電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化中PLC 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

馬 源，鞏冬梅，張祎瑋

（1.國(guó)網(wǎng)北京海淀供電公司，北京 100086；2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，北京 100000；3.國(guó)網(wǎng)北京海淀供電公司配電站，北京 100086）

1 PLC 技術(shù)的主要內(nèi)容及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 PLC 技術(shù)在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用模式

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 從字面上理解是邏輯控制器，就是將以前通過(guò)繼電器電路實(shí)現(xiàn)的設(shè)備功能，通過(guò)人為編寫完成設(shè)備的程序并下載到PLC 中，由PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能要求[1]。

具體落實(shí)到PLC 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用模式，其按照功能進(jìn)行區(qū)分，大致可以分為如下5 個(gè)方面。一是開關(guān)量控制：PLC 的開關(guān)量控制主要是針對(duì)液位、壓力等一些開關(guān)量的控制，可以通過(guò)梯形圖的方式進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制；二是位置控制：位置控制是PLC 自動(dòng)控制技術(shù)的重要組成部分，可以通過(guò)對(duì)位置的精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、液壓缸等設(shè)備的精準(zhǔn)控制；三是模擬量控制：模擬量控制主要是針對(duì)溫度、濕度等一些模擬量的控制，PLC 可以通過(guò)對(duì)模擬量的測(cè)量和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的精準(zhǔn)控制；四是集中控制：PLC 自動(dòng)控制技術(shù)也可以通過(guò)集中的方式進(jìn)行控制，將多個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行收集，并通過(guò)中央處理器進(jìn)行統(tǒng)一的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的全面控制；五是智能控制：PLC 自動(dòng)控制技術(shù)還可以通過(guò)智能化的方式進(jìn)行控制，例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能控制。

1.2 PLC 技術(shù)在電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)分析

PLC 自動(dòng)控制技術(shù)在電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化中的應(yīng)用，主要是通過(guò)將電氣工程自動(dòng)化系統(tǒng)與PLC 技術(shù)進(jìn)行融合，以提高電力系統(tǒng)的控制效率，優(yōu)化電力系統(tǒng)的工作性能[2]。具體包括如下4 個(gè)方面。一是提高數(shù)據(jù)處理效率：PLC 自動(dòng)控制技術(shù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以快速地處理電力系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)，如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理、分析等，從而為電力系統(tǒng)的決策提供科學(xué)依據(jù)；二是提高控制精度：PLC 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化的精準(zhǔn)控制，通過(guò)編寫特定的控制程序，PLC 可以根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)電力系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行精確控制，從而提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；三是提高生產(chǎn)效率：將PLC 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化中，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)。通過(guò)PLC 的邏輯控制功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的自動(dòng)化操作，減少了人工干預(yù)的必要性，從而提高了電力系統(tǒng)的生產(chǎn)效率；四是提高故障排除能力：PLC 自動(dòng)控制技術(shù)在電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化中的應(yīng)用，還可以提高電力系統(tǒng)的故障排除能力，從而為電力系統(tǒng)的維護(hù)和檢修提供了便利。

2 PLC 技術(shù)在電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化應(yīng)用中的總體設(shè)計(jì)

基于PLC 的電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，需要考慮明確設(shè)計(jì)需求、選擇確定PLC、編寫程序、連接設(shè)備和調(diào)試優(yōu)化等方面。在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求，選擇適合的技術(shù)和設(shè)備，并且注意各個(gè)方面的協(xié)調(diào)和配合。總體設(shè)計(jì)主要包括如下5 個(gè)方面。

2.1 明確設(shè)計(jì)需求

在基于PLC 的電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，首先需要明確設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)需求包括控制精度、數(shù)據(jù)處理效率、設(shè)備連接方式、故障排除能力等方面。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求，需要制定詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)劃，包括控制方式、程序編寫、設(shè)備選型、調(diào)試步驟等[3]。

2.2 選擇確定PLC

選擇確定適合的PLC 是電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求和PLC 的性能要求，選擇具有合適I/O 點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量的PLC。此外，還需要考慮PLC 的端口設(shè)置和通信協(xié)議，以便與電力系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。

2.3 編寫程序

為PLC 編寫程序是電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。需要根據(jù)控制需求和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的編程語(yǔ)言和算法。常用的PLC 編程語(yǔ)言有梯形圖（Ladder Diagram）、功能塊圖（Function Block Diagram）、結(jié)構(gòu)化文本（Structured Text）等[4]。在編寫程序的過(guò)程中，需要注意程序的可靠性和可維護(hù)性，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2.4 連接設(shè)備

將電力系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備與PLC 連接起來(lái)，并進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。連接方式有有線和無(wú)線兩種，其中，有線連接方式較為穩(wěn)定，但需要布線和配置；無(wú)線連接方式不需要布線，但需要選擇適合的無(wú)線模塊和協(xié)議，并進(jìn)行相關(guān)的配置和調(diào)試，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。

2.5 調(diào)試優(yōu)化

完成設(shè)備連接后，需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，檢查控制精度、穩(wěn)定性等方面是否符合設(shè)計(jì)要求。在調(diào)試過(guò)程中，需要檢查PLC 程序中的邏輯錯(cuò)誤問(wèn)題、設(shè)備連接問(wèn)題、通信問(wèn)題等方面的問(wèn)題。如果存在問(wèn)題，需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。此外，還需要定期進(jìn)行維護(hù)和改進(jìn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并進(jìn)行必要的功能擴(kuò)展或升級(jí)。

