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基于PLC双电源开关设计毕业论文
常州机电职业技术学院
毕业设计（论文）
作者：
沈腾飞
学号：
40921202
系部：
电气工程系
专业：
电机与电器
题目：
基于PLC双电源开关设计
指导者：
莫莉萍李建兴
评阅者：
2012年4月
毕业设计（论文）中文摘要
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。
该课题是基于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：
双电源切换PLC数据处理缺相和欠压保护
毕业设计（论文）外文摘要
Title：
PLC-baseddesignofdual-powerswitch
Abstract：
Withincreasingdemandsforhighreliability,anumberofoccasionstheneedtousetwopowersuppliestoensurereliabilityofelectricitysupply,whichrequiresadualpowerswitchbetweenthetworeliableswitchingpowersupply.Theuseofprogrammablelogiccontroller（PLC）tosolvethisproblemhasauniqueadvantageinelectricalautomationapplicationshavebroadprospectsandgreatmarketpotential.Relaycontrolsystemwiththetraditional,comparedtoprogrammablelogiccontroller（PLC）hastheadvantageofbeing:
thevolumeofsmaller,highlyintegrated,butalsothenumberofcomputing,dataprocessinganddatacommunicationfunctions.PLCasanewgenerationofindustrialcontroldevices,simplestructure,theperformanceofacomprehensive,highreliability.Thistopicisbasedontheprogrammablelogiccontrollerdesignofdual-powerswitch,dualpowerswitchfortheautomaticswitchfromthecomplex,lackofphaseandunder-voltageprotection,sothatelectricitycanbeadaptedtotheneedsofdemandingenterprises.
Keywords:
dual-powerswitch;PLC;dataprocessing;missingphaseandundervoltageprotection
1绪论
1.1设计的背景和意义
双电源切换控制主要用于三相交流（380V／220V3N50Hz）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。
1.2可编程控制器的工作原理
可编程控制器整个运行可分为三部分：
第一部分是上电处理。
可编程控制器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。
第二部分是扫描过程。
可编程控制器上电处理完成以后进入扫描工作过程。
先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。
当CPU处于STOP式时，转入执行自诊断检查。
当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。
第三部分是出错处理。
PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。
当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。
PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度有关，与I/O点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。
通常用PLC执行1K指令所需时间来说明其扫描速度（一般1~10ms/K）。
值得注意的是，不同指令其执行是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。
若用于高速系统要缩短扫描周期时，可从软硬件上考虑。
PLC工作的全过程如下图1-1：
图1-1PLC工作的全过程
1.3设计的基本原则和主要内容
a）设计的基本原则
在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便；保证控制系统的安全、可靠；考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC时，应适当留有裕量。
其次，如果以提高产品产量和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。
在总体方案设计之前，应深入了解控制系统要求，搜集资料，并密切关注机械设计部分与电气控制部分配合，从而拟订出相应的电气控制方案。
b）设计的主要内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的，用以完成预期控制目的与相应的控制要求。
因此，PLC控制系统设计的基本内容应该包括：
1）根据设备的控制要求，以及所提出的各项控制指标与经济预算，首先进行系统的总体设计。
2）根据控制要求基本确定数字I/O点和模拟通道数，进行I/O点初步分配，绘制I/O使用资源图。
3）进行PLC系统配置设计，主要为PLC选型。
PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。
选择PLC应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。
4）选择用户输入设备（按钮、操作开关、传感器）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象，这些设备属于一般的电器元件，其选择的方法参考相应的书籍。
5）设计控制程序。
在深入了解与掌握控制要求、主要控制的基本方式以及应完成的动作、必要的保护和连锁等方面情况之后，对较为复杂的控制系统，可用状态流程图的形式全面地表达出来。
必要时还可将控制任务分成独立的几个部分，这样可以化繁为简，有利于编程和调试。
程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、编制语句表清单。
c）PLC控制系统的一般设计步骤
在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。
PLC控制系统的一般设计步骤如下图1-2：
图1-2PLC控制系统的一般设计步骤
2基于PLC双电源开关总体方案设计
2.1引言
进入20世纪80年代以来，由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，极大地促进了可编程控制器的发展，使其功能日益增强，更新换代明显加快，所以PLC作为控制器在工业上有广泛的的运用，如何对PLC控制系统进行设计，以实现设计过程的系统化，已成为各生产技术人员日益重视的问题。
由于PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此，用PLC设计自动控制系统与微机控制系统的开发过程也不完全相同，需要根据PLC的特点进行系统设计。
其次，PLC与继电器接触器控制系统也有本质的区别，PLC控制系统设计的一大特点就是硬件和软件设计可以分开进行。
2.2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。
2.3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：
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引言
随着PLC控制的普及与应用，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。
目前在国内应用较多的PLC产品主要有：
