PLC在繼電器自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

張繼偉，文立菊

PLC在繼電器自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

張繼偉，文立菊

（福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000）

為提高繼電器的工作效率，分析PLC對(duì)系統(tǒng)的順序、開關(guān)量以及閉環(huán)系統(tǒng)的三方面控制的應(yīng)用，以繼電器為對(duì)象，進(jìn)行控制操作性能對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證應(yīng)用效果。結(jié)果表明，所提研究在電氣自動(dòng)控制領(lǐng)域具有可靠性、靈活性和其他特性的特點(diǎn)，其應(yīng)用可以有效地提高工作效率。

PLC；繼電器；自動(dòng)化控制

電氣設(shè)備是電力供應(yīng)的重要載體和媒介，主要包括發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路、繼電器等設(shè)備，這些設(shè)備的控制直接影響設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)直接影響電力供應(yīng)質(zhì)量和效率[1-2]。在上述背景下，如何有效地控制繼電器運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于繼電器自動(dòng)化控制，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了相關(guān)的研究，國(guó)外在20世紀(jì)60年代初開始研究DCS，將其開發(fā)并應(yīng)用于實(shí)際控制管理中[3]。中國(guó)在20世紀(jì)80年代開始引入和開發(fā)DCS。20世紀(jì)90年代，隨著我國(guó)電力行業(yè)的快速發(fā)展，DCS在輸配電力設(shè)備控制中得到了高度關(guān)注和應(yīng)用。然而，現(xiàn)如今電氣設(shè)備智能化程度的不斷提高，隨著PLC的出現(xiàn)和發(fā)展，PLC應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，甚至開始慢慢地動(dòng)搖DCS一直以來(lái)的主導(dǎo)地位。

為此，本文進(jìn)行基于PLC的繼電器自動(dòng)化控制研究。PLC（全稱可編程控制器）以微處理作為整個(gè)系統(tǒng)的核心和大腦，將控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)地融合在一起[4-5]。在PLC當(dāng)中，可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算和控制輸出等操作。研究分為三部分：PLC研究與分析、控制算法研究以及PLC的控制效果分析。結(jié)果表明，與基于DCS的繼電器自動(dòng)化控制相比，本文基于PLC的控制方法解決了兼容問題，提高了控制的可靠性，為我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展和建設(shè)提供了一定的支持和動(dòng)力。

1 PLC技術(shù)概述

PLC主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、I/O模塊、輸入/輸出接口、編程器和電源組成，如圖1所示[6]。

圖1 PLC構(gòu)成圖

PLC運(yùn)行過(guò)程分為輸入信號(hào)收集，程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段工作[7-8]。

2 PLC技術(shù)在繼電器自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

2.1 對(duì)系統(tǒng)的順序控制

PLC技術(shù)主要通過(guò)傳統(tǒng)的繼電器控制元素的連續(xù)優(yōu)化來(lái)強(qiáng)化控制序列和靈敏度[9]。此外，可以構(gòu)成自動(dòng)化設(shè)備控制模塊的一部分，并且可以有效地實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)化設(shè)備的自主控制，可以大大避免由于控制序列故障和設(shè)備控制量差引起的各種問題。

2.2 開關(guān)量的控制

在電氣自動(dòng)控制中需要積極地提高繼電器并優(yōu)化繼電器，并且可以有效地降低控制操作的失敗概率。為了提高電自動(dòng)控制系統(tǒng)的操作質(zhì)量，可以使用PLC開關(guān)值控制技術(shù)[10-11]。另外，應(yīng)用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的集中控制，改善系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用中的不良部件，有效地保證自動(dòng)控制系統(tǒng)的使用效率的持續(xù)提高。

2.3 對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)控制

傳統(tǒng)的電動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，泵馬達(dá)的啟動(dòng)方法很多。在系統(tǒng)的實(shí)際操作中，需要結(jié)合每個(gè)泵的操作來(lái)選擇控制模式和控制狀態(tài)[12]。PLC技術(shù)在閉環(huán)控制中的適當(dāng)應(yīng)用不僅有效地改善了控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，而且還可以促進(jìn)持續(xù)改進(jìn)。

