PLC在继电器自动化控制中的应用

2023-01-22 13:32曹亚红
南方农机 2023年1期
关键词:响应速度继电器电气设备

曹亚红

(吕梁职业技术学院,山西 吕梁 032300)

电气设备对于电力系统的稳定运行起到关键性的作用,作为电力系统的运输载体,提升电气设备的运行效率和稳定性,才能实现电力的持续供给。常见的电力设备包括变压器、继电器、发电机、电力线路等,这些设备的运行情况是否良好,决定着电力系统是否高效稳定[1]。我国在20世纪80年代逐步引入DCS,实现对继电器的自动化控制。20世纪90年代,随着电力行业的快速发展,DCS开始广泛应用到输配电力设备控制领域。随着科技的进步,PLC技术被逐渐应用在电气设备领域,并开始动摇DCS的地位。PLC是一种可以编辑的控制器,有着微小、灵活的特点,是系统的大脑和核心[2]。PLC技术实现了计算机技术、控制技术以及互联网技术的融合,实现了电气设备的智能化控制。通过对比PLC和DCS发现,PLC技术的兼容性更好,可以保证继电器控制的稳定性,逐步成为电气设备的主流控制技术。

1 PLC技术概述

PLC又称可编程逻辑控制器,属于一种具备编程功能的存储器,可以在其内部进行程序的存储,按照一定的逻辑运算,实现各种指令。例如,通过数字输入/输出的方式,进行设备的控制。PLC类似于一个小型的计算机,有着类似的硬件结构,由CPU、显示面板、I/O板、内存和电源等构件组成。

PLC的优势十分明显。首先,方便快捷。通过简单的编程,即可实现对设备的控制。PLC有着简明的编程语言,可在线进行程序的编辑和修改,不用更换硬件。其次,功能全面,性价比高。PLC麻雀虽小,但功能非常全面,内部有很多的编程元件,可以实现复杂化的指令控制,借助互联网,还可以实现集中管理、分散控制。最后,安装调试简单且有着不错的兼容性。PLC的程序控制功能可以代替很多的部件,例如计数器、时间继电器等,大幅度减少安装的工作量[3]。PLC的兼容性可以更好地应用到很多控制领域。

2 PLC技术在继电器自动化控制中的应用

2.1 系统顺序控制

PLC技术通过连接继电器控制元素实现对继电器的自动化控制,PLC构成图如图1所示。借助PLC,将继电器控制端连接,通过对PLC的编程,输入控制指令,从而实现对继电器的自动化控制。

图1 PLC构成图

2.2 开关量控制

为了提升继电器的控制效率,降低控制失败的概率,需要优化继电器的控制操作,提升自动化控制的质量,可以通过PLC技术实现对开关量的控制,例如,PLC开关值控制技术。借助PLC开关值控制技术,可以实现集中控制,提升控制系统的效率。

2.3 闭环系统控制

以往关于自动控制,主要采取泵马达的控制方式。实际操作过程中,需要借助泵的操作,进行控制状态和模式的选择[4]。PLC技术可以在闭环系统中进行控制,一方面保证系统控制的安全性,另一方面也提升了系统控制的可靠性。

3 继电器应用PLC技术分析

为了更好地验证PLC技术在继电器控制中的应用效果,将LRD热继电器作为研究的对象,分析PLC的系统控制,并通过对比的方式,对比DCSLRD热继电器自动化控制效果。测试过程采取MATLAB/SIMULINK的仿真分析方式。

3.1 LRD热继电器

实验过程中,选择一款市场在售的LRD热继电器,如选择继电器额定电压为690 V,额定绝缘电压为1 000 V,脱扣等级10A,用螺钉夹连接端子,设置开始、停止、复位按钮,“TH”防护处理,保证其可以应用到湿热环境,正常工作环境温度为-20 ℃~55℃,补偿环境温度为-20 ℃~70 ℃。

3.2 PLC选型

由于PLC存在很多的类型,选择合适的类型非常重要,考虑到兼容性的要求,合适的PLC才能具备良好的兼容性,才能保证继电器设备的控制效率和质量[5]。关于PLC选型工作,需要关注的内容包括:按照继电器设备控制的要求,进行PLC型号和厂家的选择;PLC的I/O点数量需要等于或者大于控制设备所需的数量;结合用户程序、系统程序、逻辑变量等信息大小,保证PLC存储器大于这些信息大小;结合设备连接的要求,选择合适的输入输出模块;根据设备的不同类型,考虑控制系统的兼容性;根据资金预算情况,从经济角度出发,选择合适的PLC。按照上面提到的继电器型号,选择MX-100PLC,尺寸为128 mm×107 mm×40 mm,额定电压DC18 V~36 V,功耗5 V/0.55 A,绝缘阻抗5 MΩ以上(DC500 V),所有外部端子与地之间抗干扰性,峰值为2 000 Vp-p,频率为5 kHz,数字量输入点数为12,数字量输出点数为12,模拟量输入点数为4,模拟量输出点数为2。

