PLC控制系统在火力发电厂的应用及注意事项.pdf

P L C 控制系统在火力发电厂的应用及注意事项 张明 大唐户县热电厂运城项目部，山西运城0 4 4 6 0 2 摘要主要论述了P L C 控制系统的发展方向、应用领域，以及P L C 系统自身的一些特点，并重点论述了其在安装、使 用过程中的注意事项扣对系统、设备、环境的要求、标准。分析了P L C 在实际使用过程中出现的一些常见问题，为P L C 系统 今后的应用和普及总结出经验和方法。 关键词P L C ；抗干扰；布线；接地；控制系统；开关量；模拟量 中图分类号T P 2 7 3文献标识码A文章编号1 0 0 4 3 7 3 X 2 0 1 0 2 3 一0 1 7 7 0 4 A p p l i c a t i o na n dP r e c a u t i o n so fP L CC o n t r o lS y s t e mi nP o w e rP l a n t Z H A N GM i n g Y u n c h e n gP r o j e c tD e p a r t m e n t 。H u x i a nT h e r m a lP o w e rP l a n t ．Y u n c h e n g0 4 4 6 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，a p p l i c a t i o n sa n ds o m ec h a r a c t e r i s t i c so fP L Cc o n t r o ls y s t e m sa r ed i s c u s s e d ．T h e n o t e si nt h ei n s t a l l a t i o na n du s a g ep r o c e s so ft h es y s t e m ，t h er e q u i r e m e n t sa n ds t a n d a r d sf o rt h ee q u i p m e n t s ，e n v i r o n m e n ta n d s y s t e ma r ep r o p o s e d ．T h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gm e t h o d sf o rs o m ec o m m o np r o b l e m se x i s t e di na c t u a lu s a g ea r ei n t r o d u c e d ． S o m ee x p e r i e n c e sa n dm e t h o d sa r eg i v e nf o rt h ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no fP L Cs y s t e m ． K e y w o r d s P L C ；a n t i - j a m m i n g ；w i r i n g ；g r o u n d i n g ；c o n t r o ls y s t e m ；s w i t c hq u a n t i t y ；s i m u l a t i o nq u a n t i t y 多年来可编程控制器 以下简称P L C 从其产生到 现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱 到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域 从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、 过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的P L C 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能 力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备， 在各行各业发挥着越来越大的作用。 1 P L C 的应用领域 目前P L C 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化 工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及 文化娱乐等各个行业。在运城电厂主要有化学制水、生 活污水处理、工业废水处理、凝结水精处理等。有关 P L C 的使用情况主要分为如下几类[ 1 ] 。 1 ．1开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制， 既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控。如水泵 的启停、阀门的开关、制水系统顺控、干除灰系统等。 1 ．2 工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流 收稿日期2 0 1 0 - 0 7 2 0 量、液位和速度等连续变化的量 即模拟量 ，P L C 采用 相应的A ／D 和D ／A 转换模块及各种各样的控制算法 程序来处理模拟量，完成闭环控制。P I D 调节是一般闭 环控制系统中用得较多的一种调节方法r 2 。过程控制 在冶金、化工等场合有非常广泛的应用，运城电厂主要 应用在中央空调、采暖加热系统。 1 ．3 运动控制 P L C 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般 使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电 机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机 床、机器人、电梯等场合。 1 ．4 数据处理 P L C 具有数学运算 含矩阵运算、函数运算、逻辑 运算 、数据传送、数据转换、排序、查表等功能，可以完 成数据的采集、分析及处理∞] 。 1 ．5 通信及联网 P L C 通信含P L C 间的通信及P L C 与其他智能设 备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的 P L C 都具有通信接口，通信非常方便。 2 P L C 的应用特点 2 ．1 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。P L C 由于 1 7 7 万方数据 采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制 造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可 靠性。使用P L C 构成控制系统，和同等规模的继电接 触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至 数千分之一，故障也就大大降低。此外，P L C 带有硬件 故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。 在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊 断程序，使系统中除P L C 以外的电路及设备也获得故 障自诊断保护。这样，整个系统的可靠性极高n 咱] 。 2 ．