基于PLC为基础的电排站现地控制设计分析
时间：2023-02-23 13:05:07 来源：千叶帆 本文已影响人
池荣玉
（梅州市梅州大堤管理处，广东 梅州 514000）
PLC是一类可编程逻辑控制器，是为了适应工业环境下设计的数字运算操作电子系统。该系统使用了可编程存储器，在内部存储执行定时、计数、逻辑运算、顺序控制、算术运算等面向用户的指令，最后通过数字或模拟输入/输出来控制机械设备或控制生产过程。
以梅州市某电排站为例，该电排站属于综合水利工程，其主要特点是兼具防洪以及排水等功能，为目标城市提供水利管理便利。梅州市某电排站使用了6台轴流泵，单台设备的装机的容量大致为155 kW，配备了JSL128-8型三相异步电动机，总装机的容量达到了930 kW，工程的整个监控中心位置处于前风放电站中央控制室，用于监控包括6台轴流泵、排水系统、水闸、排水闸、分发系统和全程在内的整个枢纽设备的运行情况。该电排站项目按照“无人值班，远程操控”的要求进行规划设计。该项目由综合保护系统、闸门控制系统、泵站控制系统和PLC组成。柜控及电排站视频监控系统。
1.1 水泵电机控制系统设计
该电排站通过水泵高低压配电系统为发电机提供了380 V的正常工作电压，设计了本地和远程两种控制方式，共有三种模式：本地、远程和非受控状态，在这几种模式下可以实现水泵的手动操作、自动操作、远程启动、运行状态显示、信号显示等功能，详细功能参见图1。接触器KM1、KM2、KM3用于控制启停和手动切换，对电路形成自锁保护元件。时间继电器延迟启动并保护电路过流。断路器OF是电源电路的开关，主要作用是保护电路，防止超出电路能承受的电压或电流经过。熔断器（fuse）用于过流保护，防止损坏其他元件，申元的初级变压器采用380 V、6.3 V的次级变压器给电路供电，在指示灯电源接线处可以分为两部分，一个连接到机柜中的控件，另一个连接其他控件，利用中间继电器节点和PLC系统连接，从而实现PLC对水泵的远程控制和保护，另外一部分接入综合保护柜，主要用来采集水泵的实时电压、当前电流、相位情况等信号，如图1所示。
PLC控制水泵电机整套装置会用到接触器、保险丝、继电器、按钮、断路器和通用转换开关、电源变压器以及其他组件等。下面是该组件的一些用途的概述。
交流接触器：交流接触器是能够通过自动控制的一种电气装置，主要的作用是能够在交流电路当中进行连接或者中断任务，整个接触器是可以通过远程进行操作，同时，使用继电器能够有效地控制和对其装置进行定时操作，而在整个自动化控制的电路当中，都将其运用到过压保护、欠压保护等相关技术。
断路器：利用断路器可以实现在正常电路状态下，对电流进行切断、流动操作，也可以在短路等异常电路条件下通过或切断，电流的开关器件可以在规定的范围内打开和关闭，该装置可有效分配电能，确保异步电机、电机和电源线不会异常启动，当发生异常过载、短路或过压故障时，电路可自动关闭。此外，对于复合过载过热继电器以及熔断器的开关，基本上都是将故障电流进行关闭，并将原件更换。
继电器：继电器主要的作用是加强继电保护以及对自动控制系统重触电的数量以及容量进行增强，而对于电路传输的控制，通常情况下都是使用中间的信号进行操作，整个继电器的原理以及结构与交流接触器相比，并没有明显的差异性，并且继电器只有在控制电路的过程中能够使用到，存在一定局限性。在过载能力小的条件下，继电器并没有一个主触点，因此其触电的数量相对来说比较多，但大部分都只能作为辅助触点。此外，整个电源在常规情况下提供出来的均是直流电源。中间继电器主要用来进行中间信号的传输和转换，而时间继电器则是用来提供电路开启同时可以达到关闭延迟的效果，热继电器是利用了电流的热效应来保护电机的一种继电器，可以有效防止电机因为气体、过电流和过热等原因而造成的损坏。
按钮：通常用来控制电气设备的开关，以及控制电机或电气设备的运行和中断。
保险丝：用于防止和避免电路过载的安全装置。如果电流强度超过安全值，保险丝就会自然熔断，电路随之被切断。
万能开关：具有多个档与多个回路。可以同时控制多个电路，根据实际情况进行切换调整。
行程开关：行程开关是根据开关具有的机械运动部件移动触点，来实现对电路的断开或接通。而这类开关常用于对机械活动有一定限制的系统或行程中，并允许机器在满足某些条件时可以实现自动前进、改变速度、倒退、往复或停止等操作，操作效果类似于按钮操作，一旦限位开关进行机械移动，控制电路就可以实现电路的接通或断开。
接线端子：用作添加和连接其他附件的一种电气连接附件。
电力变压器：主要功能是对电压大小进行转换，常用于电力传输过程中降低电损耗。
变压器：常见的变压器一般可分为电压互感器和电流互感器两大类。变压器是一种电压转换装置，具有电压分离和转换两种功能，将高压侧回路或低压侧回路的高压转换为低压，并具有测量保护等功能，供应电流互感器是一种具有电绝缘和转换功能的双作用电流转换装置。
