基于PLC的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著電氣行業(yè)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)因具有廣泛的應(yīng)用前景而受到大量學(xué)者的關(guān)注，并在諸多工程項(xiàng)目中得以實(shí)現(xiàn)。但隨著日益復(fù)雜的工業(yè)要求，傳統(tǒng)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)層面臨著諸多挑戰(zhàn)，因此對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究具有重要的意義。于是本文針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行維護(hù)、信息交換、抗風(fēng)險(xiǎn)能力等方面，著重分析了幾種監(jiān)控設(shè)計(jì)，并構(gòu)思了一種基于PLC的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過仿真對(duì)比與分析可知：相較于傳統(tǒng)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)的控制可靠性較高。

關(guān)鍵詞：控制可靠性;自動(dòng)控制系統(tǒng);PLC

中圖分類號(hào)：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ??文章編號(hào)：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)的日益成熟，其已逐步滲透入各行各業(yè)，并以機(jī)械化、可編程、誤差小等優(yōu)勢(shì)大大提高了工作效率，促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。自20世紀(jì)70年代起，相關(guān)學(xué)者借助著計(jì)算機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)研究電氣工程技術(shù)，使其朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。如今電氣自動(dòng)控制技術(shù)日益完善，改變了相關(guān)人員的工作方式，減少資源消耗并提高了工作效率^[1]。但隨著工業(yè)產(chǎn)品及生產(chǎn)設(shè)備日新月異，諸多傳統(tǒng)電氣設(shè)備在設(shè)計(jì)方面存在著不足，我國(guó)自動(dòng)化控制水平一定程度上低于歐美國(guó)家^[2]，不僅難以滿足當(dāng)今產(chǎn)品的質(zhì)量需求，更影響了電氣設(shè)備的正常使用。于是本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況中對(duì)不同運(yùn)行參數(shù)要求存在差異，而選擇不同的監(jiān)控方式并分析其各自存在的優(yōu)缺點(diǎn);另外對(duì)系統(tǒng)硬件、輸入/輸出電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種妥善的電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)存在的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

1.1 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)指標(biāo)

電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心、信息技術(shù)為輔助的新型電氣系統(tǒng)。其核心功能有：故障管理、自動(dòng)分析及繪圖等，并利用不同的數(shù)據(jù)采集方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化配電補(bǔ)充。其主要應(yīng)用有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)^[3]，利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)準(zhǔn)確分析配電網(wǎng)中存在的故障，將問題線路段自動(dòng)隔離，確保整體配電網(wǎng)的運(yùn)行安全。另外自動(dòng)化控制系統(tǒng)還可以檢測(cè)變電站內(nèi)的基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比對(duì)確定變電站目前的運(yùn)行狀態(tài)，保證各種電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要結(jié)合產(chǎn)品的需求及各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合考察，比如產(chǎn)品的成本、外觀、實(shí)用性等。首先利潤(rùn)是工業(yè)生產(chǎn)的主要目標(biāo)之一，因此控制產(chǎn)品造價(jià)是電力自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要原則;其次產(chǎn)品外觀的形狀、體積、大小等因素決定著電氣設(shè)備的應(yīng)用限制條件，因此在設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)要確保整體設(shè)備外觀簡(jiǎn)潔、規(guī)整;最后產(chǎn)品的實(shí)用性決定了電氣設(shè)備是否有必要進(jìn)行大規(guī)模推廣，因此電氣工程產(chǎn)品要能完成相應(yīng)的功能。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)

電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、集中監(jiān)測(cè)以及總線監(jiān)測(cè)為目標(biāo)，因此其設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)^[4]：

在集中監(jiān)測(cè)時(shí)，系統(tǒng)的控制與處理均可依托電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，這種方式不僅提升了系統(tǒng)的維護(hù)效率，也確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

在進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)，可利用電氣自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以協(xié)助運(yùn)維部門進(jìn)行修正系統(tǒng)。

在監(jiān)測(cè)總線時(shí)，電氣自動(dòng)化控制技術(shù)可發(fā)揮集中控制能力，高效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)。

1.3 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，要明確設(shè)計(jì)重點(diǎn)。不同設(shè)計(jì)方向的具體設(shè)計(jì)要求存在差異。

（1）集中監(jiān)控設(shè)計(jì)：集中監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，運(yùn)行及維護(hù)較為方便，但其CPU數(shù)量限制了整體系統(tǒng)的性能，使得其信息交換速度及處理效率較低。另外隨著電氣設(shè)備的技術(shù)復(fù)雜度越來越高，監(jiān)控系統(tǒng)要監(jiān)測(cè)的單元數(shù)量顯著增加，因此事故發(fā)生率也相應(yīng)上升。為避免此類事故的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程重要盡量縮短線纜的長(zhǎng)度，以保證系統(tǒng)可靠性;另外斷路器連鎖要采用硬接線，以提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)：遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的帶寬有一定要求，其將導(dǎo)致更高的線路成本，從而影響企業(yè)利潤(rùn)。因此在設(shè)計(jì)過程中要依據(jù)實(shí)際需求合理選擇傳輸線材，以提升經(jīng)濟(jì)效益。另外遠(yuǎn)程監(jiān)控方對(duì)傳輸配置要求較低，難以滿足大型設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)不適用于數(shù)量規(guī)模較大的設(shè)備群控制。

