周 釗 江蘇省電力設(shè)計(jì)院

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展和熱工自動化水平的提高，可編程控制器（以下簡稱PLC）已在國內(nèi)許多大中型火電廠中廣泛采用，這對保證電廠安全、經(jīng)濟(jì)起到了十分重要的作用，并取得了良好的效果。 PLC合理的選型和設(shè)計(jì)，是PLC 系統(tǒng)應(yīng)用中非常重要問題。

1 PLC系統(tǒng)選型

電廠輔助車間程控的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型。所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)。常用的PLC主要有SCHNEIDER公司的QUNTUM系列、ROCKWELL公司的CONTROLLIGIX5000系列、GE公司的90-70系列及SIEMENS公司的S7-400、300系列等。

1.1 輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算

I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)要考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，模塊增加15%的可擴(kuò)展余量后，PLC安裝機(jī)架預(yù)留10%的余量。

1.2 存儲器容量的估算

大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的30%考慮余量。程序容量一般不超過存儲器容量的80%。

1.3 控制功能的選擇

主要包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能，及診斷功能等的選擇。

（1）運(yùn)算功能

PLC的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能和數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能，較復(fù)雜運(yùn)算功能有函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等，還有模擬量的PID閉環(huán)控制和其他高級運(yùn)算功能。

（2）控制功能

控制功能主要有PID控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，根據(jù)控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸人輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計(jì)數(shù)器單元等。

（3）通信和聯(lián)網(wǎng)功能

通信聯(lián)網(wǎng)的增強(qiáng)是現(xiàn)代PLC技術(shù)進(jìn)步的趨勢，通信和聯(lián)網(wǎng)分為兩種：一種是PLC之間的聯(lián)網(wǎng)通信，各PLC廠家都有專門的聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，另一種是PLC與工控機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通信，PLC有專用的通信模塊與工控機(jī)連接。

（4）編程功能

PLC的編程有5種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（IEC61131-3 ）。

（5）診斷功能

PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的信號燈判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷。

（6）處理速度

PLC采用掃描方式工作，從實(shí)時(shí)性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好。處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度等有關(guān)。目前，PLC接點(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約0.2～0.4 /μs，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。

1.4 機(jī)型的選擇

（1）PLC的類型

PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類;按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸人輸出點(diǎn)數(shù)選型。

（2）輸入輸出模塊的選擇

輸人輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。

（3）電源的選擇

PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源設(shè)計(jì)選用220 VAC不間斷電源。

（4）冗余功能的選擇

1） CPU模塊、通信模塊及電源模塊均應(yīng)1：1冗余。

2）在需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余系統(tǒng)等。

2 PLC設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題

2.1 工作環(huán)境

（1）溫度 一般PLC要求環(huán)境溫度在0～55oC，安裝時(shí)應(yīng)避開大的熱源，不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。

（2）濕度 為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應(yīng)小于95%（無凝露）。

（3）震動 應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動源，防止振動頻率為10～55 Hz的頻繁或連續(xù)振動。當(dāng)附近有震動源時(shí)，應(yīng)對PLC的安裝采取減震措施。

（4）空氣 避免有腐蝕和易燃的氣體，對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或IP65的控制柜中。

（5）電源 PLC對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，將屏蔽層接地，以減少設(shè)備與地之間的干擾。

2.2 控制系統(tǒng)中干擾及其來源

（1）電網(wǎng)干擾

PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電?？倳型獠扛蓴_信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。

（2）變頻器干擾

變頻器啟動及運(yùn)行過程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；變頻器的輸出會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾。

2.3 主要抗干擾措施

（1）對于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。

（2）安裝與布線

1） 動力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應(yīng)分開布線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應(yīng)采用雙絞線連接。將PLC的IO線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內(nèi)，分開捆扎交流線、直流線，若條件允許，分槽走線最好，這不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到最低限度。

2）PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源如大功率硅整流裝置和大型動力設(shè)備，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)。與PLC裝在同一個(gè)柜子內(nèi)的電感性負(fù)載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。

3） PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端接地。

4）交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動力線，避免并行。

（3）正確選擇接地點(diǎn) 完善接地系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層。

1）安全地電源接地

將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。如電源漏電或柜體帶電，可從安全接地導(dǎo)入地下，不會對人造成傷害。

2）系統(tǒng)接地

PLC控制器為了與所控的各個(gè)設(shè)備同電位而接地，叫系統(tǒng)接地。接地電阻值不應(yīng)大于10Ω，一般需將PLC設(shè)備系統(tǒng)地和控制柜內(nèi)開關(guān)電源負(fù)端接在一起，作為控制系統(tǒng)地。

3）信號與屏蔽接地

一般要求信號線必須要有唯一的參考地，屏蔽電纜遇到有可能產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的場合，也要在就地或者控制室唯一接地（即單端接地）。信號源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地；不接地時(shí)，應(yīng)在PLC側(cè)接地；信號線中間有接頭時(shí)，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地；多個(gè)測點(diǎn)信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接點(diǎn)。

（4）對變頻器干擾的抑制

1）加1：1隔離變壓器，主要是針對來自電源的傳導(dǎo)干擾，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。

2）使用濾波器，濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，還具有防止將設(shè)備本身的干擾傳導(dǎo)給電源。使用輸出電抗器，在變頻器到電動機(jī)之間增加交流電抗器主要是減少變頻器輸出在能量傳輸過程中線路產(chǎn)生電磁輻射，影響其它設(shè)備正常工作。

3 結(jié)語

PLC是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動化控制的設(shè)備，按工程需要合理的選型，可以達(dá)到較高的性價(jià)比，盡管可靠性較高，抗干擾能力較強(qiáng)，但當(dāng)電廠環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，就可能造成程序錯(cuò)誤或運(yùn)算錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設(shè)備的失控和誤動作，從而不能保證PLC的正常運(yùn)行，要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面，要求設(shè)計(jì)、安裝和使用維護(hù)中引起高度重視，才能保證所實(shí)施的工程順利完成。