基于PLC的電力系統自動化設計探析

南陽飛龍電力集團有限公司 高艷榮

1 引言

設計電力系統自動化裝置時，始終堅持科學化、規范化等基本原則，提高對自動化設計工作的重視程度。及時明確PLC 在電力系統自動化設計過程的重要意義，了解基于PLC 的電力系統自動化硬件設計及軟件設計內容，全面掌握電力系統自動化設計要點，從而增強PLC 在自動化設計過程的運用效果，實現提高自動化操控水平及綜合能力的雙重目標。

2 基于PLC 的電力系統自動化設計的現實意義

2.1 有效增大電力系統自動化設備的存儲量

PLC 作為計算機技術中的一項主要技術，在其編制過程中具有獨立存儲器，具有很強的存儲功能。電力系統自動化設計中通過運用PLC，不但能夠實現對系統數據信息的實時存儲，而且能夠依據用戶個性化需求對相應信息進行快速、高效地記錄和存儲，可以為設備故障提供完整、有效的數據參考，為電力系統自動化設備檢修工作提供參考數值，增大了電力系統自動化設備的存儲量[1]。

2.2 促使電力系統向智能化方向發展

傳統的電力系統設備運行過程中，因為未引入PLC 這一技術，工作效率低、設備發生故障的概率高、智能化水平不高，現如今，將PLC 運用于電力系統設備運行中，切實做到了自動化操控，使得PLC 在行業領域內得到廣泛運用。以PLC 技術為核心，堅持科學化監管，充分利用PLC 技術對系統、設備產生的數據進行實時記錄、實時分析及整合，確保了故障問題處理的及時性，更好地保證了系統數據傳輸的準確性。

3 基于PLC 的電力系統自動化設計重點

3.1 基于PLC 的電力系統硬件設計

設計電力自動化硬件系統時，需對自動化控制系統應用的功能需求進行分析，秉承科學化、實用性等基本原則，強化自動化系統的硬件結構設計。將供電區域以模塊形式劃分為多個供電單元，以PLC 為核心[2]。運用傳感器采集電力信號，便于對電力輸入系統信息進行實時監測及控制，設計人員將上位機與PLC 一起接入供電網內部，進行有效的地址配對，這種設計可以為電力系統工作人員提供參考數據。借助虛擬網絡對各個電力設施設備進行遠程控制，同時可以對相應供電體系進行整體操控。遠程移動通訊設施與電力設備一起接入自動化控制裝置上，依托自動化裝置進行無線訪問操作，通過通信服務功能對電力系統進行實時預警和維護。

輸入電路設計：供電電源為AC85-240V，為提高輸入電路的抗干擾功能，及時加設隔離變壓器、電源濾波器等凈化元件，將線圈屏蔽層接入PLC 輸入電路接大地，采取雙層隔離措施提高其抗干擾性能。

輸出電路設計：嚴格按照標準化流程操作，采用晶體管輸出方式啟動和停止各種變頻器、數字直流調速器、指示燈[3]。以高頻動作確保系統響應時間較短，以簡單化的輸出電路，增強整個自動化系統的負載能力。當直流感性負載時應及時接入續流二極管；交流感性負載時并接浪涌吸收電路，保護PLC 控制系統的安全性、可靠性。基于PLC 的電力系統自動化輸入電路設計過程如圖1所示。

圖1 基于PLC 的電力系統自動化輸入電路設計過程

3.2 基于PLC 的中央處理器設計

設計中央處理器之前先考慮其功能：接收與存儲用戶由編程器送入的程序及數據信息；檢查編程環節語法方面的錯誤，診斷PLC 運行中的故障；以掃描形式工作，同時接收來自現場的輸入信號，并將其快速輸入至數據存儲器；執行用戶程序，完成用戶程序規定的運算、數據處理等相應操作；依據運算結果刷新輸出映像系統內容，由輸出部件實現打印制表、數據通信等多項功能。

設計中央處理器時，第一步：考慮PLC 系統選型，以自動化技術運用需求為主要考慮，在軟件實際設計要求基礎上，及時明確中央處理器的性價比，出于運行可靠性考慮，選用S7-300的中央處理器，內置80kRAM 和20kBEEPROM，數據處理中通過加入1024個處理點數模擬128個I/O 通道；第二步：將該處理器與以太網絡連接起來，形成自動化切換雙加工模式，運用中央處理器進行編程操作，可以達到4倍頻處理效果[4]。

3.3 基于PLC 的電力系統自動化軟件設計

3.3.1 基于PLC 的自動化采集模塊設計

自動化采集模塊設計中，運用AD603芯片，同時借助PLC 系統設計自動化采集模塊的編程及加工。電力設備采集信息時，先全面分析電力設備有關信息的狀態，以此確定運行狀態下的配置節點，依據信息采集情況確定故障區域，然后記錄故障信息，設備待機狀態下，運用PLC 改進模塊采集系統，完成初始化設計。

3.3.2 基于PLC 的自動化控制數據庫設計

設計人員依據自動化采集模塊提供的設備登錄名稱、設備類型、運行狀態、設備型號、故障信息、檢修信息、耗電量等數據，開展系統登錄信息整合活動，對這些數據進行綜合化處理，使其成為自動化系統的初始化信息，這樣設計可以縮短排查電力系統故障的時間，盡可能地降低電力設備自動化故障發生概率[5]。

4 基于PLC 的電力系統自動化設計細節

4.1 確定自動化系統的規模

設計人員依據生產工藝流程確定自動化系統規模大小，同時將其分為大、中、小這三種規模，大規模自動化系統：生產過程是大規模控制、自動化網絡控制、DCS 系統，選用具備智能控制、中斷控制、函數運算、數據庫、通訊聯網等功能的SIEMENS S7-400；中規模自動化系統：生產過程涉及邏輯控制和閉環控制這兩個方面，選用具有模擬量控制功能的SIEMENS S7-300；小規模自動化系統：生產過程是條件控制、順序控制，以開關量為主，選用SIEMENS S7-200。

