基于plc的双电源开关设计大学论文.doc

中国农业大学继续教育学院专科生毕业大作业题目：基于PLC的双电源开关设计教学点： 北京水利水电学校 专业： 机电一体化技术 年级： 14级 学号： 38号 学生 ： 高祥宇 指导老师： 王建民 完成日期： 2016年04月22日 摘 要随着人们对供电可靠性要求越来越高，很多场合需要用两路电源来保证供电的可靠性，这就需要一种双电源切换器在两路电源之间进行可靠切换。采用可编程控制器解决这类问题具有独特的优势，在电气自动化方面具有广阔的应用前景和很大的市场潜力。与传统继电控制系统相比较，可编程控制器的优势在于：体积小型化，高度集成，同时还有数字运算、数据处理和数据通讯功能。可编程控制器作为新一代的工业控制装置，结构简单、性能全面、可靠性高。本文基于对可编程控制器的双电源开关设计，用以实现双电源开关的自投自复，缺相和欠压保护，使之可以适应用电要求较高企业的需求。关键词：PLC、双电源开关、目录1前 言32基于PLC双电源开关总体方案设计32.1设计要求32.2 总体方案的确定33 基于PLC双电源开关控制系统硬件设计43.1 电气控制方案设计43.2 PLC型号的选择73.3 特殊功能模块的选择73.4 I/O口设计103.5 系统外部连线电路设计114基于PLC双电源开关控制系统软件设计114.1流程图设计114.2梯形图设计124.3 PLC程序语句表135总结13参考文献141前 言 双电源切换控制主要用于三相交流(380V220V 3N 50Hz)供配电控制。这类电源切换控制多数采用继电器逻辑控制电路实现，其特点是：其输入有两路供电电源 A和B对负载供电。正常工作时，只电源A对负载供电，电源B作为备用电源；当电源A发生故障时，控制系统能快速切断故障电源A，使备用电源B接通。由此存在的问题是：(1)无缺相保护功能。当发生任一相或两相缺相时，由于控制系统没有缺相检测和保护切换措施，造成缺相的故障电源不能切断，正常供电电源不能及时投入，又没有相应的信号提示，这样会导致负载长时间缺相运行，造成严重后果。(2)故障电源恢复正常时，系统不能自动进行反切换，要靠人工操作反切换到正常工作状态。(3)由于采用继电器逻辑控制电路实现，器件和电路的故障率高。 采用PLC控制时，其缺相保护主要采取的技术方案是：设置有三相缺相检测信号回路，该三相缺相检测信号回路直接取自于三相电源的主回路，即用中间继电器分别接于电源主回路A和B的U相、V相和W相单相回路中，中间继电器常开触点分别作为PLC的输入信号，即作为编制 PLC的A和B三相缺相检测逻辑控制程序时的输入条件。其次，利用PLC的特殊功能模块，可以实现对电源电压的精确的检测，从而又可以实现对电源的欠压和过压检测。2基于PLC双电源开关总体方案设计2.1设计要求 双电源开关主要用在重要会议室、机场、宾馆等紧急供电的双电源系统，当一路电源（主电源）出现故障的时候，另一路电源（备用电源）可以实现快速、自动地投切转换，这是双电源开关的基本功能。而基于PLC的双电源开关，不仅要实现上述功能，而且要对三相电源各相进行缺相检测，同时还要对电源各相进行精确的电压检测，当电源电压不在指定的范围内运行时，必须进行自动切换。由此，我们在设计PLC电路的时候，还必须用到PLC的特殊功能模块，以实现对电源电压模拟量的模数转换，供PLC去处理，进而实现电源电压的欠压保护。2.2 总体方案的确定 在基于PLC的双电源开关的过程中，必须只能有一个电源与负载接通，且在一路电源故障时要实现自动切换。又由于在重要的会议室、机场、宾馆等紧急供电场所，各用电设备的总功率较大，必须使用发电机设备供电。那么根据设计要求，可设计总体结构方案如下图2-1所示。图2-1 总体方案框图在图2-1中， A为主电源，B为备用电源，分别与PLC连接，作为PLC输入检测信号。首先进行主电源A的输入检测，当PLC检测A无任意相缺相时，相应的逻辑开关会闭合，使FX2N-4A/D接受经过PLC基本单元检测后传过来的无缺相的电压信号，则随后进行A电源的三相回路欠压检测，如果此时主电源A良好的话，相应的状态指示灯会亮，说明此刻主电源状态良好，同时主电源与负载接通。在主电源A出现故障后（即主电源A出现缺相或者欠压时），此时会启动发电机，使备用电源B启动，同时主电源会自动断开。备用电源B启动后，同样要进行三相回路的缺相检测和欠压检测，检测过程同A。检测无故障后，随即实现备用电源与负载的接通。3 基于PLC双电源开关控制系统硬件设计3.1 电气控制方案设计电气控制过程分析：根据总体方案框图，设计电气控制方案如图3-1、图3-2、图3-3、图3-4所示。又如图3-1的电气控制过程图中，KA1,KA2,KA3分别作为主电源A的三相检测（如图3-1所示），有且当KA1,KA2,KA3线圈同时得电时（即无任意相缺相），才会驱动KM3线圈，使动和触点KM3闭合，从而进行A的三相欠压检测（如图3-4所示）。又当三相欠压检测后，电压在设定范围内时，驱动KA4,使触点KA4闭合，此时主电源状态显示灯HL1亮，说明此时A电源状态良好，同时驱动KA5线圈，使动合触点KA5闭合，允许A电源的投入使用。