新余鋼鐵集團(tuán)有限公司自動(dòng)化部 付志剛

1 PLC的基本概念與應(yīng)用現(xiàn)狀

P LC(Programmable Logic Controller PLC)就是可編程控制器。在過(guò)去30年的發(fā)展歷程中，PLC經(jīng)歷了不斷的進(jìn)化與革新，汲取了工業(yè)生產(chǎn)新經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)的融合，逐步加深了自身的系統(tǒng)開(kāi)放性。如今新的PLC技術(shù)不但在傳統(tǒng)PLC上加增了控制組態(tài)軟件，還完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化應(yīng)用，且應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。21世紀(jì)以來(lái)PLC已與CAD/CAM及機(jī)器人并稱為機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域的三大技術(shù)，它們支撐著自動(dòng)化工業(yè)的發(fā)展。

PLC作為一種可編程的電子控制系統(tǒng)，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)諸如數(shù)字運(yùn)算電子操作系統(tǒng)這樣的復(fù)雜程序，同時(shí)還能負(fù)責(zé)可編程程序內(nèi)部的存儲(chǔ)器運(yùn)行，如邏輯運(yùn)算、定時(shí)計(jì)數(shù)、順序控制等操作指令的發(fā)出。PLC是通過(guò)系統(tǒng)中數(shù)字量與模擬量的雙向輸出輸入來(lái)控制機(jī)械運(yùn)行的，所以總體來(lái)說(shuō)PLC綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和電子通訊功能，是三位一體的融合性產(chǎn)業(yè)技術(shù)。由于它具有著強(qiáng)抗干擾能力與極高的穩(wěn)定性，能任意組合和隨時(shí)編程，運(yùn)行維護(hù)也較為方便，所以已成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中不可或缺的部分，為現(xiàn)代化工業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展提供著最有力的技術(shù)應(yīng)用與安全保障。

2 基于PLC的電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)應(yīng)用思路與技術(shù)應(yīng)用

2.1 技術(shù)應(yīng)用的基本思路流程

針對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)展開(kāi)檢修技術(shù)，其中應(yīng)用到大量PLC技術(shù)，以下首先介紹電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修內(nèi)涵與操作流程。電氣設(shè)備狀態(tài)檢修主要圍繞設(shè)備安全、運(yùn)行環(huán)境為基礎(chǔ)展開(kāi)，主要內(nèi)容包括了狀態(tài)評(píng)價(jià)、狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估、結(jié)合相應(yīng)技術(shù)手段展開(kāi)試驗(yàn)與檢修，確保電氣設(shè)備安全運(yùn)行。在該過(guò)程中，利用PLC的可視化、非表定性技術(shù)內(nèi)容展開(kāi)狀態(tài)檢修，其核心思想就是基于指定時(shí)間來(lái)確定設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，然后提出狀態(tài)檢修的具體目標(biāo)，提高設(shè)備整體運(yùn)行可靠性，它的基本技術(shù)操作流程應(yīng)參考如下：設(shè)備信息收集→設(shè)備狀態(tài)評(píng)估→風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估→檢修策略展開(kāi)→檢修計(jì)劃→檢修實(shí)施→績(jī)效評(píng)價(jià)[1]。

2.2 輔助決策系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用分析

在利用PLC所展開(kāi)的狀態(tài)檢修技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，供電企業(yè)應(yīng)根據(jù)其狀態(tài)檢修技術(shù)應(yīng)用流程研發(fā)一套PLC狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)，如此可提高電氣設(shè)備的日常檢修效率與檢修質(zhì)量。大體來(lái)講電氣設(shè)備狀態(tài)檢修的輔助決策系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)應(yīng)圍繞以下兩條展開(kāi)。

2.2.1 PLC狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，主要圍繞生產(chǎn)管理系統(tǒng)展開(kāi)，主要對(duì)設(shè)備臺(tái)賬的管理運(yùn)行、檢修以及缺陷信息補(bǔ)漏內(nèi)容進(jìn)行分析，建立GIS、PLC信息定位系統(tǒng)，同時(shí)輔助建設(shè)智能選差系統(tǒng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如此擴(kuò)展輸電線路狀態(tài)檢修過(guò)程，構(gòu)建一套完整的狀態(tài)檢修輔助決策功能系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作出健康綜合評(píng)定。該系統(tǒng)在預(yù)測(cè)設(shè)備可能存在的風(fēng)險(xiǎn)方面是表現(xiàn)突出的，也建立了設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)[2]。