2 配套齐全，功能完善，适用性强 P L C 发展到今天，已经形成了各种规模的系列化 产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处 理功能以外，P L C 大多具有完善的数据运算能力，可用 于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现， 使P L C 渗透到了位置控制、温度控制、C N C 等各种工 业控制中。加上P L C 通信能力的增强及人机界面技术 的发展，使用P L C 组成各种控制系统变得非常容易[ 7 ] 。 2 ．3易学易用，深受工程技术人员欢迎 P L C 是面向工矿企业的工控设备。它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图 形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉 电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控 制打开了方便之门[ 8 ] 。 2 ．4 系统设计的工作量小，维护方便，容易改造 1 设计与维护 P L C 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制 设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩 短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一 设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。特别适 合多品种、小批量的生产场合。 2 安装与布线 动力线、控制线以及P L C 的电源线和I ／0 线应分 别配线，隔离变压器与P L C 和I ／0 之间应采用双绞线 连接。将P L C 的I ／O 线和大功率线分开走线，如必须 在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许， 分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离， 并能将干扰降到最低限度。 P L C 应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装 置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关 柜内。在柜内P L C 应远离动力线 - - 者之间距离应大 于2 0 0r a m 。与P L C 装在同一个柜子内的电感性负 载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联R C 消 弧电路。 P L C 的输入与输出最好采用分开走线，开关量与 模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽 17 8 线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层 电阻的1 ／1 0 。 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出 线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。 3 I ／O 端的接线 输入接线输入接线一般不要太长。但如果环境干 扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些；输入／输 出线不能用同一根电缆，输入／输出线要分开；尽可能采 用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电 器原理图一致，便于阅读。 输出连接输出端接线分为独立输出和公共输出。 在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压， 但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的 电源。由于P L C 的输出元件被封装在印制电路板上， 并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将 烧毁印制电路板。采用继电器输出时，所承受的电感性 负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电 感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。P L C 的输 出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直 流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体 管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护∽J 。 3 P L C 应用中需要注意的问题 P L C 是一种用于工业生产自动化控制的设备， 一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使 用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力 较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安 装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产 生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动 作，从而不能保证P L C 的正常运行。要提高P L C 控制 系统可靠性，一方面要求P L C 生产厂家提高设备的抗 干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起 高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系 统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题。 3 ．1 工作环境 1 温度P L C 要求环境温度在0 ～5 5 ℃，安装时 不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应 足够大。 2 湿度为了保证P L C 的绝缘性能，空气的相对 湿度应小于8 5 ％ 无凝露 。 3 震动应使P L C 远离强烈的震动源，防止振动 频率为1 0 ～5 5H z 的频繁或连续振动。当使用环境不 可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶。 4 空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如化学的 酸碱等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境， 万方数据 可将P L C 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。例 如电厂的干排渣、干除灰等，在基建后期增加了封闭 小屋。 5 电源P L C 对于电源线带来的干扰具有一定的 抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的 环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少 设备与地之间的干扰。