PLC在继电器自动化控制中的应用

张继伟，文立菊

PLC在继电器自动化控制中的应用

张继伟，文立菊

（福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000）

为提高继电器的工作效率，分析PLC对系统的顺序、开关量以及闭环系统的三方面控制的应用，以继电器为对象，进行控制操作性能对比测试，验证应用效果。结果表明，所提研究在电气自动控制领域具有可靠性、灵活性和其他特性的特点，其应用可以有效地提高工作效率。

PLC；继电器；自动化控制

电气设备是电力供应的重要载体和媒介，主要包括发电机、变压器、电力线路、继电器等设备，这些设备的控制直接影响设备的运行状态，而设备的运行状态会直接影响电力供应质量和效率[1-2]。在上述背景下，如何有效地控制继电器运行具有重要的现实意义。

对于继电器自动化控制，国内外都进行了相关的研究，国外在20世纪60年代初开始研究DCS，将其开发并应用于实际控制管理中[3]。中国在20世纪80年代开始引入和开发DCS。20世纪90年代，随着我国电力行业的快速发展，DCS在输配电力设备控制中得到了高度关注和应用。然而，现如今电气设备智能化程度的不断提高，随着PLC的出现和发展，PLC应用领域越来越多，甚至开始慢慢地动摇DCS一直以来的主导地位。

为此，本文进行基于PLC的继电器自动化控制研究。PLC（全称可编程控制器）以微处理作为整个系统的核心和大脑，将控制技术、互联网技术与计算机技术有机地融合在一起[4-5]。在PLC当中，可以进行逻辑运算、算术运算和控制输出等操作。研究分为三部分：PLC研究与分析、控制算法研究以及PLC的控制效果分析。结果表明，与基于DCS的继电器自动化控制相比，本文基于PLC的控制方法解决了兼容问题，提高了控制的可靠性，为我国电力系统的发展和建设提供了一定的支持和动力。

1 PLC技术概述

PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、I/O模块、输入/输出接口、编程器和电源组成，如图1所示[6]。

图1 PLC构成图

PLC运行过程分为输入信号收集，程序执行和输出刷新三个阶段工作[7-8]。

2 PLC技术在继电器自动化控制中的应用

2.1 对系统的顺序控制

PLC技术主要通过传统的继电器控制元素的连续优化来强化控制序列和灵敏度[9]。此外，可以构成自动化设备控制模块的一部分，并且可以有效地实现运行过程中自动化设备的自主控制，可以大大避免由于控制序列故障和设备控制量差引起的各种问题。

2.2 开关量的控制

在电气自动控制中需要积极地提高继电器并优化继电器，并且可以有效地降低控制操作的失败概率。为了提高电自动控制系统的操作质量，可以使用PLC开关值控制技术[10-11]。另外，应用该技术可实现系统整体的集中控制，改善系统的实际运用中的不良部件，有效地保证自动控制系统的使用效率的持续提高。

2.3 对闭环系统控制

传统的电动自动控制系统中，泵马达的启动方法很多。在系统的实际操作中，需要结合每个泵的操作来选择控制模式和控制状态[12]。PLC技术在闭环控制中的适当应用不仅有效地改善了控制系统的安全性和可靠性，而且还可以促进持续改进。

3 应用效果分析

为测试基于PLC的继电器自动化控制效果，以LRD热继电器为对象进行控制操作性能测试，并以基于DCSLRD热继电器自动化控制效果作为对比项。整个测试应用MATLAB/SIMULINK对进行仿真分析。

3.1 LRD热继电器

实验选择一种市售的LRD热继电器作为实验控制对象，如图2所示。该继电器额定电压690V，设置表盘lr、复位按钮、测试按钮和停止按钮；通过螺钉夹紧端子连接；“TH”防护处理，可以在湿热的环境中使用；正常工作的环境温度为-20～+55℃，温度补偿的环境温度为-20～+70℃；额定绝缘电压为1000V，脱扣等级为10A，在出现过载以后，可尽快返回到正常操作状态。

