PLC在繼電器自動(dòng)化控制中的應(yīng)用探討

戚健

(唐山佳華煤化工有限公司 河北唐山 063611)

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行離不開(kāi)電氣設(shè)備，其作用非常重要。作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的一種運(yùn)輸載體，只有電氣設(shè)備保持穩(wěn)定與有效運(yùn)行，才能確保電力的持續(xù)供給。電氣設(shè)備較多見(jiàn)的如發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路、繼電器等，而其運(yùn)行狀態(tài)則決定了整個(gè)電力系統(tǒng)能否穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。20 世紀(jì)80 年代，我國(guó)電力企業(yè)將分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）引入國(guó)內(nèi)，繼電器也開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，而在20 世紀(jì)90 年代，科技的進(jìn)步以及整個(gè)行業(yè)的不斷發(fā)展，輸配電力設(shè)備的控制中開(kāi)始廣泛地應(yīng)用DCS，而時(shí)代的發(fā)展讓DCS 逐漸受到了威脅，而對(duì)其地位形成威脅的就是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)。PLC與傳統(tǒng)控制器不同，其能夠編輯，且具有靈活與微小的優(yōu)勢(shì)。PLC 包含了許多現(xiàn)代的科技，如互聯(lián)網(wǎng)、控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，都已經(jīng)與PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)的融合，這也推動(dòng)了電氣設(shè)備控制智能化的腳步。相比DCS技術(shù)，PLC技術(shù)擁有更強(qiáng)的兼容性，能讓繼電器的穩(wěn)定性更高，因此也漸漸成為現(xiàn)代主流應(yīng)用的控制技術(shù)[1]。

1 PLC技術(shù)

1.1 PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

PLC即為可編程控制器，屬于電子裝置的一種，是專門(mén)為了現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，PLC 不僅具有數(shù)字運(yùn)算能力，還能夠編制程序，且內(nèi)置儲(chǔ)存器，通過(guò)PLC，能夠?qū)崿F(xiàn)順序控制、計(jì)數(shù)、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)等一系列的操作，輸入輸出的方式有模擬式與存儲(chǔ)式，以此裝置進(jìn)行命令的存儲(chǔ)與執(zhí)行，讓多種類型設(shè)備被其控制進(jìn)行生產(chǎn)操作。在設(shè)計(jì)PLC 與相關(guān)外圍設(shè)備時(shí)，原則是工業(yè)系統(tǒng)更易成為一個(gè)整體、功能更易擴(kuò)展。PLC 是現(xiàn)代電器廠家聲場(chǎng)的主流設(shè)備之一，多家世界知名工廠都有其生產(chǎn)，因此使PLC更新?lián)Q代越來(lái)越快，且功能越來(lái)越完善。在現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)化領(lǐng)域中，為了讓PLC 的使用范圍更廣闊，能夠充分滿足不同類型企業(yè)的要求，其有兩個(gè)大的發(fā)展方向，一是中型、大型的PLC，其發(fā)展方向是多功能、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)化、高速度，讓PLC的信息管理與控制功能有機(jī)地融合在一起，從而可以更好地控制復(fù)雜、規(guī)模大的系統(tǒng)。二是小型的PLC，其發(fā)展方向是速度更快、體積更小、價(jià)格更低、功能更強(qiáng)，從而便于PLC 可以盡快完成繼電器控制的取代工作，盡早讓機(jī)電一體化成為現(xiàn)實(shí)[2]。

