設(shè)備，而當(dāng)開(kāi)關(guān)本來(lái)距離較近時(shí)，就必須本地手動(dòng)控制。此時(shí)，程序中應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的連鎖切換控制，以及必要的安全保護(hù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

PLC的編程技巧簡(jiǎn)單易學(xué)，而控制思路本身和常規(guī)繼電器保護(hù)相當(dāng)吻合，并且自由度高，方便技術(shù)人員自由發(fā)揮，使配置PLC的繼電保護(hù)裝置更加簡(jiǎn)單易操作，型號(hào)選擇和使用更加方便。隨著PLC制造成本的不斷降低，PLC的應(yīng)用逐漸大眾化，更多的工廠企業(yè)把PLC應(yīng)用于生產(chǎn)線中，而PLC在各個(gè)電廠各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和自動(dòng)化控制程度的迅速提升，PLC的應(yīng)用將持續(xù)保持快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

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