基于plc的双电源开关设计大学毕业设计论文.docx
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基于plc的双电源开关设计大学毕业设计论文
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3
2基于PLC双电源开关总体方案设计3
2.1设计要求3
2.2总体方案的确定3
3基于PLC双电源开关控制系统硬件设计4
3.1电气控制方案设计4
3.2PLC型号的选择7
3.3特殊功能模块的选择7
3.4I/O口设计10
3.5系统外部连线电路设计11
4基于PLC双电源开关控制系统软件设计11
4.1流程图设计11
4.2梯形图设计12
4.3PLC程序语句表13
5总结13
参考文献14
1前言
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。
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
3.2PLC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-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15Mbps，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。
3.3.2FX2N-4A/D模块的接线方式
图3-5FX2N-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。
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3-1FX2N-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15Msps
当设置为1时，A/D转换速度为6Msps
#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
3.4I/O口设计
如表3-2所示：
表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
KM3
主电源A欠压与过压检测
Y1
KA5
主电源A工作正常
Y2
KM1
主电源A投入工作
Y3
KM4
备用电源B欠压与过压检测
Y4
KA10
备用电源B工作正常
Y5
KM2
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X0~X6，作为输出信号的KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4分别接在PLC的Y0~Y6。
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4-3PLC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，20051-14
[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，20059-8
[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，20067-5
[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，199812-60
[5]林小峰.可编程序控制器及应用.北京：
高等教育出版社，199117-26
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