PLC在繼電器自動化控制中的應用

曹亞紅

（呂梁職業技術學院，山西 呂梁 032300）

電氣設備對于電力系統的穩定運行起到關鍵性的作用，作為電力系統的運輸載體，提升電氣設備的運行效率和穩定性，才能實現電力的持續供給。常見的電力設備包括變壓器、繼電器、發電機、電力線路等，這些設備的運行情況是否良好，決定著電力系統是否高效穩定[1]。我國在20世紀80年代逐步引入DCS，實現對繼電器的自動化控制。20世紀90年代，隨著電力行業的快速發展，DCS開始廣泛應用到輸配電力設備控制領域。隨著科技的進步，PLC技術被逐漸應用在電氣設備領域，并開始動搖DCS的地位。PLC是一種可以編輯的控制器，有著微小、靈活的特點，是系統的大腦和核心[2]。PLC技術實現了計算機技術、控制技術以及互聯網技術的融合，實現了電氣設備的智能化控制。通過對比PLC和DCS發現，PLC技術的兼容性更好，可以保證繼電器控制的穩定性，逐步成為電氣設備的主流控制技術。

1 PLC技術概述

PLC又稱可編程邏輯控制器，屬于一種具備編程功能的存儲器，可以在其內部進行程序的存儲，按照一定的邏輯運算，實現各種指令。例如，通過數字輸入/輸出的方式，進行設備的控制。PLC類似于一個小型的計算機，有著類似的硬件結構，由CPU、顯示面板、I/O板、內存和電源等構件組成。

PLC的優勢十分明顯。首先，方便快捷。通過簡單的編程，即可實現對設備的控制。PLC有著簡明的編程語言，可在線進行程序的編輯和修改，不用更換硬件。其次，功能全面，性價比高。PLC麻雀雖小，但功能非常全面，內部有很多的編程元件，可以實現復雜化的指令控制，借助互聯網，還可以實現集中管理、分散控制。最后，安裝調試簡單且有著不錯的兼容性。PLC的程序控制功能可以代替很多的部件，例如計數器、時間繼電器等，大幅度減少安裝的工作量[3]。PLC的兼容性可以更好地應用到很多控制領域。

2 PLC技術在繼電器自動化控制中的應用

2.1 系統順序控制

PLC技術通過連接繼電器控制元素實現對繼電器的自動化控制，PLC構成圖如圖1所示。借助PLC，將繼電器控制端連接，通過對PLC的編程，輸入控制指令，從而實現對繼電器的自動化控制。

圖1 PLC構成圖

2.2 開關量控制

為了提升繼電器的控制效率，降低控制失敗的概率，需要優化繼電器的控制操作，提升自動化控制的質量，可以通過PLC技術實現對開關量的控制，例如，PLC開關值控制技術。借助PLC開關值控制技術，可以實現集中控制，提升控制系統的效率。

2.3 閉環系統控制

以往關于自動控制，主要采取泵馬達的控制方式。實際操作過程中，需要借助泵的操作，進行控制狀態和模式的選擇[4]。PLC技術可以在閉環系統中進行控制，一方面保證系統控制的安全性，另一方面也提升了系統控制的可靠性。

3 繼電器應用PLC技術分析

為了更好地驗證PLC技術在繼電器控制中的應用效果，將LRD熱繼電器作為研究的對象，分析PLC的系統控制，并通過對比的方式，對比DCSLRD熱繼電器自動化控制效果。測試過程采取MATLAB/SIMULINK的仿真分析方式。

3.1 LRD熱繼電器

實驗過程中，選擇一款市場在售的LRD熱繼電器，如選擇繼電器額定電壓為690 V，額定絕緣電壓為1 000 V，脫扣等級10A，用螺釘夾連接端子，設置開始、停止、復位按鈕，“TH”防護處理，保證其可以應用到濕熱環境，正常工作環境溫度為-20 ℃~55℃，補償環境溫度為-20 ℃~70 ℃。

3.2 PLC選型

由于PLC存在很多的類型，選擇合適的類型非常重要，考慮到兼容性的要求，合適的PLC才能具備良好的兼容性，才能保證繼電器設備的控制效率和質量[5]。關于PLC選型工作，需要關注的內容包括：按照繼電器設備控制的要求，進行PLC型號和廠家的選擇；PLC的I/O點數量需要等于或者大于控制設備所需的數量；結合用戶程序、系統程序、邏輯變量等信息大小，保證PLC存儲器大于這些信息大小；結合設備連接的要求，選擇合適的輸入輸出模塊；根據設備的不同類型，考慮控制系統的兼容性；根據資金預算情況，從經濟角度出發，選擇合適的PLC。按照上面提到的繼電器型號，選擇MX-100PLC，尺寸為128 mm×107 mm×40 mm，額定電壓DC18 V~36 V，功耗5 V/0.55 A，絕緣阻抗5 MΩ以上（DC500 V），所有外部端子與地之間抗干擾性，峰值為2 000 Vp-p，頻率為5 kHz，數字量輸入點數為12，數字量輸出點數為12，模擬量輸入點數為4，模擬量輸出點數為2。

