電廠PLC控制系統分析與設計

李兆嶺

摘 要：在電廠中存在著大量的開關量和模擬量信號，如電磁閥、氣閥的開閉，電動機的啟動停止，設備的電流、電壓，氣體的壓力，液體的液位和流量等。應用可編程控制器（PLC）可以方便的對這些信號進行控制和檢測，PLC已經成為電廠自動控制系統中非常方便可靠的控制手段之一。文章討論了電廠中PLC設計中常見的問題，并對PLC在電廠中的實際應用進行了簡單的介紹。

關鍵詞：PLC；干擾處理；自動輸煤

中圖分類號：TM621.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）18-0013-02

1 PLC的選擇

當今市場中PLC品牌眾多，國內外知名品牌如臺達、西門子、歐姆龍、GE、LG等。不同型號的PLC往往應用于不同的場合之中。其選擇原則往往從以下幾方面考慮。

1.1 系統的結構和規模

對于控制點數較少且控制邏輯比較簡單的系統，一般選用簡易PLC單機加直接擴展模塊即可完成。但是對于點數比較多，控制對象比較分散且距離相對較遠的系統，就需要外加遠程通訊進行擴展模塊。在系統設計過程中特別要詳細計算系統中輸入、輸出點的類型和數量，從而合理選擇數字量和模擬量輸入輸出模塊的數量。需要注意的是，PLC控制系統要預留一定數量的備用點，用來應對調試過程中可能增加的新功能和新設備。

1.2 負載的類型

對于PLC的負載信號大致分為開關量和模擬量兩種，分別對應使用開關量和模擬量模塊。而開關量模塊又分為繼電器輸入輸出和晶閘管輸入輸出兩種輸出形式。當某些負載必須采用晶閘管輸入輸出時，如某些數顯儀表，我們必須選用晶閘管類型的模塊；當繼電器類型和晶閘管類型的模塊均可滿足要求時，從經濟性考慮，我們優先選擇繼電器類型模塊。而對應模擬量負載，對于需要采集的數據可能是系統電壓、流量、溫度以及位置等，其輸入輸出信號類型可能是電壓、電流、格雷碼或者ASCⅡ碼等，這時我們需要根據負載信號類型和數量，對應選擇適合的模擬量模塊。

1.3 PLC的處理器速率和存儲器容量

比較簡單的系統，往往控制程序比較簡單，對PLC的運算速率和存儲器大小要求比較低，從而可以選擇對應的低性能簡易PLC產品；對于系統規模比較龐大，控制比較復雜，要求響應速度快的系統，往往PLC程序的容量比較大，配置比較復雜，因而對所選用的PLC產品的內存和處理器能力要求比較高，就需要選擇對應的運算速率快，存儲空間大的高性能PLC產品。同時，在型號選擇時，應盡量避免資源的浪費，在滿足控制要求的前提下，應當避免選擇性能太高的PLC。

1.4 PLC品牌的選擇

①應該對應系統硬件選擇組網最方便和系統各部分硬件兼容性最優的PLC產品。

②根據應用場合的環境和重要性，對于環境比較惡劣和比較重要的場合，由于國際主流品牌的PLC產品可靠性比較高，應盡量選擇大品牌PLC。

③而對于一些環境較好，應用要求較低的場合，由于國產品牌質量也在不斷提升，從經濟性和支持民族產業的角度，應適當選用部分國產PLC產品。

2 PLC的抗干擾處理

電廠中往往存在大量大功率高頻干擾源，其對PLC系統往往有著很大的影響，很容易造成PLC系統的誤動作，甚至造成PLC的損壞。為了增強系統的可靠性，我們必須對PLC系統進行抗干擾處理。

2.1 電源的處理

電源中的諧波和感應電是PLC干擾的重要干擾源。對于諧波干擾我們可以采用在PLC電源端加裝電子濾波器或者隔離變壓器的方式來對其進行消除，而當電源中存在感應電時，則應選用帶屏蔽層電源線，并且電纜屏蔽層應可靠接地。

2.2 輸入輸出回路的處理

對于信號電纜距離較長或者與強電有連接時，數字量輸入輸出端口應加裝中間繼電器，進行信號隔離。

對于模擬量信號，信號線應選用屏蔽雙絞線，屏蔽層應可靠接地。

對于干擾較大的場合，信號線應外套金屬管，金屬管應采取多點接地保護。

同時還可以在信號端口處加裝信號隔離器，對PLC系統進行隔離保護。另外，從所選取的信號類型上，對于信號傳輸較遠的場合，PLC信號應選擇4～20 mA電流信號，而不應該選擇容易受到影響的電壓信號。

2.3 系統的安裝和線路的布置

PLC模塊的安裝應遠離高頻大功率器件，對于無法回避強干擾源的場合，應對PLC進行屏蔽隔離保護措施。PLC的控制線和通訊線應單獨布置，并且遠離動力線等大功率干擾源，避免與動力線近距離平行排布，以免對信號造成干擾。

2.4 系統接地

PLC控制系統接地應與外部系統接地網分開，形成單獨接地，避免外部干擾從接地系統引入。對于PLC系統接地其接地電阻應小于4 ？贅，PLC系統各個模塊接地端子應與地可靠連接。