一般P I 。C 都由直流2 4V 输出 提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用 直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的 影响，容易使P L C 接收到错误信息n ⋯。 3 ．2 控制系统中干扰及其来源 现场电磁干扰是P L C 控制系统中最常见也是最易 影响系统可靠性的因素之一。 1 干扰源及一般分类 影响P L C 控制系统的干扰源，大都产生在电流或 电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对 设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生 电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰 和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电 网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共 态 同方向 电压叠加所形成。共模电压通过不对称电 路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件 损坏 这就是一些系统I ／O 模件损坏率较高的主要原 因 ，这种共模干扰可为直流，亦可为交流。差模干扰是 指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在 信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成 的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制 精度。 2 P L C 系统中干扰的主要来源及途径 强电干扰P L C 系统的正常供电电源均由电网供 电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰 而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关 操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的 谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源 原边。 ● 柜内干扰控制柜内的高压电器，大的电感性负载， 混乱的布线都容易对P L C 造成一定程度的干扰。 来自信号线引入的干扰与P L C 控制系统连接的 各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会 有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径一是通 过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的 电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射 感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重 的。由信号引入干扰会引起I ／O 信号工作异常和测量 精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。 来自接地系统混乱时的干扰接地是提高电子设备 电磁兼容性 E M C 的有效手段之一。正确的接地，既 能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰； 而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使P I 。c 系 统将无法正常工作。 来自P L C 系统内部的干扰主要由系统内部元器 件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射 及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及 元器件间的相互不匹配使用等。 变频器干扰一是变频器启动及运行过程中产生谐 波对电网产生传导干扰。引起电网电压畸变，影响电网 的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射 干扰，影响周边设备的正常工作。 3 ．3 主要抗干扰措施 1 电源的合理处理，抑制电网引入的干扰 对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层 的变比为1 1 的隔离变压器，以减少设备与地之间的 干扰，还可以在电源输入端串接L C 滤波电路。 2 正确选择接地点，完善接地系统 良好的接地是保证P I 。c 可靠工作的重要条件，可 以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有 两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接 地系统是P L C 控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 P L C 控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地 和保护地等。接地系统混乱对P L C 系统的干扰主要是 各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位 差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏 蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A ，B 都接地， 就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态 如雷击时，地线电流将更大。 此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路， 在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通 过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地 与其他接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上 产生不等电位分布，影响P L C 内逻辑电路和模拟电路 的正常工作。P L C 工作的逻辑电压干扰容限较低，逻 辑地电位的分布干扰容易影响P L C 的逻辑运算和数据 存储，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的 分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真 和误动作。 安全地或电源接地将电源线接地端和柜体连线接 地为安全接地。如电源漏电或柜体带电，可从安全接地 导人地下，不会对人造成伤害。 系统接地；P L C 控制器为了与所控的各个设备同 电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不得大于4Q ， 】7 9 万方数据 ■冒_ 冒园国■墅塑里兰g 鳖型丞绫垄丛塑蕉鱼[ 笪应旦壁逵垂蔓亟 一般需将P L C 设备系统地和控制柜内开关电源负端接的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的 在一起，作为控翻系统地。