基于PLC技術(shù)的電氣設(shè)備連接線自動(dòng)控制研究

傅衛(wèi)沁

（上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200137）

1 引言

作為先進(jìn)技術(shù)方面的核心領(lǐng)域，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在社會(huì)中發(fā)揮不可代替的作用，引領(lǐng)工業(yè)向前邁進(jìn)。為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，大型電力工程逐漸興起，對(duì)自動(dòng)化控制提出更高要求，必須保證電氣設(shè)備連接工藝符合要求，確保電力工程安全和穩(wěn)定。電氣設(shè)備連接線自動(dòng)控制系統(tǒng)被稱為電氣設(shè)備二次控制回路，是指由若干電氣元件組合，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)或某些對(duì)象的控制，從而保證被控設(shè)備安全、可靠的運(yùn)行，主要功能包括自動(dòng)控制、保護(hù)、監(jiān)視和測(cè)量。如何對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行合理連接控制，減少人力物力，降低事故發(fā)生概率是亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，孟光偉等人利用綜合應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方法對(duì)電氣設(shè)備控制電路進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真[1]。結(jié)合系統(tǒng)中各功能部件之間存在的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系建立拓?fù)鋱D，生成關(guān)系矩陣；通過(guò)該矩陣獲取各節(jié)點(diǎn)電壓與支路電阻，使用虛擬萬(wàn)用表測(cè)量任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓與電阻；根據(jù)測(cè)量值對(duì)連接線信號(hào)進(jìn)行判斷，給出相應(yīng)的控制方法[1]；熊小伏等人首先分析了電器設(shè)備容易發(fā)生故障的全部原因、類型以及會(huì)造成的相應(yīng)后果，提出電氣設(shè)備保護(hù)與控制的技術(shù)體系；引入輸變電設(shè)備安全區(qū)域，將設(shè)備可使用時(shí)間當(dāng)作描述安全的主要特征量，構(gòu)建以安全參量預(yù)測(cè)為核心的主動(dòng)控制架構(gòu)[2]。

但以上兩種方法在線路較為復(fù)雜時(shí)，響應(yīng)速度慢，控制效果不佳。因此，為確保電力系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，本文利用PLC(Programmable Logic Controller)技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備連接線進(jìn)行自動(dòng)控制研究。該技術(shù)處理性能強(qiáng)，繼電器屬于其核心結(jié)構(gòu)，在工作過(guò)程中無(wú)需導(dǎo)線，方便數(shù)據(jù)處理；控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，工作人員更加容易了解操作指令，提高工作效率；此外安全性更高。通過(guò)分析連接線中的電流信號(hào)，判斷是否會(huì)發(fā)生過(guò)載與短路現(xiàn)象，結(jié)合判斷結(jié)果，PLC控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)連接線作出相應(yīng)控制與調(diào)整，保證電氣設(shè)備安全運(yùn)行。

2 電器設(shè)備連接工藝與控制原則分析

2.1 連接工藝準(zhǔn)備

電器設(shè)備連接可分為物資準(zhǔn)備、圖紙審查與技術(shù)交底三部分，連接流程如圖1所示。

圖1 電氣設(shè)備安裝流程圖

(1)圖紙審查

在電氣設(shè)備安裝前，組織相關(guān)學(xué)者對(duì)圖紙進(jìn)行全面審查與改進(jìn)。圖紙必須經(jīng)過(guò)三方人員共同認(rèn)可才能使用。如果其中任何一方有疑問(wèn)，需要及時(shí)提出，在圖紙確定后，不允許隨意更改。

(2)物資準(zhǔn)備

電氣設(shè)備安裝物資主要分為設(shè)備元件和施工器械兩大類。由于此項(xiàng)工程需要使用設(shè)備種類較多，操作復(fù)雜，困難程度較高，因此在電氣設(shè)備操作過(guò)程中需要使用輔助器械，一定程度上減少直接操作的困難[3]。