4.2 確定自動化系統模擬量類型

PLC 處理模擬量的過程為：傳感器采樣-變送器和A/D 轉換器量化-PLC 處理-D/A 轉換器模化-輸出至執行器，PLC 控制模擬量系統特點表現為：以增加A/D 轉換位數的方式提高控制精度；為避免信號失真，需及時調整采樣頻率；PLC 的采樣、量化、模化、輸出等過程都具有較高的準確性、快速性、穩定性；PLC 自動化系統具有抗干擾能力強的優勢。設計人員根據被控對象復雜程度，及時統計電力系統模擬量、數字量，估計內存容量，及時了解軟硬件資源的余量，根據PLC 輸出端所帶負載、動作頻率確定輸出方式，保證自動化系統穩定運行。

4.3 電力設備耗電量計算和程序誤差設計

計算耗電量是電力系統自動化設計過程的關鍵任務，對電力設備耗電量的計算關乎電力系統運行狀態。利用PLC 對電力設備耗電量進行自動化計算，由此獲得電量額定值，有效調整實際耗電量，實現對電力系統設備的自動化操控。系統程序誤差消除設計環節，以降低設備消耗值為主要目標，需要借助專業技術進行誤差處理，及時關注耗電量偏高問題，認真分析電力設備與自動化系統間的抗震效應，及時了解抗震電壓增加后引起的諧振補償誤差，將電力系統自動化運行中的誤差降至最小，切實發揮自動化控制誤差的功能。

4.4 確定PLC 的編程工具

PLC 的編程有手持編程器編程、圖形編程器編程、計算機軟件編程這三種方式，手持編程器編程常用于用量小、系統容量小的情況中，具有明顯的易于調試的優勢；圖形編程器編程采用梯形圖編程，這種編程器價格較高，常用于中檔PLC 及微型PLC；計算機軟件編程的特點為價格高、效率高、開發價格昂貴。

5 基于PLC 的電力系統自動化設計測試及控制方式

5.1 基于PLC 的電力系統自動化設計測試

對電力系統進行自動化設計后，為保證其最佳的使用效果，及時進行測試，做好相應系統的測試及硬件調試工作，首先：對芯片進行調試，嚴格按照規范化流程安裝芯片后進行電能測試，接口指示燈均亮起，這表明各個接口可以正常投入使用；然后：對芯片進行試運行，將電力設備信號及時傳送至自動化采集模塊中，保證硬件系統可以正常使用；接著：安裝中央處理器之后，及時處理中央處理器數據，額定電壓一定的前提下，分析自動化控制裝置是否具備4倍頻處理功能，這個標準作為中央處理器調試效果的判斷依據。登錄自動化系統輸入用戶名和密碼后直接跳至自動化操作界面，經過相關調試，軟件系統處于正常運作狀態，如輸入用戶名和密碼后退出界面，系統顯示重新進入，表明軟硬件系統調試異常。

5.2 基于PLC 的電力系統自動化控制方式

5.2.1 順序化控制

電力系統自動化控制中，順序化控制是最典型的一種方式，將PLC 應用于電力設備順序化控制過程中，有效降低設備損耗和能源損耗，確保電力系統自動化裝置可以安全運行。順序化控制在PLC 運作環節的作用不可小覷，將PLC 與順序化控制深度融合，使其具有較高的應用價值，盡可能地提高電力系統自動化運作水平。

5.2.2 分散性控制

分散性控制是電力系統自動化設計中需要考慮的一個重點方向，是由分散控制構成的PLC 控制裝置。為提高自動化設計效果，及時分析電力信號對自動化設計產生的影響，并積極掌握PLC 自動化設計要點，實現對電力設備的靈活性操控，提高其分散性控制能力。

5.2.3 閉環式控制

閉環式控制現階段在電力系統自動化改革中得到廣泛運用，泵類電機是閉環式控制的一種目標，常見的方式有機旁手啟動、現場控制啟動等，不同類型電機的控制方式呈現自動保護、針對性等特點，目前在電力系統自動化設計工作中具有重要作用。

6 基于PLC 的電力系統自動化設計的發展前景

6.1 精簡化

電力設備內部結構不斷簡化，其功能性隨之增強，零件數量減少，內部結構在優化，自動化裝置運行過程中產生的能源消耗成為設計人員關注的對象，確保軟硬件系統設計效果的前提下，盡可能簡化電力設備信號分析及處理過程。

6.2 創新化

創新是提高電力設備自動化水平的關鍵，互聯網背景下，設計人員及時借助網絡系統、互聯網技術開展PLC 設計及運行過程探討活動。以改進電力設備自動化運作為主要形式，積極運用PLC，強化創新設計在自動化裝置運行過程的實踐效果。

6.3 智能化

智能化是電力設備自動化創新中的一大突破，設計目標是，促進電力系統自動化裝置的智能化發展。網絡時代下，信息技術、互聯網技術飛速發展，這成為電力系統自動化設計中的主要技術支撐，利用PLC先進技術代替人工操作，大大降低設備故障頻率。

7 結語

PLC 為電力系統自動化運作明確了方向，為實現提高PLC 技術及自動化操控水平的雙目標，必須明確PLC 在電力系統自動化設計過程運用的重要意義，及時了解電力系統自動化硬件設計及軟件設計重點。強化自動化功能測試，全面掌握電力系統自動化控制方式：順序化控制、分散性控制、閉環式控制，以便深化PLC 在電力系統自動化設計中的運用。