基于PLC技术的电气设备连接线自动控制研究

傅卫沁

（上海电子信息职业技术学院机械与能源工程学院，上海 200137）

1 引言

作为先进技术方面的核心领域，电气自动化控制系统在社会中发挥不可代替的作用，引领工业向前迈进。为满足经济发展需要，大型电力工程逐渐兴起，对自动化控制提出更高要求，必须保证电气设备连接工艺符合要求，确保电力工程安全和稳定。电气设备连接线自动控制系统被称为电气设备二次控制回路，是指由若干电气元件组合，用于实现对某个或某些对象的控制，从而保证被控设备安全、可靠的运行，主要功能包括自动控制、保护、监视和测量。如何对这些设备进行合理连接控制，减少人力物力，降低事故发生概率是亟待解决的问题。

针对上述问题，孟光伟等人利用综合应用节点电压法与网络拓扑结构等方法对电气设备控制电路进行实时仿真[1]。结合系统中各功能部件之间存在的网络关系建立拓扑图，生成关系矩阵；通过该矩阵获取各节点电压与支路电阻，使用虚拟万用表测量任意两个节点之间的电压与电阻；根据测量值对连接线信号进行判断，给出相应的控制方法[1]；熊小伏等人首先分析了电器设备容易发生故障的全部原因、类型以及会造成的相应后果，提出电气设备保护与控制的技术体系；引入输变电设备安全区域，将设备可使用时间当作描述安全的主要特征量，构建以安全参量预测为核心的主动控制架构[2]。

但以上两种方法在线路较为复杂时，响应速度慢，控制效果不佳。因此，为确保电力系统可以稳定运行，本文利用PLC(Programmable Logic Controller)技术对电气设备连接线进行自动控制研究。该技术处理性能强，继电器属于其核心结构，在工作过程中无需导线，方便数据处理；控制系统操作简便，工作人员更加容易了解操作指令，提高工作效率；此外安全性更高。通过分析连接线中的电流信号，判断是否会发生过载与短路现象，结合判断结果，PLC控制系统会对连接线作出相应控制与调整，保证电气设备安全运行。

2 电器设备连接工艺与控制原则分析

2.1 连接工艺准备

电器设备连接可分为物资准备、图纸审查与技术交底三部分，连接流程如图1所示。

图1 电气设备安装流程图

(1)图纸审查

在电气设备安装前，组织相关学者对图纸进行全面审查与改进。图纸必须经过三方人员共同认可才能使用。如果其中任何一方有疑问，需要及时提出，在图纸确定后，不允许随意更改。

(2)物资准备

电气设备安装物资主要分为设备元件和施工器械两大类。由于此项工程需要使用设备种类较多，操作复杂，困难程度较高，因此在电气设备操作过程中需要使用辅助器械，一定程度上减少直接操作的困难[3]。

(3)技术交底

现阶段电气设备连接方式较多，一定程度上提高了安装技术难度，因此必须要进行技术交底，突出核心工艺，降低安装难度[4]。此外，还需制定详细的电器设备安装技术，审查所有环节，确保安装质量，降低成本，缩短周期。

2.2 连接线控制原则确定

在完成连接工艺准备后，要制定明确的控制原则[5]：

(1)控制要求与方式相互适应

控制方案并不是越多效果越好，需要分析不同方案的经济效益。如果程序变换较多，采用的编程控制器就会非常复杂。

(2)连接线电源可靠性

一般情况下连接线利用电网式电源，如果电气设备较少则使用电压降离降压法[6]。若要用直流电源，则需确保设备自动化程度较高。在实际操作中，最终控制方案会吸取一定人员经验，因此需灵活运用控制原则。

3 PLC技术的电气设备连接线自动控制

3.1 电流信号流入与数据处理

现场采集到的连续量信号，经过传感器、变送器转变为控制系统能够接受的电流信号，再经过A/D转换，变成系统可以识别的数字量形式[7]。利用PLC取读，并将其储存在某个连续地址中。

但是在实际操作时，会出现较多干扰，例如温度、磁场等，降低采样值精准度。特别是在恶劣环境下，在采集有用信号时，无法避免的掺杂干扰信号，造成数据波动，所以必须对采集信号做滤波处理。

为使系统不受干扰正常工作，一般在系统中设置计算机程序，每一次采样信号组成数据都经过平滑处理，以提高采样值中的有效信号比重，消除干扰信号[8]。

滤波处理就是对信噪比较低的模拟量，经过A/D 转换变成离散数字量，并将生成的数据存进计算机中，通过固定程序对其处理，确保处理后的数据稳定在某个值周围，不会出现较大波动，从而消除干扰信号。数字滤波相当于程序滤波，具有以下优势：