(3)技術(shù)交底

現(xiàn)階段電氣設(shè)備連接方式較多，一定程度上提高了安裝技術(shù)難度，因此必須要進(jìn)行技術(shù)交底，突出核心工藝，降低安裝難度[4]。此外，還需制定詳細(xì)的電器設(shè)備安裝技術(shù)，審查所有環(huán)節(jié)，確保安裝質(zhì)量，降低成本，縮短周期。

2.2 連接線控制原則確定

在完成連接工藝準(zhǔn)備后，要制定明確的控制原則[5]：

(1)控制要求與方式相互適應(yīng)

控制方案并不是越多效果越好，需要分析不同方案的經(jīng)濟(jì)效益。如果程序變換較多，采用的編程控制器就會(huì)非常復(fù)雜。

(2)連接線電源可靠性

一般情況下連接線利用電網(wǎng)式電源，如果電氣設(shè)備較少則使用電壓降離降壓法[6]。若要用直流電源，則需確保設(shè)備自動(dòng)化程度較高。在實(shí)際操作中，最終控制方案會(huì)吸取一定人員經(jīng)驗(yàn)，因此需靈活運(yùn)用控制原則。

3 PLC技術(shù)的電氣設(shè)備連接線自動(dòng)控制

3.1 電流信號(hào)流入與數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)采集到的連續(xù)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳感器、變送器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)能夠接受的電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，變成系統(tǒng)可以識(shí)別的數(shù)字量形式[7]。利用PLC取讀，并將其儲(chǔ)存在某個(gè)連續(xù)地址中。

但是在實(shí)際操作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較多干擾，例如溫度、磁場(chǎng)等，降低采樣值精準(zhǔn)度。特別是在惡劣環(huán)境下，在采集有用信號(hào)時(shí)，無(wú)法避免的摻雜干擾信號(hào)，造成數(shù)據(jù)波動(dòng)，所以必須對(duì)采集信號(hào)做濾波處理。

為使系統(tǒng)不受干擾正常工作，一般在系統(tǒng)中設(shè)置計(jì)算機(jī)程序，每一次采樣信號(hào)組成數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)平滑處理，以提高采樣值中的有效信號(hào)比重，消除干擾信號(hào)[8]。

濾波處理就是對(duì)信噪比較低的模擬量，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換變成離散數(shù)字量，并將生成的數(shù)據(jù)存進(jìn)計(jì)算機(jī)中，通過(guò)固定程序?qū)ζ涮幚恚_保處理后的數(shù)據(jù)穩(wěn)定在某個(gè)值周圍，不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，從而消除干擾信號(hào)。數(shù)字濾波相當(dāng)于程序?yàn)V波，具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)不需要添加硬件設(shè)備，只需在數(shù)據(jù)處理之前加入濾波程序；

(2)可靠性較高，不會(huì)出現(xiàn)阻抗匹配問(wèn)題；

(3)不同濾波通道可共享，節(jié)約成本；

(4)使用較為靈活，能夠結(jié)合實(shí)際情況選用不同濾波方法。

濾波方式較多，本文主要利用程序判斷法中的限速濾波法。要通過(guò)兩次差值對(duì)比決定能否保留本次結(jié)果，具體方法為當(dāng)|X(2)-X(1)＞△X|，此時(shí)X(1)并不是本次采樣結(jié)果，而需再進(jìn)行一次采樣得到X(3)，結(jié)合|X(3)-X(2)|和△X之間的大小關(guān)系來(lái)確定此次采樣值。表示為：

3.2 標(biāo)度轉(zhuǎn)換

在完成電流信號(hào)濾波處理后，PLC 利用傳感器、輸入通道讀取的數(shù)字信號(hào)都屬于無(wú)量綱數(shù)字量，通常與初始帶有量綱的被測(cè)值不相等。因此經(jīng)過(guò)濾波得到的有效采樣值還不能直接使用，需進(jìn)行進(jìn)一步處理，將無(wú)量綱數(shù)字信號(hào)變換為原量綱工程值后才能使用，這就是標(biāo)度變換，這一過(guò)程主要通過(guò)編寫軟件程序?qū)崿F(xiàn)。

