PLC在继电器自动化控制中的应用探讨

戚健

(唐山佳华煤化工有限公司 河北唐山 063611)

电力系统的稳定运行离不开电气设备，其作用非常重要。作为现代电力系统中的一种运输载体，只有电气设备保持稳定与有效运行，才能确保电力的持续供给。电气设备较多见的如发电机、变压器、电力线路、继电器等，而其运行状态则决定了整个电力系统能否稳定、高效地运行。20 世纪80 年代，我国电力企业将分散控制系统（Distributed Control System，DCS）引入国内，继电器也开始实现了自动化控制，而在20 世纪90 年代，科技的进步以及整个行业的不断发展，输配电力设备的控制中开始广泛地应用DCS，而时代的发展让DCS 逐渐受到了威胁，而对其地位形成威胁的就是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技术。PLC与传统控制器不同，其能够编辑，且具有灵活与微小的优势。PLC 包含了许多现代的科技，如互联网、控制、计算机等技术，都已经与PLC 技术实现了有机的融合，这也推动了电气设备控制智能化的脚步。相比DCS技术，PLC技术拥有更强的兼容性，能让继电器的稳定性更高，因此也渐渐成为现代主流应用的控制技术[1]。

1 PLC技术

1.1 PLC技术简介

PLC即为可编程控制器，属于电子装置的一种，是专门为了现代工业环境而设计的，PLC 不仅具有数字运算能力，还能够编制程序，且内置储存器，通过PLC，能够实现顺序控制、计数、逻辑运算、算术运算、定时等一系列的操作，输入输出的方式有模拟式与存储式，以此装置进行命令的存储与执行，让多种类型设备被其控制进行生产操作。在设计PLC 与相关外围设备时，原则是工业系统更易成为一个整体、功能更易扩展。PLC 是现代电器厂家声场的主流设备之一，多家世界知名工厂都有其生产，因此使PLC更新换代越来越快，且功能越来越完善。在现代工业的自动化领域中，为了让PLC 的使用范围更广阔，能够充分满足不同类型企业的要求，其有两个大的发展方向，一是中型、大型的PLC，其发展方向是多功能、高可靠性、网络化、高速度，让PLC的信息管理与控制功能有机地融合在一起，从而可以更好地控制复杂、规模大的系统。二是小型的PLC，其发展方向是速度更快、体积更小、价格更低、功能更强，从而便于PLC 可以尽快完成继电器控制的取代工作，尽早让机电一体化成为现实[2]。

1.2 PLC技术分类

（1）按照I/O点数，PLC包括小型、中型、大型，定义如下：小型PLC 的I/O 点数小于256 点；中型PLC 的I/O点数大于256点，但小于1 048点；大型PLC的I/O点数大于2 048点。（2）根据结构差异，PLC分为模块与整体两种方式。模块式：PLC 分为若干个模块，如CPU 模块、电源模块、I/O 模块等，其组成包括各种模块与机架，在机架内的插座上会插有各种模块，其优点是装配方便、配置灵活，而且维修和扩展也非常方便，因此广泛应用于中、大型的PLC之中。整体式：在机箱之中包含了PLC 的各个基本部件，如I/O、CPU、电源等，I/O 点数不同的扩展与基本单元构成了整体式PLC，基本单元有电源、I/O、CPU，扩展单元有电源、I/O，此类PLC会有功能特殊的单元例如位置控制、模拟量等单元，主要是为了扩张PLC功能，整体式的PLC价格比较低廉，且体积很小，结构也非常的紧凑，因此主要应用在小型的PLC之中。

1.3 PLC技术优点

1.3.1 编程简单、操作难度低

梯形图属于PLC 所应用最多的编程语言，和其他语言相比较，其直观性更高，而且学习难度很低，只要很熟悉继电器，技术人员只需几天就能够对梯形图语言有所掌握，借助厂家PC端就可以进行用户程序的编制与相关设定。

1.3.2 控制灵活

PLC的程序能够进行有效的变化，其柔性非常好。

1.3.3 功能强

PLC的性价比非常高，而且扩充极其方便，在一台小型的PLC 之中，一般会有上千个编程元件可供用户使用，功能很强，复杂控制也能够实现。

1.3.4 控制系统工作量少，便于维修

PLC 与继电器不同，其通过软件功能对系统的继电器（包括时间、中间两种）、计数器实行控制，这也让控制柜更少，因此接线量也大为减少，用于控制柜的设计也明显减少，在设计PLC程序时，相比具有同样功能的继电器，PLC所用的时间更短，而且还能在实验室之中进行用户程序的模拟调试，以小开关模拟输入信号，观察PLC 发光二极管就能知输出信号，在完成安装与接线后，要开展统调工作，通过修改程序可以将此期间出现的问题及时解决，因此其统调用时会更短。

