基于PLC低压双电源智能开关设计.pdf

l 泣 匐 化 基于P L C 低压双 电源智能开关设计 Des i gn of au t om a t i c i n t el l i gent s w i t ch o f dual l o w v ol t ag e p ow er s uppl y ba s ed on PL C 陈军统 ，潘再平 ，杨舒捷。 CH E N J u n t o n g。 ． P AN Z a i ． p i n g 。 Y A N G S h u - j i e。 1 ． 浙江科技学院，杭州 3 1 0 0 2 3 ；2 ． 浙江大学，杭州 3 1 0 0 2 7 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 PL C 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 P L C 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。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；P L C；数据处理 ；缺相和欠压保护 中图分类号T P 3 1 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 4 下 - 0 1 3 5 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 4 下 ． 4 O 0 引言 双 电源切 换控制主要用于三相 交流 3 8 0 V ／ 2 2 0 V 3 N 5 0 Hz 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 P L C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 白于三相电源的主 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 P L C的输入信号，即作为编制 P L C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 P L C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 系统方案确定 P L C的双 电源开关工作时，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 计总体结构方案如图 1 所示。 图 1 总体方 案框 图 在 图 l中， A为主电源 ，B为备用电源，分别 与 P L C连接 ，作为 P L C输入检测信号。首先进行 主电源 A的输入检测，当 P L C检测 A无任意相缺 收稿日期2 0 1 1 -1 1 - 0 1 作者简介陈军统 1 9 7 0 一，男，浙江永康人，讲师，硕士，主要从事微机应用和机器人控制研究工作。 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 4 下 [ 1 3 5 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 化 相时 ，相应的逻辑开关会闭合 ，使 F X2 N一 4 A ／ D接 受经过 P L C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 。 2 系统硬件设计 2 ． 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 2 、图 3 、图 4和 图 5所示。 又如 图 2的 电气控制过 程 图中，K A1 ， KA 2 ， K A3 分别作为主电源 A的三相检测 如图 2所示 ，有 且当 KAI ， KA 2 ， KA3线圈同时得电时 即无任意 相缺相 ，才会驱动 K M3线 圈，使动和触点 K M3 闭合 ，从而进行 A的三相欠压检测 如图 5 所示 。 又当三相欠压检测后，电压在设定范围内时 ，驱 动 K A4 ， 使触点 K A4闭合 ，此时主电源状态显示 灯 H L1 亮，说明此时 A电源状态良好，同时驱动 K A5线圈，使动合触点 KA 5闭合，允许 A电源的 投入使 用。而后 K A5闭合 时，使 K M1 得 电，负 载与电源 A接通。其次 ，主电源输入检测回路 图 2 中的常 闭触点 K A5分 别与发 电机 启动 控制 回 路 图 3 中的延时继电器线圈和备用电源检测回 路 图 4 中的三相检测回路相连接 。E l 的是，如 果主电源 A状态良好的话 ，那么常 闭触点 K A5会 得电断开，同时发电机启动控制回路 图 3 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 4 中的三相检测回 路 中也会 由于 KA 5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。 如图 3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 KA 5不 能得 电，K A5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 发 电机启动控制回路 图 4所 示 的备用 电 源检 测 回路，KA 6 ， KA7 ， KA8分别作为备用电源 B的三相检测时，有且当 K A6 ， K A7 ， KA8线圈同时得 电时 即无任意 相缺 相 ，才会驱动 K M4 线圈，使动合触点 K M4闭合 ， 从而进行 B的三相欠压检测 如图 5所示 。又当 三相欠压检测模块 F X2 N 一 4 A ／ D检测到电压在设定 范围内时，驱动 K A9 ，使触点 KA 9闭合 ，此时备 厂 一 一／ 圈一 匡 匡 习网 二 l [ J I 【二 F U 1 K M l ． { 图2 主 电源检测 回路 [ 1 3 6 ] 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 4 下 用 电 源 B状 态 显 示 灯 HL 2 亮，说 明此时 B电源状态良 好 ， 同 时 驱 动 KA1 0线 圈 ， 使 触点动合 KA1 0闭合 ，允 许 B电源的投入使用。 2 ． 