PLC在繼電器自動化控制中的應用探討

戚健

(唐山佳華煤化工有限公司 河北唐山 063611)

電力系統的穩定運行離不開電氣設備，其作用非常重要。作為現代電力系統中的一種運輸載體，只有電氣設備保持穩定與有效運行，才能確保電力的持續供給。電氣設備較多見的如發電機、變壓器、電力線路、繼電器等，而其運行狀態則決定了整個電力系統能否穩定、高效地運行。20 世紀80 年代，我國電力企業將分散控制系統（Distributed Control System，DCS）引入國內，繼電器也開始實現了自動化控制，而在20 世紀90 年代，科技的進步以及整個行業的不斷發展，輸配電力設備的控制中開始廣泛地應用DCS，而時代的發展讓DCS 逐漸受到了威脅，而對其地位形成威脅的就是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術。PLC與傳統控制器不同，其能夠編輯，且具有靈活與微小的優勢。PLC 包含了許多現代的科技，如互聯網、控制、計算機等技術，都已經與PLC 技術實現了有機的融合，這也推動了電氣設備控制智能化的腳步。相比DCS技術，PLC技術擁有更強的兼容性，能讓繼電器的穩定性更高，因此也漸漸成為現代主流應用的控制技術[1]。

1 PLC技術

1.1 PLC技術簡介

PLC即為可編程控制器，屬于電子裝置的一種，是專門為了現代工業環境而設計的，PLC 不僅具有數字運算能力，還能夠編制程序，且內置儲存器，通過PLC，能夠實現順序控制、計數、邏輯運算、算術運算、定時等一系列的操作，輸入輸出的方式有模擬式與存儲式，以此裝置進行命令的存儲與執行，讓多種類型設備被其控制進行生產操作。在設計PLC 與相關外圍設備時，原則是工業系統更易成為一個整體、功能更易擴展。PLC 是現代電器廠家聲場的主流設備之一，多家世界知名工廠都有其生產，因此使PLC更新換代越來越快，且功能越來越完善。在現代工業的自動化領域中，為了讓PLC 的使用范圍更廣闊，能夠充分滿足不同類型企業的要求，其有兩個大的發展方向，一是中型、大型的PLC，其發展方向是多功能、高可靠性、網絡化、高速度，讓PLC的信息管理與控制功能有機地融合在一起，從而可以更好地控制復雜、規模大的系統。二是小型的PLC，其發展方向是速度更快、體積更小、價格更低、功能更強，從而便于PLC 可以盡快完成繼電器控制的取代工作，盡早讓機電一體化成為現實[2]。

1.2 PLC技術分類

（1）按照I/O點數，PLC包括小型、中型、大型，定義如下：小型PLC 的I/O 點數小于256 點；中型PLC 的I/O點數大于256點，但小于1 048點；大型PLC的I/O點數大于2 048點。（2）根據結構差異，PLC分為模塊與整體兩種方式。模塊式：PLC 分為若干個模塊，如CPU 模塊、電源模塊、I/O 模塊等，其組成包括各種模塊與機架，在機架內的插座上會插有各種模塊，其優點是裝配方便、配置靈活，而且維修和擴展也非常方便，因此廣泛應用于中、大型的PLC之中。整體式：在機箱之中包含了PLC 的各個基本部件，如I/O、CPU、電源等，I/O 點數不同的擴展與基本單元構成了整體式PLC，基本單元有電源、I/O、CPU，擴展單元有電源、I/O，此類PLC會有功能特殊的單元例如位置控制、模擬量等單元，主要是為了擴張PLC功能，整體式的PLC價格比較低廉，且體積很小，結構也非常的緊湊，因此主要應用在小型的PLC之中。

1.3 PLC技術優點

1.3.1 編程簡單、操作難度低

梯形圖屬于PLC 所應用最多的編程語言，和其他語言相比較，其直觀性更高，而且學習難度很低，只要很熟悉繼電器，技術人員只需幾天就能夠對梯形圖語言有所掌握，借助廠家PC端就可以進行用戶程序的編制與相關設定。

1.3.2 控制靈活

PLC的程序能夠進行有效的變化，其柔性非常好。

1.3.3 功能強

PLC的性價比非常高，而且擴充極其方便，在一臺小型的PLC 之中，一般會有上千個編程元件可供用戶使用，功能很強，復雜控制也能夠實現。

1.3.4 控制系統工作量少，便于維修

PLC 與繼電器不同，其通過軟件功能對系統的繼電器（包括時間、中間兩種）、計數器實行控制，這也讓控制柜更少，因此接線量也大為減少，用于控制柜的設計也明顯減少，在設計PLC程序時，相比具有同樣功能的繼電器，PLC所用的時間更短，而且還能在實驗室之中進行用戶程序的模擬調試，以小開關模擬輸入信號，觀察PLC 發光二極管就能知輸出信號，在完成安裝與接線后，要開展統調工作，通過修改程序可以將此期間出現的問題及時解決，因此其統調用時會更短。