當(dāng)被測(cè)參數(shù)和A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出具有線性關(guān)系時(shí)，可通過(guò)線性變換方法，變換式如下：

公式中，Ax是測(cè)量值，Ad與Au分別表示測(cè)量?jī)x表量程上、下限數(shù)值，Dd和Du分別表示測(cè)量?jī)x表上、下限相對(duì)的數(shù)字量，Dx表示與測(cè)量值相對(duì)的數(shù)字量。

其中Ad、Au、Dd和Du針對(duì)某個(gè)被測(cè)參數(shù)而言，它們則屬于常數(shù)。為使操作方便，通常將測(cè)量?jī)x下限值A(chǔ)u對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換值設(shè)置為0，即Au=0，因此，公式(2)能夠變?yōu)橄率鲂问剑?/p>

在某些測(cè)量系統(tǒng)中，儀表下限值等于0，即Au=0，這樣公式(3)即可簡(jiǎn)化為：

3.3 電氣設(shè)備與連接線的過(guò)載與短路判斷

在獲得經(jīng)過(guò)濾波與標(biāo)度轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)后，通過(guò)分析過(guò)載特性與電流短路變化規(guī)律，可以判斷出電氣設(shè)備連接是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)載與短路現(xiàn)象，更好地對(duì)連接線進(jìn)行控制。

3.3.1 過(guò)載電流

全部電氣設(shè)備的實(shí)際電流都在額定電流以上，統(tǒng)稱為過(guò)電流，又可以簡(jiǎn)稱過(guò)流。造成過(guò)流的主要原因有過(guò)載和電機(jī)單獨(dú)運(yùn)行等因素。超負(fù)荷屬于非正常運(yùn)行狀態(tài)，超負(fù)荷在一定范圍和時(shí)間內(nèi)是被允許的，但長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載較為危險(xiǎn)，容易造成電線熱量積聚，降低電氣絕緣水平，造成絕緣擊穿，損壞電氣設(shè)備，熱量積聚和電流大小、時(shí)間等因素息息相關(guān)。

結(jié)合國(guó)家電力行業(yè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，反時(shí)限過(guò)流動(dòng)作曲線公式表示為：

公式中，C表示反時(shí)限特征常量，通常情況下，C=0.02表示一般反時(shí)限特征，C=1表示非常反時(shí)限，C=2表示極度反時(shí)限，IB表示基準(zhǔn)電流，I表示實(shí)際工作的等效電流，t表示反時(shí)限過(guò)流時(shí)間。通過(guò)公式(5)獲取的電流信號(hào)進(jìn)行判斷，即可得出電氣設(shè)備連接線是否會(huì)出現(xiàn)電流過(guò)載現(xiàn)象，有助于對(duì)其進(jìn)行有效控制。

3.3.2 短路電流

電氣設(shè)備中主要短路類型有單相、兩相、三相與兩相不同接地點(diǎn)短路。其中，三相短路屬于對(duì)稱性短路，其它則為非對(duì)稱短路。計(jì)算短路電流的主要方法有標(biāo)示值短路法，該方法在運(yùn)算過(guò)程中，通常選用某個(gè)數(shù)值當(dāng)做此物理量標(biāo)準(zhǔn)值，其實(shí)際物理單位和與其所得的比值就是該物理量的標(biāo)示值。需要注意的是在挑選標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，應(yīng)滿足電磁規(guī)律。

本文主要對(duì)電氣設(shè)備連接線短路電流變化規(guī)律進(jìn)行分析。出現(xiàn)短路故障時(shí)，電氣設(shè)備會(huì)從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪返姆€(wěn)定狀態(tài)，通常需要3～5 秒，在此段時(shí)間內(nèi)，電路變化狀況十分復(fù)雜，將此過(guò)程劃分為下述三個(gè)部分：

(1)正常工作狀態(tài)

短路發(fā)生前的狀態(tài)為正常工作狀態(tài)。電氣設(shè)備在此狀態(tài)時(shí)，三相系統(tǒng)對(duì)稱，電動(dòng)勢(shì)和連接線中的電流由電壓、負(fù)載阻抗決定。