2.2.2 PLC狀態(tài)檢修系統(tǒng)功能應(yīng)用

基于PLC的狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)中包含了4項(xiàng)主要功能，分別是設(shè)備缺陷試驗(yàn)、檢修、查詢功能系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)預(yù)警功能系統(tǒng)，狀態(tài)診斷功能系統(tǒng)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)功能系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)預(yù)警功能系統(tǒng)利用PLC的智能化、可視化操作可做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)狀態(tài)量指標(biāo)變化，并進(jìn)行科學(xué)評(píng)定，對(duì)超出設(shè)備狀態(tài)閾值范圍的劣化指標(biāo)進(jìn)行診斷分析，時(shí)刻了解電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與可能存在的故障部位，查明原因后提出電氣設(shè)備故障的預(yù)警規(guī)則內(nèi)容，并第一時(shí)間預(yù)警警告[3]。

狀態(tài)診斷模塊主要利用診斷預(yù)警模塊對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行分析，對(duì)電氣設(shè)備已出現(xiàn)的故障狀況進(jìn)行評(píng)定分析。為此該模塊可提出故障處理狀態(tài)分析策略以及其它設(shè)備的恢復(fù)參考方案[4]；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分。在針對(duì)電氣設(shè)備所存在的潛在內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)與威脅進(jìn)行識(shí)別分析過(guò)程中，分析資產(chǎn)的損失與威脅發(fā)生可能性。主要通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型來(lái)客觀評(píng)價(jià)電網(wǎng)電氣設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，保證啟用狀態(tài)評(píng)價(jià)分值ISE技術(shù)體系，主要用來(lái)輔助技術(shù)人員對(duì)電氣設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)值與故障率進(jìn)行查看與總結(jié)，其整體看具有一定的實(shí)踐應(yīng)用便捷性[5]。

2.3 電氣設(shè)備中變壓器局部放電以及繞組變形的PLC狀態(tài)維修技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 電氣設(shè)備中變壓器局部放電的PLC狀態(tài)維修技術(shù)應(yīng)用

如從變電站電氣設(shè)備外部向變壓器施加高強(qiáng)度電壓，變壓器就會(huì)出現(xiàn)由變壓器油所引發(fā)的局部放電現(xiàn)象，其放電量最低也會(huì)達(dá)到2000V以上，最高可達(dá)到幾十萬(wàn)皮庫(kù)，破壞威力相當(dāng)之大、不容小覷。在變壓器局部發(fā)生上述較強(qiáng)放電效果后，電氣設(shè)備的絕緣部分就會(huì)嚴(yán)重受損，直接導(dǎo)致變壓器油迅速虧空，變壓器內(nèi)部也會(huì)因此而產(chǎn)生大量氣泡，進(jìn)一步逐漸形成高分子蠟狀物，這也是導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)故障的主要原因之一。

就目前已有的電氣設(shè)備變壓器狀態(tài)維修技術(shù)而言，脈沖電流法可嘗試。因?yàn)樵摲椒軐?shí)現(xiàn)對(duì)變壓器較小規(guī)模局部放電的有效監(jiān)測(cè)，但該方法易受外界電磁環(huán)境干擾影響。再者是超聲波法，主要采用超聲波傳感器技術(shù)對(duì)變壓器局部放電超聲壓力波進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，它的抗電磁干擾能力非常強(qiáng)。當(dāng)然，該技術(shù)方法必須考慮PLC技術(shù)對(duì)變壓器內(nèi)部絕緣環(huán)境聲波的吸收與散射調(diào)整，因此它的整體監(jiān)測(cè)靈敏度并不高，易受機(jī)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生不良干擾影響，所以要深入分析PLC技術(shù)與上述技術(shù)內(nèi)容的融合應(yīng)用方法，做到防患未然。