（3）現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控設(shè)計(jì)：此類方式對(duì)于系統(tǒng)性能要較高，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)間隔，通過系統(tǒng)總線監(jiān)控方式可以在不同間隔內(nèi)發(fā)揮不同作用，因此設(shè)計(jì)此類監(jiān)控方式時(shí)要明確實(shí)際間隔方式，以確保設(shè)計(jì)方案符合實(shí)際的監(jiān)控需求。這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)在于資源利用效率較高，系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)之間排列緊湊，線纜使用量大為減少，有助于節(jié)約成本。由于系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)之間保持獨(dú)立，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性高、安全性好，抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)。

2 一種基于PLC的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)過程中要優(yōu)先設(shè)計(jì)電氣設(shè)備的物理層，確定變壓器的各項(xiàng)基本指標(biāo)，比如狀態(tài)、電壓等。在物理層設(shè)計(jì)過程中要設(shè)置數(shù)據(jù)傳感器，以獲取必要控制信息數(shù)據(jù)，判斷系統(tǒng)狀態(tài);另外物理層還需配備信號(hào)處理器及控制終端等硬件設(shè)備。

2.2 輸入電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)過程中，要確定PLC的供電條件要求，包括抗干擾、安全容量等，在明確條件后，輸入電路的設(shè)計(jì)要參考實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。大型PLC硬件系統(tǒng)通常使用交流電，且子系統(tǒng)數(shù)量多、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、各種線纜分布雜亂又長(zhǎng)短不一，因此系統(tǒng)在使用過程中要設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)裝置，以避免意外情況;小型PLC硬件系統(tǒng)使用直流電供電，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線纜使用量低、長(zhǎng)度較短，因此在使用時(shí)控制較為簡(jiǎn)便，無需額外防護(hù)。另外設(shè)計(jì)要求PLC硬件具備一定的抗干擾能力，因此常采用在硬件周圍設(shè)置等體積隔離變壓設(shè)備的方式屏蔽外部電路干擾。

2.3 輸出電路設(shè)計(jì)

優(yōu)秀的輸出電路設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制及維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。在輸出電路中，傳感器將收集到的完整數(shù)據(jù)發(fā)送至信號(hào)處理器中，處理器利用信號(hào)轉(zhuǎn)換功能將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)遞送至自動(dòng)化控制終端，并顯示在后臺(tái)。設(shè)計(jì)過程中，PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)要與傳感器映像寄存器以及元件數(shù)據(jù)寄存器保持連接，以便于自動(dòng)調(diào)取其中數(shù)據(jù)并將其傳輸至信號(hào)處理器中。此時(shí)設(shè)備要保持動(dòng)態(tài)監(jiān)控，因此要進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新設(shè)置。

3 仿真分析

為確定設(shè)計(jì)思路是否正確，下面將結(jié)合實(shí)例對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行對(duì)比性分析。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在仿真實(shí)驗(yàn)開始前要預(yù)先開展數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。首先選取不同工作條件下的自動(dòng)化設(shè)備，通過仔細(xì)勘察收集其中重要的真實(shí)數(shù)據(jù);以某地單位的傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)為例，收集該系統(tǒng)工作過程中的數(shù)據(jù)記錄;數(shù)據(jù)收集完畢后，分別將兩組數(shù)據(jù)輸入到仿真模擬系統(tǒng)中，得到PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)以及傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

在仿真模擬程序中，同時(shí)運(yùn)行PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)以及傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)，且以2小時(shí)為運(yùn)行周期不斷切換自動(dòng)化系統(tǒng)工作條件，另外除了要對(duì)相同場(chǎng)景中兩個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理外，還需收集條件切換后兩控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比（如圖1）。

3.3 結(jié)論

依據(jù)曲線圖可知，基于PLC的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)曲線波動(dòng)頻率較平緩，且整體系統(tǒng)的運(yùn)行可靠度長(zhǎng)時(shí)間維持在較高水平，而傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)在運(yùn)行初期階段即出現(xiàn)可靠性降低的問題，雖然在后續(xù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中性能略有回升，但持續(xù)時(shí)間較短。由此可知：相較于傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)，PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)有較大優(yōu)勢(shì)。因此PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有較大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電氣自動(dòng)化技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用前景十分廣闊，使得各行業(yè)依托電氣自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)型具有更高的可行性。采用合理的方式設(shè)計(jì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)可顯著提升系統(tǒng)的整體性能，對(duì)于提升人們生活質(zhì)量及提高企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。隨著國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電氣自動(dòng)化技術(shù)逐漸趨于完善，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)建設(shè)起到重要的推動(dòng)作用。因此在信息化技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，改善電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究新型電氣自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)的智能化發(fā)展具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

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收稿日期：2020-03-24

作者簡(jiǎn)介：錢世超（1993—），男，江蘇鹽城人，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)故障診斷。

Design of electric Automatic Control System Based on PLC

QIAN Shi-chao

（Anhui University of Science and Technology，Huainan ?Anhui? 232001）

Abstract： With the rapid development of the electrical industry， the automation control technology has attracted the attention of a large number of scholars due to its wide application prospects， and which has been implemented in many engineering projects. But with the increasingly complex industrial requirements， it is of great significance to carry out related research for the fact that traditional electrical automatic control systems are facing many challenges at the design level. So this paper focuses on the analysis of several monitoring designs and conceives a PLC-based electrical automatic control system for system structure， operation and maintenance， information exchange and anti-risk capability. It is known that the control reliability of the PLC control system is higher than the traditional Through simulation comparison and analysis.

Key words： Control reliability; Automatic Control System; PLC