基于PLC双电源开关设计的研究

王进才

摘要：矿井电气控制技术的先进性直接影响到矿井的生产及其安全等各个方面，在矿井生产中不间断供电是生产的首要条件，所以本设计主要应用先进的PLC（可编程控制器）技术对这个问题进行阐述。在矿井生产中需要用两路电源来保证电的可靠性，采用PLC解决这类问题具有独特的优势，故采用基于PLC的双电源开关设计，用以实现双开关的自投自复、缺相和欠压保护等。

关键词：PLC，双电源开关

1 基于PLC双电源开关总体方案设计

双电源开关用在矿井紧急供电的双电源系统中时，当一路电源（主电源）出现故障时，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。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。又由于在矿井紧急供电场所，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1-1所示：

在图1-1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。

2 基于PLC双电源开关控制系统硬件设计

2.1 电气控制方案设计

电气控制过程的分析：如图1-2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，当且有KA1，KA2，KA3线圈同时得到电时（即无任意相缺相时），才会驱动KM3线圈使触点KM3闭合，从而进行A的三相欠压检测。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，使触点KA5闭合，允许电源A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（如图1-2所示）中的常闭触点KA5分别与发电机启动控制回路中的延时继电器线圈和备用电源检测回路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中的三相检测回路也会由于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。

2.2 PLC型号的选择

目前，可编程控制器产品种类繁多，同一厂家也常常推出几个系列产品，这就需要用户去选择最合适自己要求的产品。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择首先是可靠性过关的产品，其次可从以下几个方面来考虑。

（1）输入/输出点

PLC平均的I/O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%～15%的裕量来确定。

（2）根据输出负载的特点选型？

不同负载对PLC的输出方式有相应的要求。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）而且电压等级范围大等。故动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。

（3）对？PLC？结构形式的选择？

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。？

由以上几个基本原则和对整天控制方案的分析可知输入信号的触点有KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8六个触点，输出信号的触点有KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4六个触点，查资料可知可选用FX2N-32MR基本单元，输入和输出点数分别为8个。

2.3 I/O口设计

控制状态说明：当其三相任意相无缺相现象，且电压的范围在指定工作电压的范围之内，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电源控制回路触点KM1断开的作用使B电源不会投入使用而A电源正常工作。如果A电源出现故障时，即在A电源控制回路的KM1线圈则不会得电，则连接在B控制回路的触点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。

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，对应的接线如图1-7所示。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。

3 基于PLC双电源开关控制系统软件设计

3.1 流程图设计

有主设计方案易知主电源检测过程：PLC初始化→判断电源A的输入是否缺相→无缺相则进行电源A的过压与欠压检测→无过压与欠压现象→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，经延时后确认无误后起动发电机→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→无过压与欠压现象→备用电源投入使用与负载接通。

3.2 梯形图设计

三相缺相检测采样信号中，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点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。

参考文献：

[1]张运刚，宋小春，郭武强.从入门到精通-三菱FX2NPLC技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2009

[2]沙占友.开关电源优化设计[M].北京：中国电力出版社，2009

[3]马西秦.自动检测技术[M].北京：机械工业出版社，1995