人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制 信号与屏蔽接地一般要求信号线必须要有惟一的场合的需求，P L C 作为自动化控制网络和国际通用网 参考地即“单点接地”，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干络的重要组成部分，将在工业控制领域发挥越来越大的 扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成作用。 黛篓乡二，算号源彗竺苎，曼蝥曼竺兰竺三掣篓鬯至 参考文献 接地时，应在P L C 侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽 。。 一⋯ 层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地； [ 1 1 张鹏举，陈谦，王建明．交流励磁发电机定子磁场定向的矢 多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连 量控制研究[ J ] ．电网与清洁能源，2 0 0 9 ，2 5 1 1 4 9 5 2 接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当 [ 2 ] 王啸东，阚子振，陈跃龙基于人机界面的P L C 控制系统设 的接地处单点接点。 计[ J ] 科技信息学术版, 2 0 0 6 1 2 2 6 7 - 2 7 0 ． 3 对变频器手扰的抑制[ 3 1 妻竺生P L c 编程理论、算法及技巧[ M ] 北京机械工业出 变频器的干扰处理一般有下面几种方式加隔离变 [ 4 ] 4 苫奚杰，邹和平，赵兵．国内低压电力线载波通信应用现状 压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部 分析[ J ] ．电网与清洁能源，2 0 1 0 ，2 6 4 3 3 3 6 ． 分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前；使用滤波器，滤 [ 5 ] 陈喜新，叶超平．新丰江电站厂用电及自投控制系统技术改 波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的 造口] ．电网与清洁能源，2 0 0 9 ，2 5 7 7 3 7 6 ． 干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能；使用 [ 6 ] 邹碹．3 0 0M W 机组火力发电厂交流保安电源接线方案声 输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主 探讨[ J ] ．电网与清洁能源，2 0 1 0 ，2 6 2 6 0 6 2 ． 要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁[ 7 ] 孙振强．可编程控制器原理及应用教程[ M ] ．北琴捕华大 辐射，影响其他设备正常工作Ⅲ] 。 学出版社, 2 0 0 5 ． [ 8 ] 廖常初．P L C 编程及应用[ M ] ．北京机械工业出版社， 4 结论 2 0 0 2 ． P L c 控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题， [ 9 3 翟耋专j 烹气控制与P L C [ M 1 北京爿8 京航空航天大学出 因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有 [ 1 0 ] 于庆广．可编程控制器原理及系统设计[ M ] ．北京清华大 效地抑制抗干扰，才能够使P L C 控制系统正常工作。 学出版社，2 0 0 4 ． 随着P L C 应用领域的不断拓宽，如何高效可靠的使用 [ 1 1 ] 程周．电气控制与P L C 原理及应用[ M ] ．北京电子工业出 P L C 也成为其发展的重要因素。将来，P L C 会有更大 版社，2 0 0 5 ． 作者简介张明男。1 9 8 2 牟出生，助理工程师。主要研究方向为P L C 控制技术。 上接第1 7 6 页 [ 2 ] F e s t oA G C o ．K G ．S m a r te l e c t r o m o t o rc o n t r o l l e re o m m i s s i o n i n g [ E B ／O L ] ．[ 2 0 1 0 0 6 1 3 ] ．h t t p ／／w e n k u ．b a i d u ． c o m ／v i e w ． [ 3 ] 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团．西门子工业网 络通信指南[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 5 ． [ 4 ] F e s t oA G C o ．K G ．S m a r te l e c t r o m o t o rc o n t r o l l e rf i t t i n g a n di n s t a l l a t i o n [ E B ／O L ] ．[ 2 010 0 6 13 1 ．h t t p ／／w e n k u ． b a i d u ．c o m ／v i e w ． [ 5 ] F e s t oA G C O ．K G ．S I E X T w [ E B ／O L ] ．[ 2 0 L O 一0 6 1 3 ] ． h t t p ／／w e n k u ．b a i d u ．c o r n ／v i e w ． [ 6 ] F e s t oA G C o ．K G ．S E C A C W M E M O C [ E B ／O L ] ． [ 2 0 1 0 0 6 1 3 ] ．h t t p ／／w e n k u ．b a i d u ．e o m ／v i e w ． [ 7 ] 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团．深入浅出s 7 ～ 3 0 0P L C [ M ] ．北京北京航空航天大学出版社，2 0 0 4 ． [ 8 ] 陈朝泽，任德军，何华，等．基于P L C ，H M I 和伺服控制技术 的磁性编码检测系统[ J ] ．仪表技术与传感器，2 0 0 8 7 7 8 8 0 ． [ 9 ] 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团．深入浅出 W i n C CV6 ．o [ M ] ．北京北京航空航天大学出版社，2 0 0 5 ． [ 1 0 ] 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团．W i n C C 组态手 册[ M ] ．北京西门子 中国 有限公司自动化与驱动集 团，1 9 9 9 ． 作渚简介孙德辉男，1 9 6 6 年出生，北京人，教授，博士。主要研究领域为网络控制理论与控制系统。 亓英莲女，1 9 7 7 年出生，辽宁人，硕士研究生。主要研究领域为检测装置与自动化控制。 史运涛 男，1 9 7 5 年出生，北京人。副教授，博士。主要研究领域为工业过程辨识、鲁棒控制和无模控制等。 1 8 0 万方数据