3 PLC在電廠中的應用

3.1 PLC在在供配電網絡中的應用

作為一種新型的微機控制器，PLC可以用內部軟件式的繼電器代替傳統的硬件繼電器，同時應用編程的形式，用內部邏輯運算代替傳統硬件邏輯組合。因此，PLC在繼電保護中的引入，一方面，它避免了由于傳統繼電器本身觸電以及線圈算壞或者失效，造成的系統誤動作或者不動作；另一方面，PLC兼容傳統接觸器繼電器的控制思想和設計方案，特別對于邏輯關系非常復雜的情況，應用PLC進行編程控制，可以使系統設計和施工變得十分簡便。下面我們介紹PLC控制系統在低頻減載和自動投入備用電源中的應用。

功能框由多功能繼電器構成，其與微處理器保護的典型圖基本相同，它們之間的差別是，該設備把常用的微處理器繼電器邏輯電路劃分為PLC和保護繼電器組兩部分。依據不盡相同的保護對象（線路保護、電容保護、變壓器差動保護等）。由保護功能不同的繼電器組構成，把設備劃分為幾個常用的型號，其中每個單獨功能的器件都符合正邏輯原則，在PLC里設定動作節點。

例如，當某個欠電壓機構動作時，就有一個對應的PLC開關量輸入點接通，而當某個過電壓機構動作時，也會有另外一個PLC的開關量輸入點接通。

當用PLC編寫低頻減載程序時，梯形圖把常規繼電器的返回系數和響應時間理想化了。其主要原因是PLC的微處理器功能，程序在PLC中是不斷循環掃描的。其掃描周期由整個程序的邏輯構成決定，往往整個程序的掃描周期以微秒為單位計算，因此掃描時間可以直接忽略。

因此把繼電器放在梯形圖對應的線圈后，繼電器的響應時間可以近似為零。這樣就使低頻減載功能和備用電源的投入和切除可以簡單快速的完成。繼電保護裝置內置PLC在電廠從設計到安裝調試可以看出，PLC強大的靈活編程能力可以方便及時地解決調試過程中遇到的問題。

3.2 PLC在電廠自動輸煤控制系統中的應用

電廠的輸煤系統一般由卸煤、上煤和配煤三個工藝流程組成。整個系統依靠上級工控機完成輸送帶帶中心度檢測和設備運行情況監測等功能，應用PLC完成現場設備的自動控制。整個輸煤自動控制系統由本地控制結構、現場PLC控制站和輸煤控制中心三部分組成。

由于輸煤系統中的各種設備在功能上相互關聯，設備安裝的物理位置比較分散，自動輸煤系統需要在PLC主站基礎上增加若干個遠程控制分站。整個系統利用PLC遠程站對輸煤現場的運行狀況進行監測，并且把現場設備的運行數據連接到對應的PLC主站，再通過工業以太網或者PROFIBUS-DP網絡把數據傳輸到輸煤遠程控制中心。

最終通過控制中心工業計算機對系統數據進行分析處理，完成輸煤系統中心站對系統所有設備的監視和控制。在該系統中，PLC和工業計算機是以下位機和上位機的關系進行數據通信的，輸煤控制中心完成了設備傳送帶跑偏信號和設備運行狀態的實時監控，并且可以把整個系統的運行狀態顯示在工業計算機顯示屏上，從而可以直觀的觀察到輸煤設備的運行情況。而現場PLC的動作由自動開關的輸入信號控制，從而使相應的程序工作得以完成，并將設備的實時工作信息傳輸給上位機；同時，PLC也可以接受上位機發出的控制信號和操作命令，如故障停機和系統報警等功能。根據以上功能得出，只有實現上位機和PLC之間的良好配合，才能實現整個電廠電廠輸煤的自動控制功能。

PLC的連鎖控制和本地手動功能：

①PLC的連鎖控制。自動輸煤系統中的每個設備的運行和停止都是按照相應的工藝流程進行的，彼此間相互間互相影響互相制約，存在一些連鎖條件。例如輸煤設備的運行和停止，當啟動延時時間設置為10 s時，停車延時時間的設定應當根據設備的實際運行狀況進行，可能設5 s或15 s。如果設備運行過程中發生了故障，系統應故障報警，并且應同時自動停車，然后上料設備和后續設備都應按照要求順序聯鎖停止運行。

②遠程手動控制。遠程手動控制是電廠自動化控制的重要補充，當控制按鈕安裝的位置比較遠時，就需要在現場對應設置一個遠程控制開關，來控制輸煤設備，而當開關本來距離較近時，就必須本地手動控制。此時，程序中應該有對應的連鎖切換控制，以及必要的安全保護。

4 結 語

PLC的編程技巧簡單易學，而控制思路本身和常規繼電器保護相當吻合，并且自由度高，方便技術人員自由發揮，使配置PLC的繼電保護裝置更加簡單易操作，型號選擇和使用更加方便。隨著PLC制造成本的不斷降低，PLC的應用逐漸大眾化，更多的工廠企業把PLC應用于生產線中，而PLC在各個電廠各生產環節中的應用也越來越廣泛。隨著我國經濟水平的不斷提高和自動化控制程度的迅速提升，PLC的應用將持續保持快速增長的趨勢。

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