PLC在继电器自动化控制中的应用

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。