基于PLC為基礎的電排站現地控制設計分析

池榮玉

（梅州市梅州大堤管理處，廣東 梅州 514000）

PLC是一類可編程邏輯控制器，是為了適應工業環境下設計的數字運算操作電子系統。該系統使用了可編程存儲器，在內部存儲執行定時、計數、邏輯運算、順序控制、算術運算等面向用戶的指令，最后通過數字或模擬輸入/輸出來控制機械設備或控制生產過程。

1 電排站現地控制系統硬件設計

以梅州市某電排站為例，該電排站屬于綜合水利工程，其主要特點是兼具防洪以及排水等功能，為目標城市提供水利管理便利。梅州市某電排站使用了6臺軸流泵，單臺設備的裝機的容量大致為155 kW，配備了JSL128-8型三相異步電動機，總裝機的容量達到了930 kW，工程的整個監控中心位置處于前風放電站中央控制室，用于監控包括6臺軸流泵、排水系統、水閘、排水閘、分發系統和全程在內的整個樞紐設備的運行情況。該電排站項目按照“無人值班，遠程操控”的要求進行規劃設計。該項目由綜合保護系統、閘門控制系統、泵站控制系統和PLC組成。柜控及電排站視頻監控系統。

1.1 水泵電機控制系統設計

該電排站通過水泵高低壓配電系統為發電機提供了380 V的正常工作電壓，設計了本地和遠程兩種控制方式，共有三種模式：本地、遠程和非受控狀態，在這幾種模式下可以實現水泵的手動操作、自動操作、遠程啟動、運行狀態顯示、信號顯示等功能，詳細功能參見圖1。接觸器KM1、KM2、KM3用于控制啟停和手動切換，對電路形成自鎖保護元件。時間繼電器延遲啟動并保護電路過流。斷路器OF是電源電路的開關，主要作用是保護電路，防止超出電路能承受的電壓或電流經過。熔斷器（fuse）用于過流保護，防止損壞其他元件，申元的初級變壓器采用380 V、6.3 V的次級變壓器給電路供電，在指示燈電源接線處可以分為兩部分，一個連接到機柜中的控件，另一個連接其他控件，利用中間繼電器節點和PLC系統連接，從而實現PLC對水泵的遠程控制和保護，另外一部分接入綜合保護柜，主要用來采集水泵的實時電壓、當前電流、相位情況等信號，如圖1所示。

PLC控制水泵電機整套裝置會用到接觸器、保險絲、繼電器、按鈕、斷路器和通用轉換開關、電源變壓器以及其他組件等。下面是該組件的一些用途的概述。

交流接觸器：交流接觸器是能夠通過自動控制的一種電氣裝置，主要的作用是能夠在交流電路當中進行連接或者中斷任務，整個接觸器是可以通過遠程進行操作，同時，使用繼電器能夠有效地控制和對其裝置進行定時操作，而在整個自動化控制的電路當中，都將其運用到過壓保護、欠壓保護等相關技術。

斷路器：利用斷路器可以實現在正常電路狀態下，對電流進行切斷、流動操作，也可以在短路等異常電路條件下通過或切斷，電流的開關器件可以在規定的范圍內打開和關閉，該裝置可有效分配電能，確保異步電機、電機和電源線不會異常啟動，當發生異常過載、短路或過壓故障時，電路可自動關閉。此外，對于復合過載過熱繼電器以及熔斷器的開關，基本上都是將故障電流進行關閉，并將原件更換。

繼電器：繼電器主要的作用是加強繼電保護以及對自動控制系統重觸電的數量以及容量進行增強，而對于電路傳輸的控制，通常情況下都是使用中間的信號進行操作，整個繼電器的原理以及結構與交流接觸器相比，并沒有明顯的差異性，并且繼電器只有在控制電路的過程中能夠使用到，存在一定局限性。在過載能力小的條件下，繼電器并沒有一個主觸點，因此其觸電的數量相對來說比較多，但大部分都只能作為輔助觸點。此外，整個電源在常規情況下提供出來的均是直流電源。中間繼電器主要用來進行中間信號的傳輸和轉換，而時間繼電器則是用來提供電路開啟同時可以達到關閉延遲的效果，熱繼電器是利用了電流的熱效應來保護電機的一種繼電器，可以有效防止電機因為氣體、過電流和過熱等原因而造成的損壞。

按鈕：通常用來控制電氣設備的開關，以及控制電機或電氣設備的運行和中斷。

保險絲：用于防止和避免電路過載的安全裝置。如果電流強度超過安全值，保險絲就會自然熔斷，電路隨之被切斷。

萬能開關：具有多個檔與多個回路。可以同時控制多個電路，根據實際情況進行切換調整。

行程開關：行程開關是根據開關具有的機械運動部件移動觸點，來實現對電路的斷開或接通。而這類開關常用于對機械活動有一定限制的系統或行程中，并允許機器在滿足某些條件時可以實現自動前進、改變速度、倒退、往復或停止等操作，操作效果類似于按鈕操作，一旦限位開關進行機械移動，控制電路就可以實現電路的接通或斷開。

接線端子：用作添加和連接其他附件的一種電氣連接附件。

電力變壓器：主要功能是對電壓大小進行轉換，常用于電力傳輸過程中降低電損耗。

變壓器：常見的變壓器一般可分為電壓互感器和電流互感器兩大類。變壓器是一種電壓轉換裝置，具有電壓分離和轉換兩種功能，將高壓側回路或低壓側回路的高壓轉換為低壓，并具有測量保護等功能，供應電流互感器是一種具有電絕緣和轉換功能的雙作用電流轉換裝置。