1.3.5 强抗干扰、高可靠性

在PLC中，软件与硬件都存在抗干扰措施，因此有极强抗干扰作用，在无故障方面，其平均时间达数万小时，所以就算是现场存在的干扰非常强烈，PLC也可以直接应用。

1.3.6 重量轻、能耗低

此方面的优点是现代系统所特有的[3]。

2 PLC技术在继电器自动化控制中的应用

2.1 开关量

对现有的继电器操作开展优化，能让失败率更低，控制效率更高，控制质量也得到有效提高。借助PLC技术，就能够实现有效控制系统开关量，这是因为PLC可以联网的特点，因此在I/O 点数的控制方面，PLC 既能控制十几点，也能控制上万点，近乎无数量限制，同时在逻辑问题方面，PLC 具有多样性，如固定与随机、延时与即时等问题。

2.2 系统顺序

连接继电器控制元素是PLC实现自动化控制的方式，通过PLC可以连接继电器的控制端，然后在PLC进行编程并输入指令，就可以完成自动化控制继电器。

2.3 闭环系统

传统自动控制的达成方式主要是以泵马达来实现的，在操作时，操作者要通过泵来选择模式与控制状态。PLC技术则不同，其控制是在闭环系统中完成的，这种方式不仅让系统控制更加安全，而且也会让系统更加可靠[4]。

2.4 监控

在PLC 中有很多的自检信号存在，只要能合理应用，就可真正让自动监控得以实现，若被控制对象过于复杂，系统的整体监控与诊断极其重要，这能确保相关动作得到真正执行，故障率也因此降低，故障排除也会更简易。

3 分析继电器中PLC的实际应用

为了可以验证PLC 应用效果，笔者将LRD 热继电器作为研究对象，分析其与DCSLRD的差异，探寻PLC技术应用于继电器控制中的实际情况。

3.1 LRD热继电器

选取可买到的LRD热继电器，其额定绝缘电压为1 000 V，额定电压690 V，脱扣等级10 A，端子以螺钉夹进行连接，并有复位、停止等功能按钮，“TH”的防护处理，选用设备能于湿热环境下工作，工作环境的温度为-20～55 ℃，补偿环境的温度是-20～70 ℃。

3.2 选择PLC

PLC的类型极多，而型号选择很关键，因为只有兼容性良好，才可让设备控制效率、质量得到充分保障。选择PLC的类型时，要根据继电器控制要求，选择PLC的型号与厂家，PLC I/O 点数量应该大于设备需求数量，同时要考虑到逻辑变量、用户程序等相关信息，PLC存储器必须要比上述信息更大，根据连接要求，对模块输入输出合理的选择，并依照类型差异，因要考虑到兼容性问题，按照资金的预算，选择最适合的PLC设备。本文所选的PLC型号为MX-100PLC，额定电压是DC18V-36V，尺寸是128 mm×107 mm×40 mm，绝缘阻抗＞5 MΩ（DC500 V），功耗5 V/0.55 A，频率是5 kHz，峰值是2 000 Vp-p，数字量的输入与输出点数均是12，模拟量输入与输出点数分别为4、2[5]。

3.3 仿真控制模型

将PLC作为制作基础，选择模糊PID控制，控制模式如图1所示。

图1 PID控制模式

3.4 PLC的兼容性测试

DCS是传统电气的自动化控制方式，但此方式兼容性不良，不能兼容多系统，因此设备控制比较难。在PLC运用之后，继电器控制自动化得以真正实现，这是由于PLC具有极佳的兼容性。在完成兼容性测试后，发现Windows XP、Windows 2000、Windows 7、Windows 10、数据库服务器、服务端都可以正常运行，同时Netscape、Firefox、Maxthon 等浏览器也可以运行，无错误情况发生，因此这证明了多个系统是能够同时运行的，兼容性问题已经被很好地解决，具有实用性[6]。