3 PLC 技術(shù)在電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化應(yīng)用中的重點(diǎn)功能技術(shù)實(shí)現(xiàn)

PLC 技術(shù)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化中的應(yīng)用與開發(fā)集中在PLC 的選擇確定、自動(dòng)化程序的編寫以及設(shè)備的鏈接方式3 個(gè)方面，具體的實(shí)現(xiàn)方式如下。

3.1 PLC 的選擇確定

PLC 的選擇首先要考慮控制需求，包括控制精度、速度、可靠性等方面的要求[5]。對(duì)于要求高速、高精度、高可靠性的場(chǎng)合，需要選擇高性能的PLC；對(duì)于控制點(diǎn)較少、要求較低的場(chǎng)合，可以選擇價(jià)格較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的PLC。在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，PLC 的主要參數(shù)及其選擇原則與方式見表1。

表1 電力系統(tǒng)應(yīng)用中PLC 的主要參數(shù)及其選擇原則與方式

3.2 自動(dòng)化程序的編寫

在確定了PLC 后，需要根據(jù)具體的功能需求對(duì)其進(jìn)行程序的編寫。在電力自動(dòng)化應(yīng)用中編寫PLC程序，需要按照一定的步驟進(jìn)行：首先，需要明確程序的設(shè)計(jì)要求，包括完整的注釋、精良的架構(gòu)、良好的可擴(kuò)展性、完備的報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)、運(yùn)行前的模擬系統(tǒng)等，以保證程序的穩(wěn)定性和可靠性；其次，需要繪制程序流程圖，包括主程序、停止程序、急停程序、復(fù)位程序等部分，確保程序流程圖正確，以便后續(xù)編程；最后，在確定程序流程圖無(wú)誤之后，便可以在編程軟件中編寫程序。

在編寫程序時(shí)，需要注意以下5 個(gè)方面。一是程序結(jié)構(gòu)：PLC 程序可以采用順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)等不同的程序結(jié)構(gòu)方式，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的程序結(jié)構(gòu)方式，以提高程序的執(zhí)行效率和可讀性；二是變量定義：在編寫程序之前，需要對(duì)所需的變量進(jìn)行定義，包括輸入變量、輸出變量、狀態(tài)變量等，變量的定義應(yīng)該清晰明了，方便后續(xù)編程和維護(hù)；三是指令選擇：PLC 編程支持多種指令，包括邏輯指令、算術(shù)指令、比較指令、移位指令等，在編寫程序時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的指令，以滿足控制要求；四是程序注釋：在編寫程序時(shí)，需要對(duì)程序進(jìn)行注釋，以便后續(xù)維護(hù)和調(diào)試，注釋應(yīng)該清晰明了，包括程序的功能、參數(shù)含義、注意事項(xiàng)等；五是程序調(diào)試：在編寫完程序之后，需要進(jìn)行調(diào)試，可以先進(jìn)行模擬調(diào)試，即在計(jì)算機(jī)上模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)試，模擬調(diào)試通過(guò)后，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，對(duì)程序進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。

以三相異步電動(dòng)機(jī)啟停控制為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)控制具體介紹如下：首先，需要對(duì)變量進(jìn)行定義，由于其電流為控制的核心參數(shù)，故而設(shè)計(jì)兩組變量，即LD Y0（輸出變量，控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止）和OUT Y0（輸出到PLC 的輸出端口）；其次，在變量的基礎(chǔ)上，需要對(duì)主程序進(jìn)行編寫，其中主程序包括LD X0（輸入變量，觸發(fā)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)）、AN X1（判斷是否滿足條件，即電動(dòng)機(jī)是否已經(jīng)停止）、AN M0（判斷是否滿足條件，即電動(dòng)機(jī)是否處于故障狀態(tài)）、AN X2（判斷是否滿足條件，即電動(dòng)機(jī)是否處于熱保護(hù)狀態(tài)）、M1-4 端口（判斷電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)）、M5-40 端口（判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)）。圖1 為基于PLC 的三相異步電動(dòng)機(jī)啟停控制電路示意圖。

圖1 基于PLC 的三相異步電動(dòng)機(jī)啟停控制電路示意圖

3.3 設(shè)備的鏈接方式

在完成程序編寫后，需要通過(guò)有效的鏈接方式對(duì)其電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在PLC 的鏈接方式主要包括了主令電器鏈接、輸出設(shè)備鏈接以及負(fù)載鏈接，其中，主令電器鏈接負(fù)責(zé)接收指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；輸出設(shè)備鏈接負(fù)責(zé)完成對(duì)繼電器的控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的自動(dòng)化管理；負(fù)載鏈接負(fù)責(zé)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并向上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在本文的研究中，首先利用PLC 技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)描述，重點(diǎn)分析了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用模式與可能，認(rèn)為在電力系統(tǒng)中引入PLC 技術(shù)可以有效提高數(shù)據(jù)處理效率、控制精度、生產(chǎn)效率等指標(biāo)，具有比較優(yōu)勢(shì)；其次總結(jié)了PLC 在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的總體設(shè)計(jì)步驟、內(nèi)容與原則，分析了設(shè)計(jì)需求與調(diào)試優(yōu)化環(huán)節(jié)的成熟性；最后重點(diǎn)對(duì)PLC 的選擇確定、自動(dòng)化程序的編寫以及設(shè)備的鏈接方式3 個(gè)方面的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了探討與展示。希望通過(guò)本文的研究能夠?yàn)楹罄m(xù)技術(shù)推廣提供指導(dǎo)。