電廠輔助車間程控系統PLC選型和設計的初探

周 釗 江蘇省電力設計院

隨著電力工業的迅速發展和熱工自動化水平的提高，可編程控制器（以下簡稱PLC）已在國內許多大中型火電廠中廣泛采用，這對保證電廠安全、經濟起到了十分重要的作用，并取得了良好的效果。 PLC合理的選型和設計，是PLC 系統應用中非常重要問題。

1 PLC系統選型

電廠輔助車間程控的特點和應用要求是設計選型的主要依據。PLC及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型。所選用PLC應是在相關工業領域有投運業績、成熟可靠的系統。常用的PLC主要有SCHNEIDER公司的QUNTUM系列、ROCKWELL公司的CONTROLLIGIX5000系列、GE公司的90-70系列及SIEMENS公司的S7-400、300系列等。

1.1 輸入輸出（I/O）點數的估算

I/O點數估算時要考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，模塊增加15%的可擴展余量后，PLC安裝機架預留10%的余量。

1.2 存儲器容量的估算

大體上都是按數字量I/O點數的10倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的30%考慮余量。程序容量一般不超過存儲器容量的80%。

1.3 控制功能的選擇

主要包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能，及診斷功能等的選擇。

（1）運算功能

PLC的運算功能包括邏輯運算、計時和計數功能和數據移位、比較等運算功能，較復雜運算功能有函數運算、數據傳送等，還有模擬量的PID閉環控制和其他高級運算功能。

（2）控制功能

控制功能主要有PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，根據控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸人輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數器單元等。

（3）通信和聯網功能

通信聯網的增強是現代PLC技術進步的趨勢，通信和聯網分為兩種：一種是PLC之間的聯網通信，各PLC廠家都有專門的聯網通信協議，另一種是PLC與工控機之間的聯網通信，PLC有專用的通信模塊與工控機連接。

（4）編程功能

PLC的編程有5種標準化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（IEC61131-3 ）。

（5）診斷功能

PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的信號燈判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷。

（6）處理速度

PLC采用掃描方式工作，從實時性要求來看，處理速度應越快越好。處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度等有關。目前，PLC接點的響應快、速度高，每條二進制指令執行時間約0.2～0.4 /μs，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。

1.4 機型的選擇

（1）PLC的類型

PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環境分為現場安裝和控制室安裝兩類;按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發，通常可按控制功能或輸人輸出點數選型。

（2）輸入輸出模塊的選擇

輸人輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。

（3）電源的選擇

PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據產品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源設計選用220 VAC不間斷電源。

（4）冗余功能的選擇

1） CPU模塊、通信模塊及電源模塊均應1：1冗余。

2）在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統、2重化或3重化冗余系統等。

2 PLC設計時需要注意的問題

2.1 工作環境

（1）溫度 一般PLC要求環境溫度在0～55oC，安裝時應避開大的熱源，不能放在發熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大。

（2）濕度 為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于95%（無凝露）。

（3）震動 應使PLC遠離強烈的震動源，防止振動頻率為10～55 Hz的頻繁或連續振動。當附近有震動源時，應對PLC的安裝采取減震措施。

（4）空氣 避免有腐蝕和易燃的氣體，對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或IP65的控制柜中。

（5）電源 PLC對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴重的環境中，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，將屏蔽層接地，以減少設備與地之間的干擾。

2.2 控制系統中干擾及其來源

（1）電網干擾

PLC系統的正常供電電源均由電網供電。總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾，二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。

（2）變頻器干擾

變頻器啟動及運行過程中產生諧波對電網產生傳導干擾，引起電網電壓畸變，影響電網的供電質量；變頻器的輸出會產生較強的電磁輻射干擾。

2.3 主要抗干擾措施

（1）對于電源引入的電網干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。

（2）安裝與布線

1） 動力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應分開布線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙絞線連接。將PLC的IO線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內，分開捆扎交流線、直流線，若條件允許，分槽走線最好，這不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到最低限度。

2）PLC應遠離強干擾源如大功率硅整流裝置和大型動力設備，不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內。與PLC裝在同一個柜子內的電感性負載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應并聯RC消弧電路。

3） PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端接地。

4）交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。

（3）正確選擇接地點 完善接地系統

PLC控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統混亂對PLC系統的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環路電流，影響系統正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層。

1）安全地電源接地

將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。如電源漏電或柜體帶電，可從安全接地導入地下，不會對人造成傷害。

2）系統接地

PLC控制器為了與所控的各個設備同電位而接地，叫系統接地。接地電阻值不應大于10Ω，一般需將PLC設備系統地和控制柜內開關電源負端接在一起，作為控制系統地。

3）信號與屏蔽接地

一般要求信號線必須要有唯一的參考地，屏蔽電纜遇到有可能產生傳導干擾的場合，也要在就地或者控制室唯一接地（即單端接地）。信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；不接地時，應在PLC側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經絕緣處理，選擇適當的接地處單點接點。

（4）對變頻器干擾的抑制

1）加1：1隔離變壓器，主要是針對來自電源的傳導干擾，可以將絕大部分的傳導干擾阻隔在隔離變壓器之前。

2）使用濾波器，濾波器具有較強的抗干擾能力，還具有防止將設備本身的干擾傳導給電源。使用輸出電抗器，在變頻器到電動機之間增加交流電抗器主要是減少變頻器輸出在能量傳輸過程中線路產生電磁輻射，影響其它設備正常工作。

3 結語

PLC是一種用于工業生產自動化控制的設備，按工程需要合理的選型，可以達到較高的性價比，盡管可靠性較高，抗干擾能力較強，但當電廠環境過于惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，就可能造成程序錯誤或運算錯誤，從而產生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設備的失控和誤動作，從而不能保證PLC的正常運行，要提高PLC控制系統可靠性，一方面要求PLC生產廠家在原有基礎上繼續提高設備的抗干擾能力；另一方面，要求設計、安裝和使用維護中引起高度重視，才能保證所實施的工程順利完成。