3 應(yīng)用效果分析

為測(cè)試基于PLC的繼電器自動(dòng)化控制效果，以LRD熱繼電器為對(duì)象進(jìn)行控制操作性能測(cè)試，并以基于DCSLRD熱繼電器自動(dòng)化控制效果作為對(duì)比項(xiàng)。整個(gè)測(cè)試應(yīng)用MATLAB/SIMULINK對(duì)進(jìn)行仿真分析。

3.1 LRD熱繼電器

實(shí)驗(yàn)選擇一種市售的LRD熱繼電器作為實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象，如圖2所示。該繼電器額定電壓690V，設(shè)置表盤lr、復(fù)位按鈕、測(cè)試按鈕和停止按鈕；通過(guò)螺釘夾緊端子連接；“TH”防護(hù)處理，可以在濕熱的環(huán)境中使用；正常工作的環(huán)境溫度為-20～+55℃，溫度補(bǔ)償?shù)沫h(huán)境溫度為-20～+70℃；額定絕緣電壓為1000V，脫扣等級(jí)為10A，在出現(xiàn)過(guò)載以后，可盡快返回到正常操作狀態(tài)。

圖2 繼電器實(shí)物圖

3.2 PLC選型

目前，PLC類型非常多，因此選型十分重要，關(guān)系著合適的PLC才能更好地實(shí)現(xiàn)兼容性，提高繼電器自動(dòng)化控制質(zhì)量和效率[13]。選型中需要考慮以下幾點(diǎn)原則：

（1）根據(jù)控制方案，選擇PLC生產(chǎn)廠家和型號(hào)；

（2）控制設(shè)備所需的所有I/O點(diǎn)數(shù)的數(shù)量，選擇擁有大于或等于其數(shù)量的PLC；

（3）根據(jù)系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息等的大小，選擇存儲(chǔ)器大于其規(guī)模的PLC[14]；

（4）根據(jù)需要連接的設(shè)備數(shù)量，選擇合適模擬量輸入輸出模塊的PLC；

（5）選擇根據(jù)需要連接的設(shè)備類型，應(yīng)充分地考慮到兼容性[15]；

（6）根據(jù)資金情況，要考慮經(jīng)濟(jì)性，選擇合適價(jià)格的PLC。

根據(jù)上述連接的繼電器技術(shù)指標(biāo)，選擇MX-100PLC作為控制集成硬件，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 MX-100 PLC技術(shù)參數(shù)

3.3 基于PLC的仿真控制模型

基于PLC對(duì)繼電器模擬量實(shí)行模糊PID控制，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 仿真控制模型

3.4 PLC兼容性分析

電氣自動(dòng)化設(shè)備控制的難點(diǎn)在于傳統(tǒng)DCS無(wú)法很好地與不同系統(tǒng)的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)很好的兼容[13]，因此在這里用不同系統(tǒng)的服務(wù)器平臺(tái)對(duì)本文基于PLC的電氣自動(dòng)化設(shè)備控制進(jìn)行兼容性測(cè)試。結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，PLC面對(duì)不同系統(tǒng)的不同系統(tǒng)的服務(wù)器都保證了正常運(yùn)行，沒有出現(xiàn)DCS無(wú)法兼容的情況，證明本方法克服了難點(diǎn)，在一定程度上證明了本方法的性能。

表2 兼容性測(cè)試結(jié)果

3.5 可靠性測(cè)試

雖然本文研究中PLC兼容性得到了保證，但并不能完全保證整體控制可靠性也達(dá)到了目標(biāo)，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試與分析。表3為可靠性測(cè)試仿真結(jié)果。

表3 可靠性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表3，得到以響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)態(tài)誤差為角度的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下。

3.5.1 響應(yīng)速度測(cè)試

分別采用本文研究方法和基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法進(jìn)行響應(yīng)速度測(cè)試，在相同的690V直流電壓下進(jìn)行安全測(cè)試，通過(guò)25組實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)比兩種方法下的繼電器安全控制反應(yīng)時(shí)間，以此分析不同方法的響應(yīng)速度。測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 響應(yīng)速度測(cè)試對(duì)比