就目前看來(lái)，采用脈沖電流法配合PLC技術(shù)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器局部放電的有效管理與調(diào)整。它首先利用PLC快速監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部情況，了解變壓器內(nèi)部所發(fā)生的局部放電情況，另外可參考變壓器中性點(diǎn)與外殼接地線展開(kāi)分析，進(jìn)一步安裝Rogowsky線圈，主要對(duì)電流脈沖內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。再者，利用PLC連接檢測(cè)器與變壓器高壓套管位置也可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器局部放電電流脈沖的有效檢測(cè)[6]。

參考圖1內(nèi)容，可利用PLC對(duì)變壓器中的脈沖極性內(nèi)容進(jìn)行鑒別，如此可有效抑制變壓器外部干擾脈沖問(wèn)題，具體來(lái)說(shuō)可參考以下科學(xué)原理展開(kāi)分析：圖1中有兩套設(shè)備Cx1和Cx2，兩套設(shè)備以外的干擾信號(hào)在兩設(shè)備變壓器電容中會(huì)產(chǎn)生同向脈沖電流，且二者放電所產(chǎn)生的脈沖電力恰好是反向的。這一點(diǎn)說(shuō)明了兩套設(shè)備中的傳感器TA1和TA2所采用的是雙路信號(hào)，雙路信號(hào)都通過(guò)放大器適當(dāng)放大，且分別進(jìn)入到正負(fù)極性門之中，分別為+、-、+、-。在極性門中脈沖整理與寬度邏輯電平會(huì)被不斷放大，所有邏輯信號(hào)都會(huì)在兩兩相吸作用下控制電子門開(kāi)關(guān)，放過(guò)信號(hào)內(nèi)容，控制局部放電效果，另外也能做到對(duì)干擾信號(hào)的有效抑制。

圖1 變壓器脈沖極性鑒別系統(tǒng)示意圖

2.3.2 電氣設(shè)備中變壓器繞組變形的PLC狀態(tài)維修技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)變壓器繞組變形設(shè)計(jì)出口短路位置，分析電路運(yùn)輸沖擊情況，可確保電路繞組在發(fā)生一定程度位移后改良變壓器運(yùn)行狀態(tài)，解決其狀態(tài)不可逆問(wèn)題。因此當(dāng)變壓器繞組變形后，需采用到PLC技術(shù)展開(kāi)狀態(tài)檢測(cè)過(guò)程，利用在線檢測(cè)技術(shù)對(duì)變壓器繞組變形問(wèn)題進(jìn)行分析，具體就是采用到PLC短路阻抗在線測(cè)量方法，該技術(shù)專門采用到單相雙繞組變壓器實(shí)施短路阻抗在線測(cè)量。其中要分別設(shè)置TV1、TV2兩個(gè)互感器作為變壓器的一次、二次側(cè)連接電壓互感器，再設(shè)置兩個(gè)電流互感器，如果出現(xiàn)短路電抗時(shí)如下：Xsh=X1+X12。

需相應(yīng)利用到短路電抗法、并給出兩種假設(shè)情況：假設(shè)變壓器在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中勵(lì)磁電流始終不變；假設(shè)電流互感器與電壓互感器在運(yùn)行過(guò)程中誤差始終不變。PLC狀態(tài)維修要保證兩種假設(shè)情況全部都滿足，屆時(shí)繼續(xù)計(jì)算短路電抗應(yīng)為[7]：

上述內(nèi)容可結(jié)合變電站110kV變壓器進(jìn)行分析，了解短路電抗情況，追求實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量過(guò)程。操作過(guò)程中要針對(duì)變壓器中的繞組短路電抗展開(kāi)實(shí)時(shí)分析，利用PLC技術(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量即可。該測(cè)量可有效判斷變壓器中電抗變化量，確保利用PLC實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修過(guò)程，動(dòng)態(tài)觀察并明確繞組變形程度。另外，在狀態(tài)維修中還利用到了SCI法科學(xué)判斷短路電抗變化量及它與繞組變形間的相互關(guān)系，為設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)內(nèi)容給出有價(jià)值參考依據(jù)。