1.2 PLC控制系統設計

將可編程邏輯控制器（PLC）作為PLC控制系統的核心：再加上電排站所需要的配備的一些特殊功能器件，組合成相應的控制單元。PLC是在繼電器基礎上開發的數字操作電子系統，該系統主要應用于各種惡劣的工作條件。不但可以對想要更改的存儲器內容進行指定編程，而且還可以提供算術邏輯操作、利用計數操作、定時操作、內部存儲程序存儲以及面向用戶的指令的順序控制。為了控制各種形式的機械操作或在制造過程中，數字或模擬I/O方法向控制器發送和接收命令。定序器和相關的外部控制設備可以擴展其功能的相關設計，并結合全行業的控制系統，形成一個系統。PLC 系統的主要優點如下所示：

（1）可靠程度高，不易被干擾。首先，PLC系統研發的初衷即在惡劣環境下能夠進行電路的控制操作，被廣泛地應用于各種工業用途，PLC能夠為電排站提供穩定的電路控制，另外還有后備電源對實時數據和應用程序進行保護。在硬件方面看，使用到最先進的電源，嚴格控制電路質量，盡可能減少電磁接觸，采取光電隔離的方式，減弱對PLC系統的干擾。另外優化模擬和數字濾波等對策，精簡控制元件的數量。

（2）系統可編程和使用簡單。定序器操作便捷和使用簡單，通常無需擔心PLC接口等問題，只需合適的驅動程序即可完成大部分的接線控制任務。另外可以使用梯形圖語言的編程方法對PLC程序進行編程，原理與繼電器比較相似，同時也便于操作管理人員學習與應用。

（3）功能齊全，應用靈活。PLC系統具有數字/模擬輸入/輸出功能、定時計數功能、算術和邏輯運算功能以及比較和代碼轉換等各種基本功能。在PLC技術中，可擴展PID模塊、網絡通訊功能、自動監控報警等應用，在擴展應用和功能之后，PLC 系統能實現更多復雜的功能、滿足更多工業場景的使用，對于一些不同規模的控制要求，也可輕松擴展外部連接，從而適應設計工藝要求和產品規格的變化。

2 電排站現地控制系統軟件設計

規劃輸入/輸出單元，設計PLC程序，包括對每個模擬通道的內部數據設備和外部變量的定義，并進行PLC內部資源分配的首進位。這部分工作完成后，可按照上述介紹的接口電路對需要的外部設備和控制器按照設計思路進行連接，然后可以將控制過程中使用到的輸入/輸出和線路連接圖確定下來，最后再進行邏輯編程，使用要求的編程軟件完成項目。需要特別注意：電排站的本地控制軟件部分是模塊化的，主要是在軟件設計過程中，由PLC柜內的PLC控制，可以設計為主循環程序、模擬數據設計、水泵控制系統設計、控制器與變壓器的控制設計、門控設計、熱感應啟動、高低電壓斷路器。

2.1 PLC314組織塊設計

只針對主控程序OB1（主循環模塊）在不同條件下調用不同的子模塊來操作PLC掃描循環的方法，這種方法既可以加快執行速度，又可以方便程序。可設計用于現場調試，主要程序OB1實現巡視操作，CPU 執行熱啟動，OB100 作為初始化模塊的設備的熱啟動，OB100程序執行一行初始化變量。在該排放站工程中，水泵啟動、停止，閘門上升和下降控制被初始化，因此下一階段操作不應該受到之前程序行為的影響，這部分設計是整個程序設計的核心，因為程序的每個部分都是輪流運行的。流程圖OB1和OB100熱啟動流程圖基于圖2的模塊化設計方法流程圖 Master OB1 OB100 熱啟動流程圖給定設計流程啟動器，如圖2所示：

在該排放站程序中，OB1的執行模式從FC1到FC7依次執行，可以成功完成對閘門、水泵、斷路器等設備的順序控制。而OB100 可以實現對水泵和閘門的啟動和停止初始化每個周期的上升和下降，以確保每個循環指令能夠正確啟動并接收正確指令執行。

2.2 水泵控制程序設計

水泵控制程序主要工作是管理水泵的啟動、停止以及發生故障后能夠實現水泵的自動保護。需要對正常工作狀態下的水泵的運行情況進行分析，確保水泵的啟動按鈕只有在水泵處于自動狀態時才能打開，由于水泵不處于運行狀態可以啟動水泵，具有保護作用，如果條件不足，泵的啟動輸出自鎖，以保護連續運行，泵也通過停止按鈕停止或緊急停止以停止泵輸出。可以根據邏輯指令和相應的信息為水泵設置具體的啟停控制條件，確定安全啟停水泵。根據水泵的正常工作特性對水泵的相應狀態設計程序地址，同時對啟動狀態的1號水泵及其地址表進行核驗，確保無誤。同理，在指定水泵的程序地址后，數字輸入指令(I)、數字輸出(O)和一些內部繼電器(M)地址將會顯示水泵的實際狀態、信號和當前操作，管理人員可以看到顯示并進行處理操作。

3 結束語

文章介紹了整個放電站就地控制裝置的設計過程，描述整個電排站的PLC控制系統和控制過程的重要性，從硬件、軟件、通訊，以及日后的調試和維護等方面的內容，為今后同類電排站建設提供參考。