1.2 PLC技術(shù)分類

（1）按照I/O點(diǎn)數(shù)，PLC包括小型、中型、大型，定義如下：小型PLC 的I/O 點(diǎn)數(shù)小于256 點(diǎn)；中型PLC 的I/O點(diǎn)數(shù)大于256點(diǎn)，但小于1 048點(diǎn)；大型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)大于2 048點(diǎn)。（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)差異，PLC分為模塊與整體兩種方式。模塊式：PLC 分為若干個(gè)模塊，如CPU 模塊、電源模塊、I/O 模塊等，其組成包括各種模塊與機(jī)架，在機(jī)架內(nèi)的插座上會(huì)插有各種模塊，其優(yōu)點(diǎn)是裝配方便、配置靈活，而且維修和擴(kuò)展也非常方便，因此廣泛應(yīng)用于中、大型的PLC之中。整體式：在機(jī)箱之中包含了PLC 的各個(gè)基本部件，如I/O、CPU、電源等，I/O 點(diǎn)數(shù)不同的擴(kuò)展與基本單元構(gòu)成了整體式PLC，基本單元有電源、I/O、CPU，擴(kuò)展單元有電源、I/O，此類PLC會(huì)有功能特殊的單元例如位置控制、模擬量等單元，主要是為了擴(kuò)張PLC功能，整體式的PLC價(jià)格比較低廉，且體積很小，結(jié)構(gòu)也非常的緊湊，因此主要應(yīng)用在小型的PLC之中。

1.3 PLC技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1.3.1 編程簡(jiǎn)單、操作難度低

梯形圖屬于PLC 所應(yīng)用最多的編程語(yǔ)言，和其他語(yǔ)言相比較，其直觀性更高，而且學(xué)習(xí)難度很低，只要很熟悉繼電器，技術(shù)人員只需幾天就能夠?qū)μ菪螆D語(yǔ)言有所掌握，借助廠家PC端就可以進(jìn)行用戶程序的編制與相關(guān)設(shè)定。

1.3.2 控制靈活

PLC的程序能夠進(jìn)行有效的變化，其柔性非常好。

1.3.3 功能強(qiáng)

PLC的性價(jià)比非常高，而且擴(kuò)充極其方便，在一臺(tái)小型的PLC 之中，一般會(huì)有上千個(gè)編程元件可供用戶使用，功能很強(qiáng)，復(fù)雜控制也能夠?qū)崿F(xiàn)。

1.3.4 控制系統(tǒng)工作量少，便于維修

PLC 與繼電器不同，其通過(guò)軟件功能對(duì)系統(tǒng)的繼電器（包括時(shí)間、中間兩種）、計(jì)數(shù)器實(shí)行控制，這也讓控制柜更少，因此接線量也大為減少，用于控制柜的設(shè)計(jì)也明顯減少，在設(shè)計(jì)PLC程序時(shí)，相比具有同樣功能的繼電器，PLC所用的時(shí)間更短，而且還能在實(shí)驗(yàn)室之中進(jìn)行用戶程序的模擬調(diào)試，以小開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)，觀察PLC 發(fā)光二極管就能知輸出信號(hào)，在完成安裝與接線后，要開(kāi)展統(tǒng)調(diào)工作，通過(guò)修改程序可以將此期間出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)解決，因此其統(tǒng)調(diào)用時(shí)會(huì)更短。

1.3.5 強(qiáng)抗干擾、高可靠性

在PLC中，軟件與硬件都存在抗干擾措施，因此有極強(qiáng)抗干擾作用，在無(wú)故障方面，其平均時(shí)間達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)，所以就算是現(xiàn)場(chǎng)存在的干擾非常強(qiáng)烈，PLC也可以直接應(yīng)用。

1.3.6 重量輕、能耗低

此方面的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)代系統(tǒng)所特有的[3]。

2 PLC技術(shù)在繼電器自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

2.1 開(kāi)關(guān)量

對(duì)現(xiàn)有的繼電器操作開(kāi)展優(yōu)化，能讓失敗率更低，控制效率更高，控制質(zhì)量也得到有效提高。借助PLC技術(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)有效控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量，這是因?yàn)镻LC可以聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，因此在I/O 點(diǎn)數(shù)的控制方面，PLC 既能控制十幾點(diǎn)，也能控制上萬(wàn)點(diǎn)，近乎無(wú)數(shù)量限制，同時(shí)在邏輯問(wèn)題方面，PLC 具有多樣性，如固定與隨機(jī)、延時(shí)與即時(shí)等問(wèn)題。