3.5 可靠性的测试

虽然PLC可以兼容任何系统，且效果良好，但在自动化控制的质量、效率方面，暂未得到证明，可否实现高效控制并不清楚，所以必须测试其可靠性。此次测试要对比DCS，共5 次，取5 次的平均值，PLC 调节时间、响应时间、稳定性误差分别是0.132 s、0.322 s、0.000 5 s，同样经过5 次测试，并取5 次的平均值，DCS的调节时间、响应时间、稳定性误差分别是0.222 s、0.494 s、0.001 4 s，从上述数据明显能够得知PLC 可靠性更加。

（1）响应速度：在PLC、DCS不同模式下，对响应速度实施测试，电流一致，均为690 V，一种25次，观察响应时间，从而得出对应的响应速度。观察两种模式的响应速度测试结果，PLC 控制模式响应的时间处于0.31～0.36 s 的范围之内，DCS 控制模式响应的时间处于0.46～0.52 s 的范围之内，从继电器不同的响应时间分析，PLC控制模式优势更明显，能够更快响应。

（2）调节速度测试：分析两种模式的响应速度，并比较其调节速度。在初始值相同的环境之下，每次的采样周期间隔时间是0.2 s，调节继电器，分别选取两种方式，然后获取对应调节速度。观察结果数据，发现处于PLC 模式时，最大调节时间小于0.15 s，而DCS 最小调节时间大于0.21 s，对比结果，差异非常明显，PLC模式的调节更快速，对于故障处理能够很短的时间内完成。

（3）稳态误差：开展测试时，只需设备性能相关的指标被兼顾到就可以，要尽量让某个限制值更小。如以初始值相同的情况之下，分别以DCS、PLC 进行控制，然后对比结果数据，PLC稳态误差与0更接近，DCS却有较高差值，说明PLC误差更小。因此，基于上述测试，继电器以PLC模式进行控制，在响应速度与调节速度方面，PLC的优势都非常明显，而且PLC稳态误差小于0.001，因此PLC优势非常明显。

（4）精度：要对不同模式的控制精度开展分析，同样以测试的方式，首先划分继电器信号，将其分成1 000个数据段，并对相应特征量、非零点特征值等数据进行明确，当电气设备有故障发生后，通过两种模式诊断故障，寻找故障原因，而经过对比之后，发现PLC 模式精度更高[7]。

4 电气设备自动化控制中应用PLC 技术的注意事项

PLC控制系统在进行电气设备自动化中的装配与维护时，要按照PLC特点设计系统。相比继电器系统，PLC与其存在着本质的区别。硬件与软件设计能够分开进行属于PLC特点之一，因此设计PLC控制系统时，要遵循以下相关设计原则：生产机械、设备、生产工艺的动作均能实现；生产机械与设备加工产品的质量与效率要能得到满足；系统能够稳定、安全、可靠地运行；其结构要简化，减少成本；自动化要充分提升，让劳动强度降低；维修要更方便。PLC 系统可用于环境很差的工业制造中，因此工作过程要确保安全、可靠。由于被控对象工艺流程与加工产品的类型常常有变化，因此要及时对电路结构开展有效控制，并对参数实时修改。对控制系统来说，在I/O 点数方面，其需求是较大的，且控制复杂，而接触器在应用时，要用到许多时间与中间的继电器。在和其他设备联网或者通信时，基本设计步骤如下。一是分析工艺控制要求、过程特点：对被控对象以及控制要求、过程详细进行分析，列出所有需求再合理选择；二是输入输出设备：按钮、行程开关、选择开关、传感器为输入设备，接触器、电磁阀及指示灯为输出设备；三是选择最适宜的PLC：在输入与输出点数的基础上增加10%～20%，即为本次估算的数据参考，以数字量I/O 点数10～15 倍加上模拟点数的100 倍为内存总字数，同时在此数值的基础上增加25%作为余量，选择PLC时还要考虑到功能性的问题；四是电源模块：输出的额定电流须比I/O、CPU、专用等模块的电流消耗总和大[8]。

5 结语

综上所述，DCS控制是传统自动化控制的模式，其兼容性是比较差的，而伴随科技的发展与进步，借助模糊PID 算法，PLC 技术能让继电器设备实现自动化控制，且控制效果很好。通过本文后续的对比实验，分析DCS 与PLC 不同模式下的继电器自动化控制情况，发现PLC兼容性更强，多系统运行都正常，同时调节与响应的速度更快，还有高精度、低稳态误差的优点，这正是现代电气工业所追求的目标。由于本文的测试与数据对比模式比较理想化，因此在实际应用中可能会发生误差情况，所以后续会加强测试模式的优化工作，提升测试真实性，这是本研究的不足。