图2 继电器实物图

3.2 PLC选型

目前，PLC类型非常多，因此选型十分重要，关系着合适的PLC才能更好地实现兼容性，提高继电器自动化控制质量和效率[13]。选型中需要考虑以下几点原则：

（1）根据控制方案，选择PLC生产厂家和型号；

（2）控制设备所需的所有I/O点数的数量，选择拥有大于或等于其数量的PLC；

（3）根据系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息等的大小，选择存储器大于其规模的PLC[14]；

（4）根据需要连接的设备数量，选择合适模拟量输入输出模块的PLC；

（5）选择根据需要连接的设备类型，应充分地考虑到兼容性[15]；

（6）根据资金情况，要考虑经济性，选择合适价格的PLC。

根据上述连接的继电器技术指标，选择MX-100PLC作为控制集成硬件，其技术参数如表1所示。

表1 MX-100 PLC技术参数

3.3 基于PLC的仿真控制模型

基于PLC对继电器模拟量实行模糊PID控制，其基本结构框图如图3所示。

图3 仿真控制模型

3.4 PLC兼容性分析

电气自动化设备控制的难点在于传统DCS无法很好地与不同系统的服务器实现很好的兼容[13]，因此在这里用不同系统的服务器平台对本文基于PLC的电气自动化设备控制进行兼容性测试。结果如表2所示。

从表2中可以看出，PLC面对不同系统的不同系统的服务器都保证了正常运行，没有出现DCS无法兼容的情况，证明本方法克服了难点，在一定程度上证明了本方法的性能。

表2 兼容性测试结果

3.5 可靠性测试

虽然本文研究中PLC兼容性得到了保证，但并不能完全保证整体控制可靠性也达到了目标，因此需要进行进一步的测试与分析。表3为可靠性测试仿真结果。

表3 可靠性测试结果

根据表3，得到以响应速度、调节速度和稳态误差为角度的对比试验数据分析结果如下。

3.5.1 响应速度测试

分别采用本文研究方法和基于DCS继电器自动化控制方法进行响应速度测试，在相同的690V直流电压下进行安全测试，通过25组实验检测，对比两种方法下的继电器安全控制反应时间，以此分析不同方法的响应速度。测试对比结果如图4所示。

图4 响应速度测试对比

图4中A1曲线为基于DCS继电器自动化控制方法响应速度曲线，A2为本文基于PLC控制的响应速度曲线。分析图4可知，本文方法反应时间在0.31～0.36s之间，基于DCS继电器自动化控制方法的反应时间在0.46～0.52s之间。对比数据可知，本文研究方法的响应速度快于基于DCS继电器自动化控制方法。

3.5.2 调节速度测试

设置采样周期为0.2s，保证初始值相同的情况下，利用两种方法测得继电器单个故障点后的调节时间，完成调节速度测试，测试对比结果如图5所示：

图5 调节速度测试对比

分析图5可知，本文研究方法调节时间最高为0.15s，基于DCS继电器自动化控制方法的调节时间最低为0.21。对比数据可知，本文研究方法的调节速度由于基于DCS继电器自动化控制方法，可以最快速度调节继电器故障。

3.5.3 稳态误差测试

稳态误差不需要考虑时间因素对误差的影响。稳态误差要在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个容许的限制值。保证初始值相同的情况下，分别采用本文研究方法和基于DCS继电器自动化控制方法进行稳态误差测试，测试对比结果如图6所示。

图6 调节速度测试对比

分析图6可知，本文研究方法的稳态误差接近零，基于DCS继电器自动化控制方法的稳态误差高于本文研究方法。

综上分析，本文基于PLC控制下，继电器的响应速度和调节速度快于基于DCS继电器自动化控制方法，且稳态误差小于0.001，证明本方法的可靠性更好。

3.6 精度测试

通过上述分析，本文研究的可靠性得以验证，但无法证明整体控制精度更高于基于DCS继电器自动化控制方法，因此需要进行进一步的测试与分析。

将继电器工作的完整生命信号划分为1000个数据段，并确定了非零点特征值及其相应的特征向量为综合特征指数，假设该继电器出现了控制回路故障，使用两种方法，诊断三相短路情况，精度测试仿真结果如图7所示。

