电厂辅助车间程控系统PLC选型和设计的初探

周 钊 江苏省电力设计院

随着电力工业的迅速发展和热工自动化水平的提高，可编程控制器（以下简称PLC）已在国内许多大中型火电厂中广泛采用，这对保证电厂安全、经济起到了十分重要的作用，并取得了良好的效果。 PLC合理的选型和设计，是PLC 系统应用中非常重要问题。

1 PLC系统选型

电厂辅助车间程控的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统。常用的PLC主要有SCHNEIDER公司的QUNTUM系列、ROCKWELL公司的CONTROLLIGIX5000系列、GE公司的90-70系列及SIEMENS公司的S7-400、300系列等。

1.1 输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时要考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，模块增加15%的可扩展余量后，PLC安装机架预留10%的余量。

1.2 存储器容量的估算

大体上都是按数字量I/O点数的10倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的30%考虑余量。程序容量一般不超过存储器容量的80%。

1.3 控制功能的选择

主要包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能，及诊断功能等的选择。

（1）运算功能

PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能和数据移位、比较等运算功能，较复杂运算功能有函数运算、数据传送等，还有模拟量的PID闭环控制和其他高级运算功能。

（2）控制功能

控制功能主要有PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输人输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器单元等。

（3）通信和联网功能

通信联网的增强是现代PLC技术进步的趋势，通信和联网分为两种：一种是PLC之间的联网通信，各PLC厂家都有专门的联网通信协议，另一种是PLC与工控机之间的联网通信，PLC有专用的通信模块与工控机连接。

（4）编程功能

PLC的编程有5种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC61131-3 ）。

（5）诊断功能

PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的信号灯判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断。

（6）处理速度

PLC采用扫描方式工作，从实时性要求来看，处理速度应越快越好。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4 /μs，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。

1.4 机型的选择

（1）PLC的类型

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输人输出点数选型。

（2）输入输出模块的选择

输人输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。

（3）电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源设计选用220 VAC不间断电源。

（4）冗余功能的选择

1） CPU模块、通信模块及电源模块均应1：1冗余。

2）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余系统等。

2 PLC设计时需要注意的问题

2.1 工作环境

（1）温度 一般PLC要求环境温度在0～55oC，安装时应避开大的热源，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PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于95%（无凝露）。

（3）震动 应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10～55 Hz的频繁或连续振动。当附近有震动源时，应对PLC的安装采取减震措施。

（4）空气 避免有腐蚀和易燃的气体，对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或IP65的控制柜中。

（5）电源 PLC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，将屏蔽层接地，以减少设备与地之间的干扰。

2.2 控制系统中干扰及其来源

（1）电网干扰

PLC系统的正常供电电源均由电网供电。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，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。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。

（2）变频器干扰

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；变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰。

2.3 主要抗干扰措施

（1）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LC滤波电路。

（2）安装与布线

1） 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分开布线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。将PLC的IO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。

2）PLC应远离强干扰源如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。与PLC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RC消弧电路。

3） PLC的输入与输出最好分开走线，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线，屏蔽层应一端接地。

4）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）正确选择接地点 完善接地系统

PLC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PLC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。

1）安全地电源接地

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，可从安全接地导入地下，不会对人造成伤害。

2）系统接地

PLC控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不应大于10Ω，一般需将PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。

3）信号与屏蔽接地

一般要求信号线必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地（即单端接地）。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接点。

（4）对变频器干扰的抑制

1）加1：1隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。

2）使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰传导给电源。使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常工作。

3 结语

PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，按工程需要合理的选型，可以达到较高的性价比，尽管可靠性较高，抗干扰能力较强，但当电厂环境过于恶劣，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PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家在原有基础上继续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，才能保证所实施的工程顺利完成。