(1)不需要添加硬件设备，只需在数据处理之前加入滤波程序；

(2)可靠性较高，不会出现阻抗匹配问题；

(3)不同滤波通道可共享，节约成本；

(4)使用较为灵活，能够结合实际情况选用不同滤波方法。

滤波方式较多，本文主要利用程序判断法中的限速滤波法。要通过两次差值对比决定能否保留本次结果，具体方法为当|X(2)-X(1)＞△X|，此时X(1)并不是本次采样结果，而需再进行一次采样得到X(3)，结合|X(3)-X(2)|和△X之间的大小关系来确定此次采样值。表示为：

3.2 标度转换

在完成电流信号滤波处理后，PLC 利用传感器、输入通道读取的数字信号都属于无量纲数字量，通常与初始带有量纲的被测值不相等。因此经过滤波得到的有效采样值还不能直接使用，需进行进一步处理，将无量纲数字信号变换为原量纲工程值后才能使用，这就是标度变换，这一过程主要通过编写软件程序实现。

当被测参数和A/D 转换器的输出具有线性关系时，可通过线性变换方法，变换式如下：

公式中，Ax是测量值，Ad与Au分别表示测量仪表量程上、下限数值，Dd和Du分别表示测量仪表上、下限相对的数字量，Dx表示与测量值相对的数字量。

其中Ad、Au、Dd和Du针对某个被测参数而言，它们则属于常数。为使操作方便，通常将测量仪下限值Au对应的转换值设置为0，即Au=0，因此，公式(2)能够变为下述形式：

在某些测量系统中，仪表下限值等于0，即Au=0，这样公式(3)即可简化为：

3.3 电气设备与连接线的过载与短路判断

在获得经过滤波与标度转换的电流信号后，通过分析过载特性与电流短路变化规律，可以判断出电气设备连接是否会出现过载与短路现象，更好地对连接线进行控制。

3.3.1 过载电流

全部电气设备的实际电流都在额定电流以上，统称为过电流，又可以简称过流。造成过流的主要原因有过载和电机单独运行等因素。超负荷属于非正常运行状态，超负荷在一定范围和时间内是被允许的，但长时间过载较为危险，容易造成电线热量积聚，降低电气绝缘水平，造成绝缘击穿，损坏电气设备，热量积聚和电流大小、时间等因素息息相关。

结合国家电力行业规定标准，反时限过流动作曲线公式表示为：

公式中，C表示反时限特征常量，通常情况下，C=0.02表示一般反时限特征，C=1表示非常反时限，C=2表示极度反时限，IB表示基准电流，I表示实际工作的等效电流，t表示反时限过流时间。通过公式(5)获取的电流信号进行判断，即可得出电气设备连接线是否会出现电流过载现象，有助于对其进行有效控制。

3.3.2 短路电流

电气设备中主要短路类型有单相、两相、三相与两相不同接地点短路。其中，三相短路属于对称性短路，其它则为非对称短路。计算短路电流的主要方法有标示值短路法，该方法在运算过程中，通常选用某个数值当做此物理量标准值，其实际物理单位和与其所得的比值就是该物理量的标示值。需要注意的是在挑选标准值时，应满足电磁规律。

本文主要对电气设备连接线短路电流变化规律进行分析。出现短路故障时，电气设备会从正常工作状态转变为短路的稳定状态，通常需要3～5 秒，在此段时间内，电路变化状况十分复杂，将此过程划分为下述三个部分：

(1)正常工作状态

短路发生前的状态为正常工作状态。电气设备在此状态时，三相系统对称，电动势和连接线中的电流由电压、负载阻抗决定。

(2)暂态过程

短路发生后的过渡时间段为暂态过程，电气设备处于此状态时，负荷阻抗短接，此时阻抗值为零。母线电压维持不变，系统外部阻抗降低，因此电流迅速增大，这时会出现一个有较大周期变化的电流iper，又因为电感的存在，还会形成一个和iper反方向的非周期分量iaper。经过以上分析可得，短路电流中含有周期分量与非周期分量。