图7 精度测试对比

分析图7可以看出，本文基于PLC控制下，继电器的精度高于基于DCS继电器自动化控制方法，且稳态误差为零，由此证明本方法的可靠性更好。

4 结论

综上所述，本文将传统DCS的控制缺陷作为本文研究难点，通过PLC，并结合模糊PID算法信息进行了控制研究，并取得了较好的控制效果。

（1）本方法解决了兼容性问题，可靠性得到了很大提高，响应速度低于0.36s，稳态误差接近零，精度在80%以上。

（2）本研究工作仍然具有一些不完善的地方，即本文实验中所建立的继电器仿真控制模型是在理想状态下建立的，未考虑一些复杂的情况，因此得到的结果可能与实际情况存在一定的差异，因此有待于进一步完善其模型，优化仿真结果。

[1] 刘齐，王茂军，高强，等. 基于红外成像技术的电气设备故障检测[J]. 电测与仪表，2019, 56(10): 122-126..

[2] 郑新建，刘玲玲. 基于激光传感器采集信息的电气设备状态分析研究[J]. 激光杂志，2019, 40(7): 179-183.

[3] 韩方源，唐彬，罗宗昌，等. 脉冲进样便携式TOF MS现场检测SF6电气设备中的分解产物[J]. 质谱学报，2018, 39(4): 416-423.

[4] 史朝杨，李俊，孙晓通，等. 一种固态变压器隔离级DAB变换器控制策略研究[J]. 电子器件，2019, 42(5): 1112-1116.

[5] 周凯，丁坚勇，田世明，等. 基于小样本性能数据的电气设备可靠性评估与预测方法研究[J]. 电网技术，2018, 42(6): 1967-1973.

[6] 李剑，王皖君. 基于PLC和HMI的蓄热式锻造加热炉过程控制系统设计[J]. 热加工工艺，2018, 47(11): 163-165.

[7] 郝称意, 王琳娟. 基于PLC的花卉钵苗移栽机自动输送装置[J]. 农机化研究，2018, 40(6): 220-223.

[8] 裴亮, 李晔, 冯耀宁, 等. 基于PLC的喷杆喷雾机变量喷雾自动控制系统设计[J]. 农机化研究，2018, 40(4): 129-132.

[9] 张志舜，牛玉刚. 基于PLC的双向地衡无人值守称重系统的设计与实现[J]. 工程设计学报，2018, 25(3): 360-366

[10] 戴本尧. 基于PLC的注塑机自动控制系统设计[J]. 合成树脂及塑料，2019, 36(1): 72-75.

[11] 杨密，易金玲. 基于PLC的直角坐标机器人控制系统设计[J]. 科技通报，2018, 34(8): 185-188.

[12] 赵志高，周建中，张勇传，等. 抽水蓄能机组复杂空载工况增益自适应PID控制[J]. 电网技术，2018, 12(12): 3918-3925.

[13] 王慧，赵国超，宋宇宁，等. 采煤机调高过程的轨迹跟踪模糊PID控制[J]. 电子测量与仪器学报，2018, 32(8): 164-171.

[14] 霍建楠，王自强. 基于神经网络的摆动电机的模糊PID控制[J]. 电子设计工程，2018, 26(12): 129-138.

[15] 曾丽蓓，张海涛，涂亚庆，等. 基于变论域模糊PID的血透机温度控制方法[J]. 自动化与仪器仪表，2019(11): 16-20.

Application of PLC in relay automation control

ZHANG Ji-wei，WEN Li-ju

(Fujian Electric Power Vocational and Technical College, Fujian Quanzhou 362000, China)

In order to improve the working efficiency of the relay, the application of PLC in three aspects of system sequence, switching value and closed-loop system is analyzed, and the control operation performance is compared and tested with the relay as the object to verify the application effect. The results show that the proposed research has the characteristics of reliability, flexibility and other characteristics in the field of electrical automatic control, and its application can effectively improve the work efficiency.

PLC；relay；automatic control

2021-11-05

2019年福建省中青年教师教育科研项目“低压电气施工技术类课程教学改革与实践”（JAT191351）

张继伟（1982-），男，河南正阳人，副教授，硕士，主要从事电气自动化研究，lonely2021@126.com。

TM76;TP273

A

1007-984X(2022)03-0037-05