2.2 系統(tǒng)順序

連接繼電器控制元素是PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的方式，通過(guò)PLC可以連接繼電器的控制端，然后在PLC進(jìn)行編程并輸入指令，就可以完成自動(dòng)化控制繼電器。

2.3 閉環(huán)系統(tǒng)

傳統(tǒng)自動(dòng)控制的達(dá)成方式主要是以泵馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在操作時(shí)，操作者要通過(guò)泵來(lái)選擇模式與控制狀態(tài)。PLC技術(shù)則不同，其控制是在閉環(huán)系統(tǒng)中完成的，這種方式不僅讓系統(tǒng)控制更加安全，而且也會(huì)讓系統(tǒng)更加可靠[4]。

2.4 監(jiān)控

在PLC 中有很多的自檢信號(hào)存在，只要能合理應(yīng)用，就可真正讓自動(dòng)監(jiān)控得以實(shí)現(xiàn)，若被控制對(duì)象過(guò)于復(fù)雜，系統(tǒng)的整體監(jiān)控與診斷極其重要，這能確保相關(guān)動(dòng)作得到真正執(zhí)行，故障率也因此降低，故障排除也會(huì)更簡(jiǎn)易。

3 分析繼電器中PLC的實(shí)際應(yīng)用

為了可以驗(yàn)證PLC 應(yīng)用效果，筆者將LRD 熱繼電器作為研究對(duì)象，分析其與DCSLRD的差異，探尋PLC技術(shù)應(yīng)用于繼電器控制中的實(shí)際情況。

3.1 LRD熱繼電器

選取可買到的LRD熱繼電器，其額定絕緣電壓為1 000 V，額定電壓690 V，脫扣等級(jí)10 A，端子以螺釘夾進(jìn)行連接，并有復(fù)位、停止等功能按鈕，“TH”的防護(hù)處理，選用設(shè)備能于濕熱環(huán)境下工作，工作環(huán)境的溫度為-20～55 ℃，補(bǔ)償環(huán)境的溫度是-20～70 ℃。

3.2 選擇PLC

PLC的類型極多，而型號(hào)選擇很關(guān)鍵，因?yàn)橹挥屑嫒菪粤己?，才可讓設(shè)備控制效率、質(zhì)量得到充分保障。選擇PLC的類型時(shí)，要根據(jù)繼電器控制要求，選擇PLC的型號(hào)與廠家，PLC I/O 點(diǎn)數(shù)量應(yīng)該大于設(shè)備需求數(shù)量，同時(shí)要考慮到邏輯變量、用戶程序等相關(guān)信息，PLC存儲(chǔ)器必須要比上述信息更大，根據(jù)連接要求，對(duì)模塊輸入輸出合理的選擇，并依照類型差異，因要考慮到兼容性問(wèn)題，按照資金的預(yù)算，選擇最適合的PLC設(shè)備。本文所選的PLC型號(hào)為MX-100PLC，額定電壓是DC18V-36V，尺寸是128 mm×107 mm×40 mm，絕緣阻抗＞5 MΩ（DC500 V），功耗5 V/0.55 A，頻率是5 kHz，峰值是2 000 Vp-p，數(shù)字量的輸入與輸出點(diǎn)數(shù)均是12，模擬量輸入與輸出點(diǎn)數(shù)分別為4、2[5]。

3.3 仿真控制模型

將PLC作為制作基礎(chǔ)，選擇模糊PID控制，控制模式如圖1所示。

圖1 PID控制模式

3.4 PLC的兼容性測(cè)試

DCS是傳統(tǒng)電氣的自動(dòng)化控制方式，但此方式兼容性不良，不能兼容多系統(tǒng)，因此設(shè)備控制比較難。在PLC運(yùn)用之后，繼電器控制自動(dòng)化得以真正實(shí)現(xiàn)，這是由于PLC具有極佳的兼容性。在完成兼容性測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)Windows XP、Windows 2000、Windows 7、Windows 10、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、服務(wù)端都可以正常運(yùn)行，同時(shí)Netscape、Firefox、Maxthon 等瀏覽器也可以運(yùn)行，無(wú)錯(cuò)誤情況發(fā)生，因此這證明了多個(gè)系統(tǒng)是能夠同時(shí)運(yùn)行的，兼容性問(wèn)題已經(jīng)被很好地解決，具有實(shí)用性[6]。