1.3.5 強抗干擾、高可靠性

在PLC中，軟件與硬件都存在抗干擾措施，因此有極強抗干擾作用，在無故障方面，其平均時間達數萬小時，所以就算是現場存在的干擾非常強烈，PLC也可以直接應用。

1.3.6 重量輕、能耗低

此方面的優點是現代系統所特有的[3]。

2 PLC技術在繼電器自動化控制中的應用

2.1 開關量

對現有的繼電器操作開展優化，能讓失敗率更低，控制效率更高，控制質量也得到有效提高。借助PLC技術，就能夠實現有效控制系統開關量，這是因為PLC可以聯網的特點，因此在I/O 點數的控制方面，PLC 既能控制十幾點，也能控制上萬點，近乎無數量限制，同時在邏輯問題方面，PLC 具有多樣性，如固定與隨機、延時與即時等問題。

2.2 系統順序

連接繼電器控制元素是PLC實現自動化控制的方式，通過PLC可以連接繼電器的控制端，然后在PLC進行編程并輸入指令，就可以完成自動化控制繼電器。

2.3 閉環系統

傳統自動控制的達成方式主要是以泵馬達來實現的，在操作時，操作者要通過泵來選擇模式與控制狀態。PLC技術則不同，其控制是在閉環系統中完成的，這種方式不僅讓系統控制更加安全，而且也會讓系統更加可靠[4]。

2.4 監控

在PLC 中有很多的自檢信號存在，只要能合理應用，就可真正讓自動監控得以實現，若被控制對象過于復雜，系統的整體監控與診斷極其重要，這能確保相關動作得到真正執行，故障率也因此降低，故障排除也會更簡易。

3 分析繼電器中PLC的實際應用

為了可以驗證PLC 應用效果，筆者將LRD 熱繼電器作為研究對象，分析其與DCSLRD的差異，探尋PLC技術應用于繼電器控制中的實際情況。

3.1 LRD熱繼電器

選取可買到的LRD熱繼電器，其額定絕緣電壓為1 000 V，額定電壓690 V，脫扣等級10 A，端子以螺釘夾進行連接，并有復位、停止等功能按鈕，“TH”的防護處理，選用設備能于濕熱環境下工作，工作環境的溫度為-20～55 ℃，補償環境的溫度是-20～70 ℃。

3.2 選擇PLC

PLC的類型極多，而型號選擇很關鍵，因為只有兼容性良好，才可讓設備控制效率、質量得到充分保障。選擇PLC的類型時，要根據繼電器控制要求，選擇PLC的型號與廠家，PLC I/O 點數量應該大于設備需求數量，同時要考慮到邏輯變量、用戶程序等相關信息，PLC存儲器必須要比上述信息更大，根據連接要求，對模塊輸入輸出合理的選擇，并依照類型差異，因要考慮到兼容性問題，按照資金的預算，選擇最適合的PLC設備。本文所選的PLC型號為MX-100PLC，額定電壓是DC18V-36V，尺寸是128 mm×107 mm×40 mm，絕緣阻抗＞5 MΩ（DC500 V），功耗5 V/0.55 A，頻率是5 kHz，峰值是2 000 Vp-p，數字量的輸入與輸出點數均是12，模擬量輸入與輸出點數分別為4、2[5]。

3.3 仿真控制模型

將PLC作為制作基礎，選擇模糊PID控制，控制模式如圖1所示。

圖1 PID控制模式

3.4 PLC的兼容性測試

DCS是傳統電氣的自動化控制方式，但此方式兼容性不良，不能兼容多系統，因此設備控制比較難。在PLC運用之后，繼電器控制自動化得以真正實現，這是由于PLC具有極佳的兼容性。在完成兼容性測試后，發現Windows XP、Windows 2000、Windows 7、Windows 10、數據庫服務器、服務端都可以正常運行，同時Netscape、Firefox、Maxthon 等瀏覽器也可以運行，無錯誤情況發生，因此這證明了多個系統是能夠同時運行的，兼容性問題已經被很好地解決，具有實用性[6]。

