PLC在電氣自動化中的應用及發展前景

楊彥青，宋 星

楊彥青，宋星/臺州職業技術學院講師（浙江臺州 318000）。

一、PLC的定義和特點

作為一種專門為工業而設計、旨在提升工業環境安全的數字運算操作系統，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）可以對工業數據進行模擬以及編程，這是由于在自身的存儲器內部可以執行一些特定的操作，比如邏輯的運算、順序，以計數等指令來進行控制，還可以對一些常見的模擬量和數字量進行inlet和outlet，實現對電機或者器械以及流程的控制。

PLC技術主要是以計算機計數及接觸器控制技術為基礎的一項技術。傳統控制器系統內部接線較為復雜，可靠性低、耗能高以及靈活性差，PLC近年來正逐漸取代傳統系統運用于電氣自動化中。由于PLC內部的輔助繼電器代替了傳統的機械觸電繼電器，以邏輯關系代替原來的連接導線，所以這類繼電器的節點變位時間可以認為無限趨近于零，并且不需要考慮傳統繼電器的返回系數；PLC控制系統的抗干擾能力非常強，遠遠優于傳統的繼電器技術，適合復雜的工業操作環境；它的操作也很簡單，采用簡單的指令形式，直觀形象的簡單程序使得操作人員能夠快速上手。

二、PLC在電氣自動化中的應用

（一）順序控制

火力發電系統內輔助操作系統的工藝流程多為順序控制以及開關量控制兩種。隨著經濟發展，國家對于節能減排的要求越來越高，電氣行業實現生產過程中降低能源損耗且提高效益，已成為各大企業管理的終極目標。所以企業對于車間自動控制水平的要求也逐漸提高，目前大型火電企業的輔助系統均用PLC控制系統代替了原繼電控制器，PLC控制系統現在還能單獨控制某一條工藝流程，且協調全廠的生產工作。

1.輸煤自控系統。好的輸煤自動控制系統主要由三方面因素來決定：首先是生產的安全性，其次是能不能提高整個車間的生產效率，最后是能不能切實優化工人的生產環境，保證工人的健康。目前，很多煤電廠都淘汰了常見的弱電控制輸煤系統以及人力控制系統，采用微機控制。四大部分構成了燃煤電廠的輸煤系統：儲煤系統、配煤子系統、上煤子系統和卸煤系統等，輸煤系統控制方案多采用輸煤控制系統。我們可以用分層網絡結構的方法將其分成三層 （從縱向的角度看）：第一層是主站層、其次是IO層站、最后是傳感器[1]。其中主站層由以下兩部分組成：PLC，即可編程控制器和人機交互接口設備，PLC的中央處理器采用雙機熱備配置，通訊模件則以冗余配置為模式，主站層的所有設備都集中安置在輸煤集控樓內；遠程IO站設備通過光纖和主站層控制機之間進行連接，通過二次控制電纜和輸煤傳感器 (含執行機構 )之間進行信息交流。輸煤自控系統以控制室集中控制的模式，就地設置緊急拉線開關檢修啟停按鈕[2]。而控制室主要以PLC程序為主，以帶有連鎖或者解除連鎖手動控制作為輔助手段。操作員則可通過顯示電腦對主要輸煤設備實行監控，工作條件得以改善，勞動生產率亦提高了很多。

2.工廠除灰系統。隨著人們對人居環境的重視，更多的環境保護政策相繼出臺，電廠亦開始重視環保和廢物再利用技術。為了再利用電輸塵下來的粉煤灰，氣力除灰系統已被廣泛推展開來。傳統的氣力除灰系統主要是通過繼電器邏輯電路順序來控制，目前大多被可編程邏輯控制器PLC為主核心的順序控制系統代替。PLC控制系統在除灰系統中的核心控制部分，它的主要控制對象包括了送風機、氣化風機、加熱器、倉泵、卸灰裝置、收灰風機、布袋除塵器以及管道壓力等，部分輸入輸出控制結構都較復雜。它也可以由PLC、二次儀表、傳感器以及主控柜等組成，可按照網絡結構分成下位機控制器以及操作員站兩部分[3]。對于系統可靠性要求較高，用PLC雙機熱備（硬熱備）是上佳之選。PLC的軟件基本上都是采用模塊化設計架構，既便于修改，又具備較高的可讀性，市場調試也很方便，整個系統程序主要由N個功能模塊和一個主程序的模塊集合而成。PLC的遠程站完善的功能，能夠實現電廠鍋爐除灰系統的自動控制。

（二）閉環控制

自動電力系統的控制流程，跟如下變量有關：壓力、流量、溫度和速度等模擬量，需要對它們進行連續變化監控。起初PLC控制系統在閉環控制上沒有優勢，當技術更新后PLC亦具有了閉環控制這項功能，到目前為止這一技術已發展得較為成熟。PLC模塊生產廠家在生產過程中基本都具備了PID指令，能夠非常容易地進行PID控制，而且它的控制程序是由PLC原廠家設計并置于模塊中的。用戶在使用時僅需設置一些常用的參數，簡單方便。直接采用PID指令能夠輕松實現基于PLC的PID控制，經濟性較高[4]。