3 基于PLC的電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)應(yīng)用案例簡(jiǎn)析

某變電站電氣設(shè)備出現(xiàn)信號(hào)輸入傳感器故障、電氣線路故障及動(dòng)作執(zhí)行模塊故障，所以變電站打算采用PLC配合電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)展開(kāi)分析。爭(zhēng)取做到對(duì)故障位置的快速定位判斷，同時(shí)提出故障處理方法[8]。

首先是故障定位，利用PLC可視化、智能化技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容進(jìn)行傳感器邏輯編程信息定位，配合觸屏相關(guān)參數(shù)丟失情況設(shè)置外圍程序判斷分析故障問(wèn)題。在定位故障過(guò)程中，判斷輸入輸出點(diǎn)X/Y，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制傳感器高速脈沖輸出情況，利用PLC調(diào)用程序內(nèi)容判斷高速脈沖實(shí)際輸出內(nèi)容。通過(guò)判斷結(jié)果分析，可將故障定位于PLC高速脈沖輸出口位置，發(fā)現(xiàn)其Y0/Y1位置已經(jīng)損壞導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法移動(dòng)，而觸屏參數(shù)嚴(yán)重丟失，自動(dòng)運(yùn)行模式陷入癱瘓。上述故障定位采用狀態(tài)檢修模式，充分利用了PLC技術(shù)內(nèi)容，確保為故障處理階段技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

其次是故障處理。分析告訴脈沖輸出口Y0、Y1損壞情況，采用伺服電機(jī)作為單軸運(yùn)動(dòng)控制，了解到觸屏運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)丟失需采用到參數(shù)位置基準(zhǔn)減速比內(nèi)容，結(jié)合參數(shù)后期微調(diào)使用來(lái)建立速度補(bǔ)償機(jī)制，可將機(jī)制指標(biāo)設(shè)置為0，再對(duì)后期微調(diào)使用參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合脈沖移動(dòng)量分析脈沖序列，分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程脈沖程序，具體故障分析公式為[9]：脈沖頻率速度=（運(yùn)行速度×周脈沖×減速比）/絲桿螺距。同理，也可通過(guò)該公式演變計(jì)算故障距離，深入分析故障狀況。最后要更換PLC，重新設(shè)置觸摸屏參數(shù)，并對(duì)電氣設(shè)備上電進(jìn)行二次實(shí)驗(yàn)，設(shè)置設(shè)備運(yùn)行速度應(yīng)該在0.010m/s，保持其運(yùn)行距離在100mm。另外也要基于其它參數(shù)對(duì)設(shè)備外部硬件進(jìn)行故障排查，如分析其設(shè)備在運(yùn)行控制中所體現(xiàn)出的脈沖當(dāng)量?jī)?nèi)容和脈沖移動(dòng)量?jī)?nèi)容，分析程序運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，提出程序控制參數(shù)距離計(jì)算過(guò)程。在如上狀態(tài)維修基礎(chǔ)之上，再次觀察其在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)備移動(dòng)距離與時(shí)間設(shè)置匹配是否到位，完成故障處理過(guò)程。整體來(lái)說(shuō)，針對(duì)輸入傳感器所展開(kāi)的故障維修主要運(yùn)用到了PLC動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，在故障發(fā)生后則采用了其它故障維修技術(shù)，真正做到了狀態(tài)動(dòng)態(tài)維修處理。

就目前看來(lái)，利用PLC技術(shù)設(shè)備良好的智能化、高邏輯性與可視化優(yōu)勢(shì)可針對(duì)變電站電氣設(shè)備展開(kāi)狀態(tài)維修，實(shí)施在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備故障問(wèn)題并予提出故障維修方案，予以解決。本文中也就這一問(wèn)題展開(kāi)了相近分析，希望通過(guò)PLC做到動(dòng)態(tài)優(yōu)化處理，提高變電站中各種電氣設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)效率，保證設(shè)備中常用電子元器件維修到位，故障處理得當(dāng)，構(gòu)建靈活有序的電氣設(shè)備維修機(jī)制，為變電站日常生產(chǎn)運(yùn)行提高效率，節(jié)約成本，從整體層面上提質(zhì)增效。