3.3 仿真控制模型

基于PLC技术,针对继电器自动化控制,采取模糊PID控制的方式,仿真控制模型如图2所示。

图2 仿真控制模型

3.4 PLC兼容性分析

传统电气自动化控制,主要采取DCS的控制方式,但是这种控制方式由于兼容性问题,无法实现不同系统的兼容,因此,增加了电气设备的控制难度[6]。使用PLC对继电器进行自动化控制,由于PLC的兼容性好,可以取得更好的控制效果。针对PLC系统做兼容性测试,通过兼容性测试,发现其在具备常规装机必备软件Windows 2000 、Windows XP、WIN7、WIN10、服务端、数据库服务器时都能正常运行,而且浏览器INetscape、Firefox、Maxthon也能正常运行。由此可以得出,即便是在不同系统之中,PLC也有着不错的兼容性,没有出现传统DCS控制无法兼容的状况,可以表明PLC系统应用的可能性。

3.5 可靠性测试

不管是什么系统,PLC均有着不错的系统兼容性,但是应用PLC是否可以保证自动化控制的效率和质量,能否实现高效控制,需要对其采取可靠性测试。将其与DCS对比,经过5次测试,取平均值,其中PLC的响应时间、调节时间以及稳定性误差分别为0.322 s、0.132 s、0.000 5。而DCS也经过5次测试,取平均值,其响应时间、调节时间以及稳定性误差分别为0.494 s、0.222 s、0.001 4,由此可以看出PLC可靠性要更好。

1)响应速度测试。通过对比测试的方式,分别测试DCS控制和PLC控制下继电器的响应速度,同样的电流环境下,选择690 V直流电压分别进行25组测试,对比不同控制模式下继电器的响应时间,以此确定不同控制模式下的控制响应速度[7]。通过响应速度测试对比得出,DCS控制模式下和PLC控制模式下,继电器有着不同的控制响应时间。对比两种数据,不难看出,DCS控制模式下,继电器响应时间保持在0.46 s~0.52 s;PLC控制模式下,响应时间保持在0.31 s~0.36 s。从响应时间来看,PLC控制模式更加具有优势,响应速度更快。

2)调节速度测试。对比控制响应速度之后,对比两种模式下的调节速度[8]。相同的初始值之下,每0.2 s作为一个采样周期,通过不同的控制方式,对继电器进行调节,从而获得调节速度数据。通过调节速度测试对比可以得出不同模式下的不同调节速度。采取PLC控制模式,调节时间最高不超过0.15 s,采取DCS控制模式,调节时间最低值为0.21 s,可以看出两者的差距。对比调节时间数据,可以得到,PLC控制模式调节速度更快,可以在短时间内完成故障处理。

3)稳态误差测试。稳态误差无需考虑时间对数据误差的影响,保证兼顾设备各项性能指标的前提之下,尽可能地缩小某个限制值[9]。例如,选择相同的初始值,分别采取DCS控制和PLC控制,分析两者的稳态误差,经过测试,对比两者的误差数据,可以发现PLC控制模式下,稳态误差更加接近0,DCS控制模式下则有更高的误差。说明PLC控制模式的误差更小。综上所述,在PLC控制继电器模式下,无论是响应速度还是调节速度,均有着明显的优势,且该模式下,稳态误差比较小,低于0.001,说明该模式的稳定性和可靠性较高。

4)精度测试。完成对可靠性的分析之后,需要进一步对比分析两种模式下的控制精度,需要通过测试的方式,证明PLC控制模式相较于DCS控制模式,有着更高的控制精度[10]。通过测试的方式,首先,对继电器进行信号的划分,可以将其分为1 000个数据段,明确非零点特征值、相应特征量等数据指标,如果电气设备出现故障,使用两种控制模式,对故障进行诊断。通过对比,可以看出PLC控制模式有着更高的精度。

4 结束语

综上所述,传统的电气自动化控制模式为DCS控制,存在着兼容性差的问题。随着科技的发展进步,PLC技术通过模糊PID算法的方式,能实现对继电器设备的自动化控制,有着不错的控制效果。笔者通过测试对比的方式,分别对比PLC控制模式和DCS控制模式下,继电器自动化控制的实际情况。PLC有着很好的兼容性,可以兼容不同的系统,响应速度快、调节速度快、稳态误差接近0且精度超高。文中的数据对比和测试,建立在理想模式之上,遇到复杂的实际情况,可能存在一些差异。因此,需要对测试模式加以优化,保证测试效果的真实性。

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