2 l／ O口设计 I ／ O 口分布如表 1 所示。 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l II5 似 表1 I ／ O口地址表 地址 元件 注 释 XO KA1 主电源U1 相输入 检测 Xl KA2 主电源Vl 相输入检 测 X2 KA3 主电源W 1 相输入检测 X3 KA6 备用电源U2 相输入检 测 X 4 KA7 备 用电源V2 相输入检 测 X5 KA8 备 用电源W2 相输入检测 Y 0 KM3 主电源A欠压 与过压检 测 Yl KA5 主电源A工作正常 Y2 KMl 主 电源A投入工作 Y3 KM4 备 用电源B欠压与过压检测 Y 4 K A1 0 备 用电源B工作正常 Y 5 KM2 备用 电源B投入工作 内，此时状 态指示灯 H L1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 K M1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 K M 1 线圈则不会得电，那么连接在 B控制回路的动 断 触点 KMI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 图5 电源欠压检测控制 号 的 K A4 、K A1 0 、K M1 、K M2 、KM3 、K M4分 别接在 P L C的 YO Y 6 ，对应的接线如下图 6所示。 F X2 N一 4 A／ 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 P L C中， P L C在经过相应的数 字处理 以实现 电源的过压 与 欠压 的检 测 。 3 系统软件设计 得电，使 电源 B断开 ，如此循环。 3 - 1 P L C控制系统程序设计主要步骤 于简单的控制系统可 2 设计 梯形 图。 要设计 好梯形 图， K M 2 。 1 ． 时还要有一定得实践 KA 一 3 根据梯形图编 ⋯ r 4 用程序编程器 H L 2 【 二 并检查键入的程序是 K ／A 1 0 5 对程序进行调 匕 ， 勺 ；旦 I lk l 凸 ． 1 _ FU2 ’ 。 ’。 。 ’ ⋯’ 。 主 电源 检 测过程 输入是否缺相 无 ⋯ w z l 匡 叵 肉 _ J U 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 4 下 1 3 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 篷 匐 似 1“ 1 1 、{ XO X l X2 X3 X4 X6 X7 X8 X9 FX2 N一 4 A， D P LC CH l CH4 YO Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y 6 V I VI I⋯． ． V I VI 一 6 6 关闭 电压输入信号 X 图6系统外部接线图 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 软件流程图如图 7所示 丽丽霹 判断电路A输 竺 相 ／ I 无 缺 相 判断A是否欠压 与负载接通 有缺相 有 欠压 图7 软件 流程 图 电源B缺相检 测 ＼／ 无缺相 欠压检测 I 无 欠 压 ／ 人＼ 判断A 是否欠压 3 ． 3 梯形图设计 P L C梯 形 图 如 图 8所 示 选 用 F X2 N 系 列 P L C ，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 一 KA3和 KA 6 一 KA 8 ，其 常开 触点 分别作 用 于 P L C 的输入端的 XO X2 、X3 一 X 5 。在 P L C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 X O、X1 和 X 2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 、X 4和 X 5的 “ 与”逻辑。 【 1 3 8 】 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 - 4 下 4 结束语 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 P L C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 u A l X 2 I l l I f I 、 Y0 _ _ 1 l }T 0 1 K 0 I K o l i3 o 0 D lK 一F R O M I K 0 ] K 5 ID 0 [ K a 蜩 巫珊 M 0 M 3 M 6 巫囝园圈 j L l l I I ／ l I l I I l 、 Y l I I ／ X3 X4 X5 Y3 M O M 3 M 6 H _ } 卞一 -----． _ J T O I * O IK o I 3 0 0 O I K , p R o M I K I】 l K 5 J D 0 l K a 而 韭 _ _ { 硼 M 9 M l 2 M 1 5 l I l l I I 、 Y4 Y2 I l I ， 图8 P L C 梯形 I冬 I 与总线网络设计加 以强化。并且 系统可以扩展无 线发射模块 ，将 检测的信息及时地发到安全控制 中心 ，能为保护人生和财产安全做到很好的保障 。 参考文献 【 1 J张鹤鸣 ， 刘耀元 ， 张辉先 ． 可编程控制器原理及应用教程 第二版 【 M] ． 北京大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． 【 2 】赵全利． P L C 基础及应用教程 三菱F X2 N系列 【 M1 ． 机械 工业 出版社． 2 0 1 1 ． 【 3 J李海 ， 崔雪 ． 电丁技术【 M】 ． ． 武汉大学 出版社 2 0 1 1 ． 【 4 】张宪． 电工技术 电工学I [ MI ． 国防工业出版社， 2 0 0 3 ． 【 5 】廖常初 ． F X系 ；i| P L C 编程及应用 I M】 ． 北京 机械工业 出 版社 ， 2 】 0 4 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m