3.5 可靠性的測試

雖然PLC可以兼容任何系統，且效果良好，但在自動化控制的質量、效率方面，暫未得到證明，可否實現高效控制并不清楚，所以必須測試其可靠性。此次測試要對比DCS，共5 次，取5 次的平均值，PLC 調節時間、響應時間、穩定性誤差分別是0.132 s、0.322 s、0.000 5 s，同樣經過5 次測試，并取5 次的平均值，DCS的調節時間、響應時間、穩定性誤差分別是0.222 s、0.494 s、0.001 4 s，從上述數據明顯能夠得知PLC 可靠性更加。

（1）響應速度：在PLC、DCS不同模式下，對響應速度實施測試，電流一致，均為690 V，一種25次，觀察響應時間，從而得出對應的響應速度。觀察兩種模式的響應速度測試結果，PLC 控制模式響應的時間處于0.31～0.36 s 的范圍之內，DCS 控制模式響應的時間處于0.46～0.52 s 的范圍之內，從繼電器不同的響應時間分析，PLC控制模式優勢更明顯，能夠更快響應。

（2）調節速度測試：分析兩種模式的響應速度，并比較其調節速度。在初始值相同的環境之下，每次的采樣周期間隔時間是0.2 s，調節繼電器，分別選取兩種方式，然后獲取對應調節速度。觀察結果數據，發現處于PLC 模式時，最大調節時間小于0.15 s，而DCS 最小調節時間大于0.21 s，對比結果，差異非常明顯，PLC模式的調節更快速，對于故障處理能夠很短的時間內完成。

（3）穩態誤差：開展測試時，只需設備性能相關的指標被兼顧到就可以，要盡量讓某個限制值更小。如以初始值相同的情況之下，分別以DCS、PLC 進行控制，然后對比結果數據，PLC穩態誤差與0更接近，DCS卻有較高差值，說明PLC誤差更小。因此，基于上述測試，繼電器以PLC模式進行控制，在響應速度與調節速度方面，PLC的優勢都非常明顯，而且PLC穩態誤差小于0.001，因此PLC優勢非常明顯。

（4）精度：要對不同模式的控制精度開展分析，同樣以測試的方式，首先劃分繼電器信號，將其分成1 000個數據段，并對相應特征量、非零點特征值等數據進行明確，當電氣設備有故障發生后，通過兩種模式診斷故障，尋找故障原因，而經過對比之后，發現PLC 模式精度更高[7]。

4 電氣設備自動化控制中應用PLC 技術的注意事項

PLC控制系統在進行電氣設備自動化中的裝配與維護時，要按照PLC特點設計系統。相比繼電器系統，PLC與其存在著本質的區別。硬件與軟件設計能夠分開進行屬于PLC特點之一，因此設計PLC控制系統時，要遵循以下相關設計原則：生產機械、設備、生產工藝的動作均能實現；生產機械與設備加工產品的質量與效率要能得到滿足；系統能夠穩定、安全、可靠地運行；其結構要簡化，減少成本；自動化要充分提升，讓勞動強度降低；維修要更方便。PLC 系統可用于環境很差的工業制造中，因此工作過程要確保安全、可靠。由于被控對象工藝流程與加工產品的類型常常有變化，因此要及時對電路結構開展有效控制，并對參數實時修改。對控制系統來說，在I/O 點數方面，其需求是較大的，且控制復雜，而接觸器在應用時，要用到許多時間與中間的繼電器。在和其他設備聯網或者通信時，基本設計步驟如下。一是分析工藝控制要求、過程特點：對被控對象以及控制要求、過程詳細進行分析，列出所有需求再合理選擇；二是輸入輸出設備：按鈕、行程開關、選擇開關、傳感器為輸入設備，接觸器、電磁閥及指示燈為輸出設備；三是選擇最適宜的PLC：在輸入與輸出點數的基礎上增加10%～20%，即為本次估算的數據參考，以數字量I/O 點數10～15 倍加上模擬點數的100 倍為內存總字數，同時在此數值的基礎上增加25%作為余量，選擇PLC時還要考慮到功能性的問題；四是電源模塊：輸出的額定電流須比I/O、CPU、專用等模塊的電流消耗總和大[8]。

5 結語

綜上所述，DCS控制是傳統自動化控制的模式，其兼容性是比較差的，而伴隨科技的發展與進步，借助模糊PID 算法，PLC 技術能讓繼電器設備實現自動化控制，且控制效果很好。通過本文后續的對比實驗，分析DCS 與PLC 不同模式下的繼電器自動化控制情況，發現PLC兼容性更強，多系統運行都正常，同時調節與響應的速度更快，還有高精度、低穩態誤差的優點，這正是現代電氣工業所追求的目標。由于本文的測試與數據對比模式比較理想化，因此在實際應用中可能會發生誤差情況，所以后續會加強測試模式的優化工作，提升測試真實性，這是本研究的不足。