而后KA5闭合时，使KM1得电，负载与电源A接通。其次，主电源输入检测回路（图3-1）中的常闭触点KA5分别与发电机启动控制回路（图3-2）中的延时继电器线圈和备用电源检测回路（图3-3）中的三相检测回路相连接。目的是，如果主电源A状态良好的话，那么常闭触点KA5会得电断开，同时发电机启动控制回路（图3-2）中的延时继电器线圈便不会得电，则不会启动发电机；同时在备用电源检测回路（图3-3）中的三相检测回路中，也会由于KA5的作用，不会进行备用电源的输入检测，避免备用电源的误动，从而实现控制系统的连锁保护作用。图3-1 主电源检测回路图3-2 发电机启动控制回路在如图3-2所示的发电机启动控制回路中，在主电源故障后，由于在主电源检测回路中的KA5不能得电，KA5常闭触点不能断开，所以延时继电器线圈会得电延时闭合。在这里延时继电器的作用是防止在主电源电压波动的情况下，发电机会产生误动的动作，使发电机启动。在延时时间到了以后，即确认主电源故障无误，延时闭合触点闭合，从而实现对发电机的启动。图3-3所示的备用电源检测回路，KA6,KA7,KA8分别作为备用电源B的三相检测时，有且当KA6,KA7,KA8线圈同时得电时（即无任意相缺相），才会驱动KM4线圈，使动合触点KM4闭合，从而进行B的三相欠压检测（如图3-4所示）。又当三相欠压检测模块FX2N-4A/D检测到电压在设定范围内时，驱动KA9,使触点KA9闭合，此时备用电源B状态显示灯HL2亮，说明此时B电源状态良好，同时驱动KA10线圈，使触点动合KA10闭合，允许B电源的投入使用。 图3-3 备用电源检测回路图3-4 电源欠压检测控制3.2 PLC型号的选择目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，所以要全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不可盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。综合考虑输入/输出点数、存储容量、I/O响应时间、输出负载的特点、在线和离线编程及是否联网通信等因素和对图1分析可知作为输入信号的触点有KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8共六个触点，作为输出信号的有KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4共六个触点，所以可选用FX2N-32MR基本单元，输入和输出点数分别为8个。3.3 特殊功能模块的选择3.3.1 技术参数因为要对三相电源的三线检测，所以选用带4点模拟量输入的模数转换特殊功能模块FX2N-4A/D。FX2N-4A/D为12位高精度模拟量输入模块，具有4输入A/D转换通道，输入信号类型可以是电压（-10+10V）、电流（-20+20mA）和电流（+4+20mA），每个通道都可以独立地指定为电压输入或电流输入。且FX2N系列可编程控制器最多可连接8台FX2N-4A/D。FX2N-4AD模拟量输入模块是FX2N系列PLC专用的模拟量输入模块。该模块的4个输入通道，通过输入端子变换，可以任意选择电压或电流输入状态。输入参数为：电压输入时，输入信号为DC-10 V+10 V，输入阻抗为200 k，分辨率为5 mV；电流输入时，输入信号为DC-20 mA+20 mA，输入阻抗为250 ，分辨率为20 A。FX2N-4AD将接收的模拟信号转换成12位二进制的数字量，并以补码的形式存于16位数据寄存器中，数值为-2048+2047，传输速率15Mbps，综合精度为量程的1%。FX2N-4AD的工作电压为DC 24 V，模拟量与数字量之间采用光电隔离技术，但各通道之间没有隔离。它消耗PLC主单元或有源扩展单元5 V电源槽30 mA的电流。它占用基本单元的8个映像表，即软件上占8个I/O点数，在计算PLC的I/O时，可以将这8个点作为PLC的输入点来计算。FX2N-4AD模块内部有一个数据缓冲寄存器，它由32个16位的寄存器组成，其内容可以通过PLC的FROM和TO指令来读出或写入。3.3.2 FX2N-4A/D模块的接线方式图3-5 FX2N-4A/D模块的接线方式模拟量输入通过双绞屏蔽电缆来接收，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的电线，如图3-5的处；如果电压输入有电压波动，或外部接线中有电气干扰，可以接一个平滑电容器（0.10.47F，25V），如图3-5的处；如果使用电流输入，将V+和V-短接，如图3-5的处；如果存在过多的电气干扰，连接FG的外壳地端和FX2N-4A/D模块的接地端，如图3-5的处；连接FX2N-4A/D模块的接地端与主单元的接地端，在可行的情况下使用三级接地，如图3-5的处。3.3.3 缓冲寄存器及设置模拟量输入输入模块FX2N-4A/D的缓冲寄存器BFM，是特殊功能模块工作设定与主机通讯用的数据中介单元，时FROM/TO指令读和写操作目标。