(2)暫態(tài)過(guò)程

短路發(fā)生后的過(guò)渡時(shí)間段為暫態(tài)過(guò)程，電氣設(shè)備處于此狀態(tài)時(shí)，負(fù)荷阻抗短接，此時(shí)阻抗值為零。母線電壓維持不變，系統(tǒng)外部阻抗降低，因此電流迅速增大，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)有較大周期變化的電流iper，又因?yàn)殡姼械拇嬖?，還會(huì)形成一個(gè)和iper反方向的非周期分量iaper。經(jīng)過(guò)以上分析可得，短路電流中含有周期分量與非周期分量。

非周期分量不具備外圍的電動(dòng)勢(shì)，通常隨著時(shí)間消耗按照指數(shù)規(guī)律衰減，正常情況下0.15～0.2 秒能夠衰減完成，其衰減公式表示為：

在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中Ta≈0.05，非周期分量通常在四個(gè)周期范圍內(nèi)即可完成衰減。

周期分量變換規(guī)律可描述為：

公式中，iper，t表示在t時(shí)間上短路電流分量的有效值。

在短路發(fā)生后，首個(gè)周期內(nèi)電流的有效值被稱作初始次暫態(tài)穩(wěn)態(tài)電流，利用I*表示。公式中，Za代表模糊識(shí)別參數(shù)。

若通過(guò)標(biāo)示值計(jì)算，則方程兩側(cè)同時(shí)乘以基準(zhǔn)電流Ib=Sb/()得到：

經(jīng)過(guò)半個(gè)周期后，短路電流瞬時(shí)值會(huì)達(dá)到最大，比周期分量振幅的二倍略低，稱該電流為沖擊電流，利用Iimp描述，計(jì)算公式如下：

公式中，Kimp屬于沖擊系數(shù)，且滿足Kimp=()，是時(shí)間函數(shù)表達(dá)式。Ta和短路點(diǎn)到電源之間的電阻相關(guān)。沖擊系數(shù)變動(dòng)區(qū)間為1≤Kimp≤2。

發(fā)生三相短路時(shí)，結(jié)合歐姆定律，次暫態(tài)電流計(jì)算公式如下：

(3)短路的穩(wěn)定狀態(tài)

在短路結(jié)束暫態(tài)過(guò)程經(jīng)過(guò)0.15～0.2 秒后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)電流有效值I∞與電流中周期成分的有效值相同，表示如下：

在電氣接線發(fā)生短路時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下的短路電流有效值與次暫態(tài)電流有效值相同，即表示如下：

以上即為電氣設(shè)備連接線出現(xiàn)過(guò)載與短路現(xiàn)象時(shí)電流變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下對(duì)連接線的有效控制，確保電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，利用PLC技術(shù)設(shè)計(jì)下述自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4.1 軟件編程

PLC的工作方式為循環(huán)掃描式，在掃描過(guò)程中將工作狀態(tài)保存到I/O 狀態(tài)表中，在完成用戶命令后，再將控制信號(hào)從狀態(tài)表中發(fā)送到執(zhí)行端。如果在編程過(guò)程中不考慮掃描與響應(yīng)時(shí)間，則該系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。假設(shè)要控制某臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)，設(shè)置如圖2所示的程序。

圖2 控制程序圖

在PLC 技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)該程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，并未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，但在實(shí)際操作時(shí)，電源發(fā)生短路現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，PLC和接觸器的配合出現(xiàn)問(wèn)題。結(jié)合程序操作步驟，在輸出點(diǎn)1504斷開后，才能接通輸出點(diǎn)1505，但事實(shí)上在一個(gè)掃描周期內(nèi)，這兩個(gè)輸出點(diǎn)斷開與導(dǎo)通條件已經(jīng)儲(chǔ)存在狀態(tài)表中。然而接觸器斷開與接通時(shí)間是不同步的，其中一個(gè)接觸器還沒有斷開，另一個(gè)就已經(jīng)閉合，因此造成短路現(xiàn)象。因此本文在圖2基礎(chǔ)上對(duì)軟件編程做出改進(jìn)，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的控制程序圖