圖4中A1曲線為基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法響應(yīng)速度曲線，A2為本文基于PLC控制的響應(yīng)速度曲線。分析圖4可知，本文方法反應(yīng)時(shí)間在0.31～0.36s之間，基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法的反應(yīng)時(shí)間在0.46～0.52s之間。對(duì)比數(shù)據(jù)可知，本文研究方法的響應(yīng)速度快于基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法。

3.5.2 調(diào)節(jié)速度測(cè)試

設(shè)置采樣周期為0.2s，保證初始值相同的情況下，利用兩種方法測(cè)得繼電器單個(gè)故障點(diǎn)后的調(diào)節(jié)時(shí)間，完成調(diào)節(jié)速度測(cè)試，測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖5所示：

圖5 調(diào)節(jié)速度測(cè)試對(duì)比

分析圖5可知，本文研究方法調(diào)節(jié)時(shí)間最高為0.15s，基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法的調(diào)節(jié)時(shí)間最低為0.21。對(duì)比數(shù)據(jù)可知，本文研究方法的調(diào)節(jié)速度由于基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法，可以最快速度調(diào)節(jié)繼電器故障。

3.5.3 穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)試

穩(wěn)態(tài)誤差不需要考慮時(shí)間因素對(duì)誤差的影響。穩(wěn)態(tài)誤差要在兼顧其他性能指標(biāo)的情況下，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個(gè)容許的限制值。保證初始值相同的情況下，分別采用本文研究方法和基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)試，測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 調(diào)節(jié)速度測(cè)試對(duì)比

分析圖6可知，本文研究方法的穩(wěn)態(tài)誤差接近零，基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法的穩(wěn)態(tài)誤差高于本文研究方法。

綜上分析，本文基于PLC控制下，繼電器的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)速度快于基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法，且穩(wěn)態(tài)誤差小于0.001，證明本方法的可靠性更好。

3.6 精度測(cè)試

通過(guò)上述分析，本文研究的可靠性得以驗(yàn)證，但無(wú)法證明整體控制精度更高于基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試與分析。

將繼電器工作的完整生命信號(hào)劃分為1000個(gè)數(shù)據(jù)段，并確定了非零點(diǎn)特征值及其相應(yīng)的特征向量為綜合特征指數(shù)，假設(shè)該繼電器出現(xiàn)了控制回路故障，使用兩種方法，診斷三相短路情況，精度測(cè)試仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 精度測(cè)試對(duì)比

分析圖7可以看出，本文基于PLC控制下，繼電器的精度高于基于DCS繼電器自動(dòng)化控制方法，且穩(wěn)態(tài)誤差為零，由此證明本方法的可靠性更好。

4 結(jié)論

綜上所述，本文將傳統(tǒng)DCS的控制缺陷作為本文研究難點(diǎn)，通過(guò)PLC，并結(jié)合模糊PID算法信息進(jìn)行了控制研究，并取得了較好的控制效果。

（1）本方法解決了兼容性問題，可靠性得到了很大提高，響應(yīng)速度低于0.36s，穩(wěn)態(tài)誤差接近零，精度在80%以上。

（2）本研究工作仍然具有一些不完善的地方，即本文實(shí)驗(yàn)中所建立的繼電器仿真控制模型是在理想狀態(tài)下建立的，未考慮一些復(fù)雜的情況，因此得到的結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定的差異，因此有待于進(jìn)一步完善其模型，優(yōu)化仿真結(jié)果。

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Application of PLC in relay automation control

ZHANG Ji-wei，WEN Li-ju

(Fujian Electric Power Vocational and Technical College, Fujian Quanzhou 362000, China)

In order to improve the working efficiency of the relay, the application of PLC in three aspects of system sequence, switching value and closed-loop system is analyzed, and the control operation performance is compared and tested with the relay as the object to verify the application effect. The results show that the proposed research has the characteristics of reliability, flexibility and other characteristics in the field of electrical automatic control, and its application can effectively improve the work efficiency.

PLC；relay；automatic control

2021-11-05

2019年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目“低壓電氣施工技術(shù)類課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（JAT191351）

張繼偉（1982-），男，河南正陽(yáng)人，副教授，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化研究，lonely2021@126.com。

TM76;TP273

A

1007-984X(2022)03-0037-05