非周期分量不具备外围的电动势，通常随着时间消耗按照指数规律衰减，正常情况下0.15～0.2 秒能够衰减完成，其衰减公式表示为：

在电力系统网络中Ta≈0.05，非周期分量通常在四个周期范围内即可完成衰减。

周期分量变换规律可描述为：

公式中，iper，t表示在t时间上短路电流分量的有效值。

在短路发生后，首个周期内电流的有效值被称作初始次暂态稳态电流，利用I*表示。公式中，Za代表模糊识别参数。

若通过标示值计算，则方程两侧同时乘以基准电流Ib=Sb/()得到：

经过半个周期后，短路电流瞬时值会达到最大，比周期分量振幅的二倍略低，称该电流为冲击电流，利用Iimp描述，计算公式如下：

公式中，Kimp属于冲击系数，且满足Kimp=()，是时间函数表达式。Ta和短路点到电源之间的电阻相关。冲击系数变动区间为1≤Kimp≤2。

发生三相短路时，结合欧姆定律，次暂态电流计算公式如下：

(3)短路的稳定状态

在短路结束暂态过程经过0.15～0.2 秒后达到稳定状态，此时电流有效值I∞与电流中周期成分的有效值相同，表示如下：

在电气接线发生短路时，稳定状态下的短路电流有效值与次暂态电流有效值相同，即表示如下：

以上即为电气设备连接线出现过载与短路现象时电流变化规律，为实现不同状态下对连接线的有效控制，确保电气设备稳定运行，利用PLC技术设计下述自动控制系统。

3.4 自动控制系统设计

3.4.1 软件编程

PLC的工作方式为循环扫描式，在扫描过程中将工作状态保存到I/O 状态表中，在完成用户命令后，再将控制信号从状态表中发送到执行端。如果在编程过程中不考虑扫描与响应时间，则该系统将无法正常工作。假设要控制某台电机启动，设置如图2所示的程序。

图2 控制程序图

在PLC 技术基础上对该程序进行调节，并未发现任何问题，但在实际操作时，电源发生短路现象。经过研究发现，PLC和接触器的配合出现问题。结合程序操作步骤，在输出点1504断开后，才能接通输出点1505，但事实上在一个扫描周期内，这两个输出点断开与导通条件已经储存在状态表中。然而接触器断开与接通时间是不同步的，其中一个接触器还没有断开，另一个就已经闭合，因此造成短路现象。因此本文在图2基础上对软件编程做出改进，如图3所示。

图3 改进后的控制程序图

3.4.2 硬件连接

PLC是针对工业环境设计的电子设备，但由于工作环境恶劣再加上外围干扰，导致整个控制系统可靠性降低。因此硬件连接重点工作是PLC 的抗干扰，需综合考虑各方面因素，对抗电源干扰与抗负载干扰两方面进行分析。

(1)抗电源干扰

电源质量的稳定程度对系统可靠性存在很大影响。因此必须做到以下几点：动力线、电气设备、与输入等设备的电源需分开供电；交流电源线必须有足够大的截面，避免出现过大压降；通常情况下电源电压波动范围应控制在-15%～10%之间；因为电压波形中会存在脉冲信号，可能造成PLC误动作，所以通过铁磁外壳对逆变器屏蔽。

(2)抗负载干扰

如果负载出现过载等现象，会干扰PLC正常工作，此时需采取如下措施：对于直流感性负载，二极管并联在负载上时，其电流比负载电流大一倍；对于交流感性负载，采用负载并联阻容来吸收冲击电流。

4 仿真实验分析

为确保本文提出的基于PLC技术的电气设备连接线自动控制方法有效性，进行仿真实验。分别利用文献[1]方法、文献[2]与本文控制方法在模拟环境中进行工作。响应曲线是在一定时期内随时间变化的，是用电气设备数据传输过程中重要的过程线，电气设备数据传输是决定响应曲线平衡的重要因素。在电气设备连接线自动控制状态下，是输入信号对输出信号的响应，响应快说明电气设备连接较稳定，效应较慢说明电气设备连接不稳定。对单位阶跃定值扰动响应进行对比分析，仿真结果如图4所示。

图4 不同方法响应曲线图

图5 不同方法控制可靠性对比图

由图4可知，所提方法与其它两种方法相比，系统输出响应速度更快、调节时间更短，这是因为本文利用PLC方法对响应时间进行综合考虑，加快控制信号发送到执行端的速度，实现软件合理编程。此外，还对三种方法对电气设备连接可靠性进行对比，结果如图5所示。

从图5中能够看出，所提方法输出的控制信号较为稳定，而其它方法信号输出起伏程度较大，主要因为本文设计的控制系统能够获取过载与短路电流特征，对电气连接是否出现故障做出准确判断，从而合理控制连接线，使输出的控制信号更加平稳。

5 结束语

PLC技术在电气设备连接线自动控制中的应用，就是将测量技术与控制技术进行有机结合，通过测量电路电流，判断电器设备连接是否会出现过载与短路现象，再利用控制系统结合判断结果对连接线进行自动控制。仿真结果表明，该方法控制可靠性高，能确保电气设备稳定运行。在PLC技术不断发展的今天，人机交互界面将会发生变化，各种类型的控制功能将更好地满足不同的需求。在未来发展中该技术必定会成为各类电气设备控制系统中最为核心的技术之一。