美国AB、GE、MODICON公司，德国西门子公司，以及日本OMRON、三菱公司等的PLC产品。
因此PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自己的特点，适用场合也各有侧重。
因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。
选择恰当的PLC产品去控制一台机器或一个过程，不仅应考虑控制系统目前的需求，还应考虑那些包含于控制系统未来发展目标的需要。
如果能够考虑到未来的发展将会用最小的代价对系统进行革新和增加新的功能。
若考虑周到，则存储器的扩充需求也许只要再安装一个存储器模块即可满足；如果具有可用的通信口，就能满足增加一个外围设备的需求。
对局域网的考虑可允许在未来将单个控制器集成为一个厂级通信网。
若未能合理估计现在和将来的目标，PLC控制系统会很快变为不适宜的和过时的。
3.2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
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3-2发电机启动控制回路
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
3.3PLC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。
机型的选择可从以下几个方面来考虑：
（1）对输入/输出点的选择
盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。
要先弄清除控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15～20 ％留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。
另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的 60％；PLC 每个输出点的驱动能力也是有限的，有的PLC其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般PLC的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。
在选型时要考虑这些问题。
PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。
隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种PLC平均每点的价格较高。
如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的PLC 。
（2）对存储容量的选择
对用户存储容量只能作粗略的估算。
在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点＋输出总点数乘5字/点来估算；计数器/定时器按（3～5）字/个估算；有运算处理时按（5～10）字/量估算；在有模拟量输入/输出的系统中，可以按每输入/（或输出）一路模拟量约需（80～100）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。
最后，一般按估算容量的50～100％留有裕量。
在缺乏经验设计时，选择容量时留有裕量要大些。
（3）对I/O响应时间的选择
PLC 的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。
对开关量控制的系统， PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。
但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。
（4）根据输出负载的特点选型
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。
但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。
所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC 。
（5）对在线和离线编程的选择
离线编程示指主机和编程器共用一个CPU，通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。
编程状态时， CPU 只为编程器服务，而不对现场进行控制。
专用编程器编程属于这种情况。
在线编程是指主机和编程器各有一个 CPU，主机的CPU完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。
计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。
在线编程需购置计算机，并配置编程软件。
采用哪种编程方法应根据需要决定。
（6）据是否联网通信选型
若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。
大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。
（7）对 PLC 结构形式的选择
在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。
但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式。
由以上几个基本原则和对图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。
3.4特殊功能模块的选择
3.4.1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-10V～+10V，输入阻抗为200kΩ，分辨率为5mV；电流输入时，输入信号为DC-20mA～+20mA，输入阻抗为250Ω，分辨率为20μA。
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15ms/kbit，综合精度为量程的1%。
FX2N-4AD的工作电压为DC24V，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5V电源槽30mA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。
3.4.2FX2N-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①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（0.1~0.47μF，25V），如图3-5的②处；如果使用电流输入，将V+和V-短接，如图3-5的③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④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⑤处。
图3-5FX2N-4A/D模块的接线方式
3.4.3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3-1FX2N-4A/D模块BFM分配表
BFM
内容
*#0
初始化通道
*#1
CH1
平均值采样次数（取值范围1~4096）
默认值为8
*#2
CH2
*#3
CH3
*#4
CH4
#5
CH1
分别存放4个通道的平均值
#6
CH2
#7
CH3
#8
CH4
#9
CH1
分别存放4个通道的当前值
#10
CH2
#11
CH3
#12
CH4
#13~#14
#16~#19
保留
#15
A/D转换速度的设置
当设置为0时，A/D转换速度为15ms/ch
当设置为1时，A/D转换速度为6ms/ch
#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。
3.4.4检测参数设置
如图3-6所示：
图3-6检测参数设置
3.5I/O口设计
如表3-2所示：
3-2I/O口地址表
地址
元件
注释
X0
KA1
主电源U1相输入检测
X1
KA2
主电源V1相输入检测
X2
KA3
主电源W1相输入检测
X3
KA6
备用电源U2相输入检测
X4
KA7
备用电源V2相输入检测
X5
KA8
备用电源W2相输入检测
Y0
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