3.3 仿真控制模型

基于PLC技術，針對繼電器自動化控制，采取模糊PID控制的方式，仿真控制模型如圖2所示。

圖2 仿真控制模型

3.4 PLC兼容性分析

傳統電氣自動化控制，主要采取DCS的控制方式，但是這種控制方式由于兼容性問題，無法實現不同系統的兼容，因此，增加了電氣設備的控制難度[6]。使用PLC對繼電器進行自動化控制，由于PLC的兼容性好，可以取得更好的控制效果。針對PLC系統做兼容性測試，通過兼容性測試，發現其在具備常規裝機必備軟件Windows 2000 、Windows XP、WIN7、WIN10、服務端、數據庫服務器時都能正常運行，而且瀏覽器INetscape、Firefox、Maxthon也能正常運行。由此可以得出，即便是在不同系統之中，PLC也有著不錯的兼容性，沒有出現傳統DCS控制無法兼容的狀況，可以表明PLC系統應用的可能性。

3.5 可靠性測試

不管是什么系統，PLC均有著不錯的系統兼容性，但是應用PLC是否可以保證自動化控制的效率和質量，能否實現高效控制，需要對其采取可靠性測試。將其與DCS對比，經過5次測試，取平均值，其中PLC的響應時間、調節時間以及穩定性誤差分別為0.322 s、0.132 s、0.000 5。而DCS也經過5次測試，取平均值，其響應時間、調節時間以及穩定性誤差分別為0.494 s、0.222 s、0.001 4，由此可以看出PLC可靠性要更好。

1）響應速度測試。通過對比測試的方式，分別測試DCS控制和PLC控制下繼電器的響應速度，同樣的電流環境下，選擇690 V直流電壓分別進行25組測試，對比不同控制模式下繼電器的響應時間，以此確定不同控制模式下的控制響應速度[7]。通過響應速度測試對比得出，DCS控制模式下和PLC控制模式下，繼電器有著不同的控制響應時間。對比兩種數據，不難看出，DCS控制模式下，繼電器響應時間保持在0.46 s~0.52 s；PLC控制模式下，響應時間保持在0.31 s~0.36 s。從響應時間來看，PLC控制模式更加具有優勢，響應速度更快。

2）調節速度測試。對比控制響應速度之后，對比兩種模式下的調節速度[8]。相同的初始值之下，每0.2 s作為一個采樣周期，通過不同的控制方式，對繼電器進行調節，從而獲得調節速度數據。通過調節速度測試對比可以得出不同模式下的不同調節速度。采取PLC控制模式，調節時間最高不超過0.15 s，采取DCS控制模式，調節時間最低值為0.21 s，可以看出兩者的差距。對比調節時間數據，可以得到，PLC控制模式調節速度更快，可以在短時間內完成故障處理。

3）穩態誤差測試。穩態誤差無需考慮時間對數據誤差的影響，保證兼顧設備各項性能指標的前提之下，盡可能地縮小某個限制值[9]。例如，選擇相同的初始值，分別采取DCS控制和PLC控制，分析兩者的穩態誤差，經過測試，對比兩者的誤差數據，可以發現PLC控制模式下，穩態誤差更加接近0，DCS控制模式下則有更高的誤差。說明PLC控制模式的誤差更小。綜上所述，在PLC控制繼電器模式下，無論是響應速度還是調節速度，均有著明顯的優勢，且該模式下，穩態誤差比較小，低于0.001，說明該模式的穩定性和可靠性較高。

4）精度測試。完成對可靠性的分析之后，需要進一步對比分析兩種模式下的控制精度，需要通過測試的方式，證明PLC控制模式相較于DCS控制模式，有著更高的控制精度[10]。通過測試的方式，首先，對繼電器進行信號的劃分，可以將其分為1 000個數據段，明確非零點特征值、相應特征量等數據指標，如果電氣設備出現故障，使用兩種控制模式，對故障進行診斷。通過對比，可以看出PLC控制模式有著更高的精度。

4 結束語

綜上所述，傳統的電氣自動化控制模式為DCS控制，存在著兼容性差的問題。隨著科技的發展進步，PLC技術通過模糊PID算法的方式，能實現對繼電器設備的自動化控制，有著不錯的控制效果。筆者通過測試對比的方式，分別對比PLC控制模式和DCS控制模式下，繼電器自動化控制的實際情況。PLC有著很好的兼容性，可以兼容不同的系統，響應速度快、調節速度快、穩態誤差接近0且精度超高。文中的數據對比和測試，建立在理想模式之上，遇到復雜的實際情況，可能存在一些差異。因此，需要對測試模式加以優化，保證測試效果的真實性。