1.2 PLC控制系统设计
将可编程逻辑控制器（PLC）作为PLC控制系统的核心：再加上电排站所需要的配备的一些特殊功能器件，组合成相应的控制单元。PLC是在继电器基础上开发的数字操作电子系统，该系统主要应用于各种恶劣的工作条件。不但可以对想要更改的存储器内容进行指定编程，而且还可以提供算术逻辑操作、利用计数操作、定时操作、内部存储程序存储以及面向用户的指令的顺序控制。为了控制各种形式的机械操作或在制造过程中，数字或模拟I/O方法向控制器发送和接收命令。定序器和相关的外部控制设备可以扩展其功能的相关设计，并结合全行业的控制系统，形成一个系统。PLC 系统的主要优点如下所示：
（1）可靠程度高，不易被干扰。首先，PLC系统研发的初衷即在恶劣环境下能够进行电路的控制操作，被广泛地应用于各种工业用途，PLC能够为电排站提供稳定的电路控制，另外还有后备电源对实时数据和应用程序进行保护。在硬件方面看，使用到最先进的电源，严格控制电路质量，尽可能减少电磁接触，采取光电隔离的方式，减弱对PLC系统的干扰。另外优化模拟和数字滤波等对策，精简控制元件的数量。
（2）系统可编程和使用简单。定序器操作便捷和使用简单，通常无需担心PLC接口等问题，只需合适的驱动程序即可完成大部分的接线控制任务。另外可以使用梯形图语言的编程方法对PLC程序进行编程，原理与继电器比较相似，同时也便于操作管理人员学习与应用。
（3）功能齐全，应用灵活。PLC系统具有数字/模拟输入/输出功能、定时计数功能、算术和逻辑运算功能以及比较和代码转换等各种基本功能。在PLC技术中，可扩展PID模块、网络通讯功能、自动监控报警等应用，在扩展应用和功能之后，PLC 系统能实现更多复杂的功能、满足更多工业场景的使用，对于一些不同规模的控制要求，也可轻松扩展外部连接，从而适应设计工艺要求和产品规格的变化。
规划输入/输出单元，设计PLC程序，包括对每个模拟通道的内部数据设备和外部变量的定义，并进行PLC内部资源分配的首进位。这部分工作完成后，可按照上述介绍的接口电路对需要的外部设备和控制器按照设计思路进行连接，然后可以将控制过程中使用到的输入/输出和线路连接图确定下来，最后再进行逻辑编程，使用要求的编程软件完成项目。需要特别注意：电排站的本地控制软件部分是模块化的，主要是在软件设计过程中，由PLC柜内的PLC控制，可以设计为主循环程序、模拟数据设计、水泵控制系统设计、控制器与变压器的控制设计、门控设计、热感应启动、高低电压断路器。
2.1 PLC314组织块设计
只针对主控程序OB1（主循环模块）在不同条件下调用不同的子模块来操作PLC扫描循环的方法，这种方法既可以加快执行速度，又可以方便程序。可设计用于现场调试，主要程序OB1实现巡视操作，CPU 执行热启动，OB100 作为初始化模块的设备的热启动，OB100程序执行一行初始化变量。在该排放站工程中，水泵启动、停止，闸门上升和下降控制被初始化，因此下一阶段操作不应该受到之前程序行为的影响，这部分设计是整个程序设计的核心，因为程序的每个部分都是轮流运行的。流程图OB1和OB100热启动流程图基于图2的模块化设计方法流程图 Master OB1 OB100 热启动流程图给定设计流程启动器，如图2所示：
在该排放站程序中，OB1的执行模式从FC1到FC7依次执行，可以成功完成对闸门、水泵、断路器等设备的顺序控制。而OB100 可以实现对水泵和闸门的启动和停止初始化每个周期的上升和下降，以确保每个循环指令能够正确启动并接收正确指令执行。
2.2 水泵控制程序设计
水泵控制程序主要工作是管理水泵的启动、停止以及发生故障后能够实现水泵的自动保护。需要对正常工作状态下的水泵的运行情况进行分析，确保水泵的启动按钮只有在水泵处于自动状态时才能打开，由于水泵不处于运行状态可以启动水泵，具有保护作用，如果条件不足，泵的启动输出自锁，以保护连续运行，泵也通过停止按钮停止或紧急停止以停止泵输出。可以根据逻辑指令和相应的信息为水泵设置具体的启停控制条件，确定安全启停水泵。根据水泵的正常工作特性对水泵的相应状态设计程序地址，同时对启动状态的1号水泵及其地址表进行核验，确保无误。同理，在指定水泵的程序地址后，数字输入指令(I)、数字输出(O)和一些内部继电器(M)地址将会显示水泵的实际状态、信号和当前操作，管理人员可以看到显示并进行处理操作。
文章介绍了整个放电站就地控制装置的设计过程，描述整个电排站的PLC控制系统和控制过程的重要性，从硬件、软件、通讯，以及日后的调试和维护等方面的内容，为今后同类电排站建设提供参考。
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