3.4.2 硬件連接

PLC是針對(duì)工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的電子設(shè)備，但由于工作環(huán)境惡劣再加上外圍干擾，導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)可靠性降低。因此硬件連接重點(diǎn)工作是PLC 的抗干擾，需綜合考慮各方面因素，對(duì)抗電源干擾與抗負(fù)載干擾兩方面進(jìn)行分析。

(1)抗電源干擾

電源質(zhì)量的穩(wěn)定程度對(duì)系統(tǒng)可靠性存在很大影響。因此必須做到以下幾點(diǎn)：動(dòng)力線、電氣設(shè)備、與輸入等設(shè)備的電源需分開供電；交流電源線必須有足夠大的截面，避免出現(xiàn)過(guò)大壓降；通常情況下電源電壓波動(dòng)范圍應(yīng)控制在-15%～10%之間；因?yàn)殡妷翰ㄐ沃袝?huì)存在脈沖信號(hào)，可能造成PLC誤動(dòng)作，所以通過(guò)鐵磁外殼對(duì)逆變器屏蔽。

(2)抗負(fù)載干擾

如果負(fù)載出現(xiàn)過(guò)載等現(xiàn)象，會(huì)干擾PLC正常工作，此時(shí)需采取如下措施：對(duì)于直流感性負(fù)載，二極管并聯(lián)在負(fù)載上時(shí)，其電流比負(fù)載電流大一倍；對(duì)于交流感性負(fù)載，采用負(fù)載并聯(lián)阻容來(lái)吸收沖擊電流。

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為確保本文提出的基于PLC技術(shù)的電氣設(shè)備連接線自動(dòng)控制方法有效性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。分別利用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]與本文控制方法在模擬環(huán)境中進(jìn)行工作。響應(yīng)曲線是在一定時(shí)期內(nèi)隨時(shí)間變化的，是用電氣設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中重要的過(guò)程線，電氣設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸是決定響應(yīng)曲線平衡的重要因素。在電氣設(shè)備連接線自動(dòng)控制狀態(tài)下，是輸入信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的響應(yīng)，響應(yīng)快說(shuō)明電氣設(shè)備連接較穩(wěn)定，效應(yīng)較慢說(shuō)明電氣設(shè)備連接不穩(wěn)定。對(duì)單位階躍定值擾動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法響應(yīng)曲線圖

圖5 不同方法控制可靠性對(duì)比圖

由圖4可知，所提方法與其它兩種方法相比，系統(tǒng)輸出響應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)時(shí)間更短，這是因?yàn)楸疚睦肞LC方法對(duì)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行綜合考慮，加快控制信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行端的速度，實(shí)現(xiàn)軟件合理編程。此外，還對(duì)三種方法對(duì)電氣設(shè)備連接可靠性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中能夠看出，所提方法輸出的控制信號(hào)較為穩(wěn)定，而其它方法信號(hào)輸出起伏程度較大，主要因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠獲取過(guò)載與短路電流特征，對(duì)電氣連接是否出現(xiàn)故障做出準(zhǔn)確判斷，從而合理控制連接線，使輸出的控制信號(hào)更加平穩(wěn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

PLC技術(shù)在電氣設(shè)備連接線自動(dòng)控制中的應(yīng)用，就是將測(cè)量技術(shù)與控制技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)測(cè)量電路電流，判斷電器設(shè)備連接是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)載與短路現(xiàn)象，再利用控制系統(tǒng)結(jié)合判斷結(jié)果對(duì)連接線進(jìn)行自動(dòng)控制。仿真結(jié)果表明，該方法控制可靠性高，能確保電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。在PLC技術(shù)不斷發(fā)展的今天，人機(jī)交互界面將會(huì)發(fā)生變化，各種類型的控制功能將更好地滿足不同的需求。在未來(lái)發(fā)展中該技術(shù)必定會(huì)成為各類電氣設(shè)備控制系統(tǒng)中最為核心的技術(shù)之一。