3.5 可靠性的測(cè)試

雖然PLC可以兼容任何系統(tǒng)，且效果良好，但在自動(dòng)化控制的質(zhì)量、效率方面，暫未得到證明，可否實(shí)現(xiàn)高效控制并不清楚，所以必須測(cè)試其可靠性。此次測(cè)試要對(duì)比DCS，共5 次，取5 次的平均值，PLC 調(diào)節(jié)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性誤差分別是0.132 s、0.322 s、0.000 5 s，同樣經(jīng)過(guò)5 次測(cè)試，并取5 次的平均值，DCS的調(diào)節(jié)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性誤差分別是0.222 s、0.494 s、0.001 4 s，從上述數(shù)據(jù)明顯能夠得知PLC 可靠性更加。

（1）響應(yīng)速度：在PLC、DCS不同模式下，對(duì)響應(yīng)速度實(shí)施測(cè)試，電流一致，均為690 V，一種25次，觀察響應(yīng)時(shí)間，從而得出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)速度。觀察兩種模式的響應(yīng)速度測(cè)試結(jié)果，PLC 控制模式響應(yīng)的時(shí)間處于0.31～0.36 s 的范圍之內(nèi)，DCS 控制模式響應(yīng)的時(shí)間處于0.46～0.52 s 的范圍之內(nèi)，從繼電器不同的響應(yīng)時(shí)間分析，PLC控制模式優(yōu)勢(shì)更明顯，能夠更快響應(yīng)。

（2）調(diào)節(jié)速度測(cè)試：分析兩種模式的響應(yīng)速度，并比較其調(diào)節(jié)速度。在初始值相同的環(huán)境之下，每次的采樣周期間隔時(shí)間是0.2 s，調(diào)節(jié)繼電器，分別選取兩種方式，然后獲取對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)速度。觀察結(jié)果數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)處于PLC 模式時(shí)，最大調(diào)節(jié)時(shí)間小于0.15 s，而DCS 最小調(diào)節(jié)時(shí)間大于0.21 s，對(duì)比結(jié)果，差異非常明顯，PLC模式的調(diào)節(jié)更快速，對(duì)于故障處理能夠很短的時(shí)間內(nèi)完成。

（3）穩(wěn)態(tài)誤差：開(kāi)展測(cè)試時(shí)，只需設(shè)備性能相關(guān)的指標(biāo)被兼顧到就可以，要盡量讓某個(gè)限制值更小。如以初始值相同的情況之下，分別以DCS、PLC 進(jìn)行控制，然后對(duì)比結(jié)果數(shù)據(jù)，PLC穩(wěn)態(tài)誤差與0更接近，DCS卻有較高差值，說(shuō)明PLC誤差更小。因此，基于上述測(cè)試，繼電器以PLC模式進(jìn)行控制，在響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)速度方面，PLC的優(yōu)勢(shì)都非常明顯，而且PLC穩(wěn)態(tài)誤差小于0.001，因此PLC優(yōu)勢(shì)非常明顯。

（4）精度：要對(duì)不同模式的控制精度開(kāi)展分析，同樣以測(cè)試的方式，首先劃分繼電器信號(hào)，將其分成1 000個(gè)數(shù)據(jù)段，并對(duì)相應(yīng)特征量、非零點(diǎn)特征值等數(shù)據(jù)進(jìn)行明確，當(dāng)電氣設(shè)備有故障發(fā)生后，通過(guò)兩種模式診斷故障，尋找故障原因，而經(jīng)過(guò)對(duì)比之后，發(fā)現(xiàn)PLC 模式精度更高[7]。