1．油泵、水泵電動機。啟動發電機廠的調速器油泵的方式非常多，比如機旁屏啟動、自動啟動等。每臺控制器都可以自動運行，而且調速器油泵都可以根據已經運行的累計時間，下次開機時優先選擇累計總時間最短的泵當做主泵，其他的泵當做備用泵。當調速器壓油罐的壓力降低時，主泵便會自動啟動，若持續降到整定值，備用泵便會相繼啟動，向壓油罐加油。現地控制箱的手動啟動方式首先需要將機旁屏上的控制方式設置為“手動調速器”啟動方式，直接在控制箱上按啟動或者停止按鈕，便可以啟動調速器的油泵。可以采用PLC按照各自的運行時間長短選擇主用泵或者通過手動來確定，PLC程序重啟后，程序將默認主用泵。而且PLC控制系統會直接輸出2臺油泵的優先啟動權以此選擇繼電器，PLC輸出啟動油泵的命令后，會選擇最優先啟動的繼電器。PLC控制油泵分為自動控制和常規控制，兩者互相合作。常規回路可以作為整個PLC控制系統的輔助補充，是整個油泵控制系統的安全回路。所以現實情況中即便PLC出現技術故障，調速油的供給也不會突然中斷，確保了所有機組運行的穩定性。

2.發電機調速。水輪機的調速器可以確保整個水利發電機組的穩定運行，進而影響到整個機組運行的可靠性和穩定性。調速機的發展前后主要經歷了三個階段：機械液壓型調速器、電氣液壓型調速器以及微機調速器。PLC整個調速器的控制系統主要由以下三個關鍵部分組成：轉速測量單元、電子調節單元以及電液執行單元，它能夠驅動導水機構、測量轉速以及調節規律等三個功能單元，控制調節規律通過軟件實現，而且穩定不易出狀況。到目前為止，積分微分、PID控制系統仍是水利發電機組中使用最為廣泛的控制系統。

（三）開關量控制

PLC的實質是用內部已經定義完全的各種輔助繼電器替換原來的機械觸電繼電器，而且可以認為內部各繼電器節點變位的時間近似等于零。它運行的時候只需考慮其在0-1的狀態就可以，傳統的繼電器則需要返回一定的系數，所以用它作為開關量控制非常適合[5]。

1．斷路控制器。先前的火電系統內部大多使用電磁型繼電器作為主要的控制元件，而PLC控制系統則安裝了大量的電磁元件，但自身擁有大量的觸點，這使得系統可靠性大幅度降低，且接線也很復雜維修困難。近年來PLC大量代替實物原件，大大提高了可靠性和安全性。運行人員只需學會分合閘操作，操作過程中根據系統給出的指示信號執行下一步的操作，能在系統出現故障時自動分閘，并給出相應的信號指示即可。PLC能夠大大簡化二次接線，每個線路都有各自的公共端且接線過程中不易發生錯誤，無需配置相應的專門閃光電源，只要能夠符合要求，進行簡單的接線便可以滿足相應的要求。而且PLC控制系統可以簡化相應的輔助開關數目，實現多臺斷路控制器之間的控制，集中顯示信號，減輕工作人員間的維護和檢修工作難度和工作量。

2.自動切換。供電可靠性的提高有著積極的意義，為提高其可靠性，火電企業便在裝置中引入備用電源。最初都是手動或者自動供回電線路操作，雖然該操作過程時間較短暫，但是對于要求連續供電的用戶來說則是不可行的。所以，針對此種情況，在裝置中引用PLC構成的備用電源，能夠通過編程實現各種運行方式，并將在設備正常運行過程中的信號作為電源啟動或者關閉的判斷依據。由于這個系統具備邏輯判斷和數據處理的功能，所以它可以作為備用電源來完成自投操作，還能順便考慮整個系統的運行情況和其他的各種操作要求。系統本身具備超強的抗干擾能力，可靠性高、調試操作方便簡單、接線容易、運行成本低等。實踐證明，用PLC作為備用電源投入到控制系統是一種較為可靠且經濟運行方式，極大提高了設備的自投功能的供電穩定度，明顯改善了運行效果。

三、PLC在電氣自動化中的發展前景及建議

PLC是一種專門在工業環境下的電子操作系統，能夠在無任何保護措施的工作情況下使用。但是當其工作環境過分惡劣或者充滿了電磁干擾的時候，程序便會出現運行錯誤，這將導致設備失靈乃至殃及整個系統。這將要求廠家提高PLC控制系統的穩定性和可靠性，提高控制系統的抗干擾能力，另一方面設計、安裝和使用維護也要多加重視，多方合作消除干擾。

目前集散型控制系統DCS技術日益完善，應用經驗豐富。然而現在則處于停滯狀態，如何促進它大幅度地進步，關鍵在于實現通用化的硬件平臺并融合PLC。微電子技術和控制技術的進步，PLC控制系統和DCS系統能夠互相取長補短，走向同化。隨著現場總線技術的進步和現代化熱工自動化技術的成熟，控制儀表也越來越數字化、智能化，電廠的自動化控制水平也提高到了一個新高度。為了能夠在更為廣闊的領域適應工業化的生產流程控制需要，PLC控制系統作為國際通用網絡的重要組成和自動化控制網絡的部分，其產品將更加豐富，規格也將更加完善和齊全，而且能夠在電氣自動化的發展過程中得到更加廣泛的推廣和使用。

[1] 劉善增.PLC控制系統的可靠性設計[J].工業控制計算機,2004(7):39-41

[2] 劉海榮，趙湛．PC—P LC集散控制在船閘電氣自動化的應用[J]．工業控制計算機,2007，20(4)

[3] 劉新正.PLC控制系統的開發與應用[J].新世紀水泥導報,2005(2)

[4] 鄭晟,鞏建平,張學.現代可編程序控制器原理與應用[M].北京:科學出版社,2003

[5] 葉曉暉.PLC在電氣自動化中的應用現狀及發展前景概述[J].中國新技術新產品，2009（15）：144-145