基于PLC的双电源开关设计.docx
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基于PLC的双电源开关设计
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-
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