FX2N-4A/D的缓冲寄存器区由32个16位的寄存器组成，编号为BFM#0#31。其分配表如表3-1所示：表3-1 FX2N-4A/D模块BFM分配表BFM内容*#0初始化通道*#1CH1平均值采样次数（取值范围14096）默认值为8*#2CH2*#3CH3*#4CH4#5CH1分别存放4个通道的平均值#6CH2#7CH3#8CH4#9CH1分别存放4个通道的当前值#10CH2#11CH3#12CH4#13#14#16#19保留#15A/D转换速度的设置当设置为0时，A/D转换速度为15Msps当设置为1时，A/D转换速度为6 Msps#20恢复到默认值或调整值#21禁止零点合增益调整#22零点和增益调整#23零点值#24增益值#25#28保留#29出错信息#30识别码K2010#31不能使用 在BFM#0号中写入十六进制四位数字H0000使各通道初始化，最低位数字控制通道CH1，最高位数字控制CH4。H000中每位数值表示的含义如下：位（bit）=0 :设定输入范围-10+10V位（bit）=1 :设定输入范围+4+20mA位（bit）=2 :设定输入范围-20+20mA位（bit）=3 :关闭该通道 BFM#21的b0、b1分别置为1、0，则增益和零点的设定值禁止改动。要改动时必须设置为0、1。缺省设定为0、1。3.3.4 检测参数设置 如图3-6所示：图3-6 检测参数设置3.4 I/O口设计如表3-2所示：表3-2 I/O口地址表地址元件注释X0KA1主电源U1相输入检测X1KA2主电源V1相输入检测X2KA3主电源W1相输入检测X3KA6备用电源U2相输入检测 X4KA7备用电源V2相输入检测X5KA8备用电源W2相输入检测Y0KM3主电源A欠压与过压检测Y1KA5主电源A工作正常Y2KM1主电源A投入工作Y3KM4备用电源B欠压与过压检测Y4KA10备用电源B工作正常Y5KM2备用电源B投入工作控制 (工作)状态说明：正常工作时，对于A电源，成立的条件是，三相任意相无缺相现象，同时电压的范围在指定的工作电压范围之内，此时状态指示灯HL1亮，在此情况下，即使电源B状态良好，也会因为B电源控制回路动断触点KM1的作用使B电源不会投入使用。又如果A电源出现故障的话，在A电源控制回路的KM1线圈则不会得电，那么连接在B控制回路的动断触点KM1不会动作，使B投入使用。此后，如果A电源恢复正常的话，A电源控制回路KM1线圈得电，使电源B断开，如此循环。3.5 系统外部连线电路设计 作为输入信号的KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8分别接在PLC的X0X6，作为输出信号的KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4分别接在PLC的Y0Y6。FX2N-4A/D在接受外部电路经降压和整流的电压信号后，转换成相应的数字信号传送到PLC中，PLC在经过相应的数字处理以实现电源的过压与欠压的检测，对应的接线如下图3-7所示：图3-7 输入、输出信号对应接线图4基于PLC双电源开关控制系统软件设计4.1流程图设计主电源检测过程：PLC初始化判断主电源A输入是否缺相无缺相则进行主电源A的过压与欠压检测主电源状态良好主电源投入使用与负载接通。备用电源的检测过程：A有缺相或有过压与欠压现象时，经延时后确认无误，起动发电机进行备用电源B的缺相检测进行备用电源B的过压与欠压检测备用电源状态良好备用电源投入使用，与负载接通。相应控制流程图如下图4-1所示：图4-1 电源检测过程相应控制流程图4.2梯形图设计如下图4-2所示：图4-2 梯形图设计三相缺相检测采样信号回路中，作为U1和U2的三相缺相检测的开关量采样信号的 KA1-KA3和 KA6-KA8，其常开触点分别作用于PLC的输入端的 XO-X2、X3-X5。在 PLC梯形图程序中，辅助继电器 Y0作为三相电源 U1的三相缺相检测，其接通条件为常开输入 XO、X1和 X2的“与”逻辑 ；同理，内部中间继电器 Y3作为三相电源 U2的三相缺相检测，其接通条件为常开输入X3、X4和 X5的 “与”逻辑。4.3PLC程序语句表如下图4-3所示：图4-3 PLC程序语句表5总结我们设计的双电源开关实现了瞬间停电瞬时供电，提高了供电效率，保障了多方面的需求情况，最大限度的减少事故的发生与损失。在设计过程中，我们通过查阅资料了解了很多相关内容和案例分析，这对我们业务能力有了很大的提高，为我们以后的工作积累了丰富的经验。参考文献1 廖常初.可编程序控制器应用技术(第四版).重庆：重庆大学出版社，2005 1-14 2 许志军.工业控制组态软件及应用主编.北京：机械工业出版社设， 2005 9-8 3 陈恳，杨向东,杨东超.机器人技术与应用.北京：清华大学出版社， 2006 7-5 4 吴建强.可编程控制器原理及其应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998 12-60 5 林小峰.可编程序控制器及应用.北京：高等教育出版社，1991 17-26 14