4 電氣設(shè)備自動(dòng)化控制中應(yīng)用PLC 技術(shù)的注意事項(xiàng)

PLC控制系統(tǒng)在進(jìn)行電氣設(shè)備自動(dòng)化中的裝配與維護(hù)時(shí)，要按照PLC特點(diǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。相比繼電器系統(tǒng)，PLC與其存在著本質(zhì)的區(qū)別。硬件與軟件設(shè)計(jì)能夠分開(kāi)進(jìn)行屬于PLC特點(diǎn)之一，因此設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，要遵循以下相關(guān)設(shè)計(jì)原則：生產(chǎn)機(jī)械、設(shè)備、生產(chǎn)工藝的動(dòng)作均能實(shí)現(xiàn)；生產(chǎn)機(jī)械與設(shè)備加工產(chǎn)品的質(zhì)量與效率要能得到滿足；系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全、可靠地運(yùn)行；其結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)化，減少成本；自動(dòng)化要充分提升，讓勞動(dòng)強(qiáng)度降低；維修要更方便。PLC 系統(tǒng)可用于環(huán)境很差的工業(yè)制造中，因此工作過(guò)程要確保安全、可靠。由于被控對(duì)象工藝流程與加工產(chǎn)品的類型常常有變化，因此要及時(shí)對(duì)電路結(jié)構(gòu)開(kāi)展有效控制，并對(duì)參數(shù)實(shí)時(shí)修改。對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在I/O 點(diǎn)數(shù)方面，其需求是較大的，且控制復(fù)雜，而接觸器在應(yīng)用時(shí)，要用到許多時(shí)間與中間的繼電器。在和其他設(shè)備聯(lián)網(wǎng)或者通信時(shí)，基本設(shè)計(jì)步驟如下。一是分析工藝控制要求、過(guò)程特點(diǎn)：對(duì)被控對(duì)象以及控制要求、過(guò)程詳細(xì)進(jìn)行分析，列出所有需求再合理選擇；二是輸入輸出設(shè)備：按鈕、行程開(kāi)關(guān)、選擇開(kāi)關(guān)、傳感器為輸入設(shè)備，接觸器、電磁閥及指示燈為輸出設(shè)備；三是選擇最適宜的PLC：在輸入與輸出點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上增加10%～20%，即為本次估算的數(shù)據(jù)參考，以數(shù)字量I/O 點(diǎn)數(shù)10～15 倍加上模擬點(diǎn)數(shù)的100 倍為內(nèi)存總字?jǐn)?shù)，同時(shí)在此數(shù)值的基礎(chǔ)上增加25%作為余量，選擇PLC時(shí)還要考慮到功能性的問(wèn)題；四是電源模塊：輸出的額定電流須比I/O、CPU、專用等模塊的電流消耗總和大[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，DCS控制是傳統(tǒng)自動(dòng)化控制的模式，其兼容性是比較差的，而伴隨科技的發(fā)展與進(jìn)步，借助模糊PID 算法，PLC 技術(shù)能讓繼電器設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，且控制效果很好。通過(guò)本文后續(xù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析DCS 與PLC 不同模式下的繼電器自動(dòng)化控制情況，發(fā)現(xiàn)PLC兼容性更強(qiáng)，多系統(tǒng)運(yùn)行都正常，同時(shí)調(diào)節(jié)與響應(yīng)的速度更快，還有高精度、低穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點(diǎn)，這正是現(xiàn)代電氣工業(yè)所追求的目標(biāo)。由于本文的測(cè)試與數(shù)據(jù)對(duì)比模式比較理想化，因此在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)發(fā)生誤差情況，所以后續(xù)會(huì)加強(qiáng)測(cè)試模式的優(yōu)化工作，提升測(cè)試真實(shí)性，這是本研究的不足。