基于PLC控制的双电源供电系统及其监控系统的设计【论文+程序+组态】.rar

输入 输出X0 手动/自动 Y0 运行指示X1 1#常用电源开 Y1 1#电源开X2 2#备用电源开 Y2 2#电源开X3 电源报警 Y3 重要负荷 1X4 手动复位 Y4 重要负荷 2D10 电流信号 Y5 供电线路 3D11 电压信号 Y6 供电线路 4Y7 供电线路 5Y10 重要负荷 6Y11 重要负荷 7Y12 供电线路 8Y13 供电线路 9Y14 供电线路 10Y15 报警指示I基于 PLC 控制的双电源供电系统及其监控系统的设计摘 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(PLC)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(PLC)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。PLC 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。本文分析了双电源供电系统及其监控系统的设计理念，设计方法，主要阐述了系统硬件、监控系统软件的设计。关键词：双电源切换；PLC；数据处理IIAbstractWith the increasing demand for power supply reliability, many occasions need two power sources to ensure the reliability of power supply. This requires a dual power switcher to reliably switch between two power sources. The use of programmable controller (PLC) to solve these problems has a unique advantage. It has a broad application prospect and great market potential in electrical automation. Compared with the traditional relay control system, the advantage of programmable logic controller (PLC) is that the volume is miniaturized and highly integrated, as well as the functions of digital operation, data processing and data communication. As a new generation of industrial control device, PLC is simple in structure, comprehensive in performance and high in reliability. This topic is based on programmable controller's dual power switch design, which is used to realize dual power switch's self throw, self recovery, lack of phase and under voltage protection, so that it can meet the needs of enterprises with high power demand. In this paper, the design concept and design method of the dual power supply system and its monitoring system are analyzed. The design of the software of the system hardware and monitoring system is mainly expounded.Key words: dual power switching; PLC; data processing目 录第 1 章 绪 论 ..................................................................................................................................11.1 设计背景 .............................................................................................................................11.2 可编程控制器介绍 .............................................................................................................11.2.1 可编程逻辑控制器简介 ..........................................................................................11.2.2 PLC 的结构 ..............................................................................................................31.2.3 PLC 各组成部分介绍 ..............................................................................................31.2.4 PLC 的工作原理 ......................................................................................................41.3 设计的主要内容 .................................................................................................................4第 2 章 双电源供电系统总体方案设计 ..........................................................................................62.1 系统设计原则 .....................................................................................................................62.2 控制方案的选择 .................................................................................................................62.2.1 继电器控制 ..............................................................................................................62.2.2 PLC 控制 ..................................................................................................................72.3 系统功能设计 .....................................................................................................................82.4 PLC 选型 .............................................................................................................................8第 3 章 基于 PLC 双电源开关控制系统硬件设计 ........................................................................93.1 设计要求 .............................................................................................................................93.2 PLC 型号的选择 .................................................................................................................93.3 I/O 口设计 .........................................................................................................................113.4 系统外部连线电路设计 ...................................................................................................12第 4 章 控制系统的软件设计 ........................................................................................................134.1 控制系统程序设计 ............................................................................................................134.2 双电源供电系统组态的监控 ...........................................................................................174.2.1 组态王组态软件的介绍 ........................................................................................174.2.2 双电源供电系统的工程的动画设计 ....................................................................18第 5 章 系统调试 ............................................................................................................................225.1 硬件调试 ...........................................................................................................................225.2 软件调试 ...........................................................................................................................225.3 整体调试 ...........................................................................................................................22第 6 章 结论 ....................................................................................................................................24致 谢 ..............................................................................................................................................25参 考 文 献 ....................................................................................................................................260第 1 章 绪 论1.1 设计背景双电源切换控制主要用于三相交流(380V／220V 3N 50Hz)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 可编程控制器介绍1.2.1 可编程逻辑控制器简介PLC 是英文 Programmable Logic Controller 的缩写，学术上理解为可编程逻辑控制器，是一种用于工业生产自动化控制的电子集成装置。它的硬件组成与微型计算机大致相同，采用一种可编程的存储芯片，用来存储由上位机写入的程序，进而进行各种复杂的运算。1 高可靠性PLC 被公认为是最可靠的工业生产自动化控制设备之一，为何能有此美誉？源于工控人对于产品品质的不断追求，才有了现在如此可靠稳定的设备性能，1首先对于设备的抗干扰能力，PLC 本身采取了许多方面的抗干扰措施，主要表现在软硬件上，两者结合，相互补充，甚至可以直接在工业生产有强干扰的场所使用，故障率极低。2 功能丰富PLC 是利用应用程序实现控制的，在编写应用程序时灵活方便，可供使用的语言有顺序功能图（SFC ） 、梯形图（LD） 、指令表（ IL） 、功能块（FBD） 、结构文本（ST）等等。另外，PLC 拥有良好的通用性，主要体现在为实现不同的控制要求时，用不同的软件可以完成对相同硬件构成的 PLC 进行不同的控制。当被控对象的需要改变控制逻辑时，只需简单操作就可实现控制过程，若要在继电器控制中实现还是难度很高的。3 使用便捷PLC 产品已经有了固定的标准、丰富的系列、多样的模块，使用者只需遵循控制系统的要求的内容进行灵活方便的系统配置即可。PLC 的安装接线也很方便，一般直接将外部接线与接线端子连接即可，并不需要内部接线，不像传统继电器系统，在使用的情况下接线变得繁琐复杂，因为在 PLC 内部已经使用程序软件取代了大量硬件器件。此外，为了适应工艺条件的变化，PLC 控制系统在相同配置的情况下，仅通过修改用户程序即可实现不同的系统功能。而且PLC 的用户程序可直接模拟调试，一些设备厂商还开发了相应的软件包，比如Omron 的 CX-ONE，通过软件调试后，在进行 PLC 的现场调试，可大大缩短开发周期。4 体积小、能耗低、性价比高PLC 的体积小、质量轻，以 Simmons 公司的 S7-200 为例，CPU221 的外形尺寸为 90mm*80mm*62mm，其中 DC/DC/DC 型的 CPU221 质量仅为270g；CPU224 的外形尺寸为 120mm*80mm*62mm，其中 DC/DC/DC 型的CPU221 质量仅为 360g。其可为机电一体化控制提供优秀的设备支撑。施耐德电气电力自动化有限公司是世界上有名的 PLC 生产商，在我国北京、上海等大都市，PLC 项目公司很多都是采用西门子公司的 PLC 来进行处理，它具有相当大的市场。同时由于它价格便宜，而且使用性能较好，因此越来越多的人开始关注它，它的市场也越来越大，是仅次于西门子以及三菱的又一大可2编程控制器生产厂商。1.2.2 PLC 的结构PLC 的结构：一般 PLC 都是典型的计算机结构。主要是由 CPU（中央处理器） 、RAM （随机存取存储器） 、ROM（只读存储器）和输入/输出接口电路和电源等部件组成的，这些部件都是 PLC 组成的必不可少的部分。假设将 PLC看成一个系统的话，那么系统是由输入变量-PLC-输出变量组成的，这个系统外部的各种的开关信号、模拟信号和传感器检测的信号都是输入变量，这些信号就是输入变量的组成部分，当这些信号经过 PLC 的外部端子被输入到内部的寄存器当中时，之后通过 PLC 内部的运算和处理之后再传送到输出端子，再由输出端子输出结果，这个就是通过输出变量对外围的设备进行控制。1.2.3 PLC 各组成部分介绍PLC 由中央处理器 CPU、存储器（ CRM 和 ROM） 、输入输出接口(I/O 模块)、电源和编程器这些部件组成。（1）中央处理器 CPU中央处理器 CPU 是 PLC 的核心部分，CPU 等同于是 PLC 的“大脑”。而CPU 的在 PLC 中的功能也等同于大脑在人体中的作用，是 PLC 所有的部件之中最必不可少的部分，负责处理 PLC 之中所有的指令。首先 CPU 接收同时并存储用户在编程器输入的程序和数据，将这些数据存储之后在对这些数据进行处理，看这些程序是否正确，是否可以在 PLC 之内运行。CPU 还能扫描并且可以查看现场输入装置里面的信号状态或数据，记录下这些数据或状态之后，CPU 会将数据存入输入过程状态寄存器或者数据寄存器之中，再输入这些之后，CPU 可以对这些数据进行查看并保存。CPU 还能查看 PLC 内部的电路的工作状态和用户在编程过程中出现的一些语法错误，即在运行程序时可以检查出当时输入程序是人们发生的一些错误，便于人们检查是否出错，诊断电源的状况等，同时查看 PLC 的运行状态是否正常。当 PLC 运行之后，CPU 会在存储器之前存入的数据之中逐条读取用户程序并且运行控制，让系统可以按照人们之前输入的程序指令来控制电路，完成控制任务。CPU 还能通过区分时间和渠道执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等来完成用户编写的程序所指示的运算任务，并且在这之后可以结合之前的运算结果，改变相关的标志位的状态3和当时输出状态寄存器的内容等，之后再由这些内容完成输出控制、数据通信等功能的控制。这些都是 CPU 可以完成的事情。一般通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器都是 PLC 常用的 CPU 的类型，这些都是不错的选择。（2）存储器存储器是 PLC 当中用来存储数据或程序的，又被称为内存。它包括了随机存取存储器（简称 RAM）和只读存储器（简称 ROM） 。（3）输入输出接口I/O 模块是中样处理器 CPU 和现场的 I/O 设备或者是其他的外部设备之间连接的部件。（4）电源PLC 配有开关式稳压电源的电源模块，可以用来对 PLC 的内部电路进行供电。（5）编程器编程器是可以进行用户程序的编写、编辑、调试和监视，人们可以在编程器中进行程序的输入和编写，同时还能通过键盘去调用和显示 PLC 的一些内部状态和系统参数，让人们查看是否程序出错。它经过接口与 CPU 联系，完成人机对话。1.2.4 PLC 的工作原理PLC 是一般是采用 “顺序扫描，不断循环”这种方式进行工作的。在 PLC 运行的时候， CPU 可以根据程序指令，就是用户之前编写好并储存在用户存储器中的程序，按照指令步序号进行周期性循环扫描，看程序是否出错或者是有无跳转指令。如果没有跳转指令的话，系统就会从第一条指令开始执行并且逐条地顺序执行用户程序，执行新用户之前输入的程序指令，直到程序结束。之后重新返回到程序的第一条指令，开始新的下一轮扫描并执行指令。在每次的扫描过程中，系统同时还需要完成对输入信号的采样执行和对输出状态的刷新输出结果等这些工作。因此工作量还是比较大的。 PLC 的一个完整的扫描周期必须有输入采样、程序执行和输出刷新这三个阶段。这三个阶段必不可少，少了任何一个阶段都不是一个完整的扫描周期。这个就是 PLC 的工作原理。1.3 设计的主要内容4PLC 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。5第 2 章 双电源供电系统总体方案设计2.1 系统设计原则（1）正常工作时，另一电源备用，可手动切换，当工作电源失电时，报警，运行人员手动切换供电电源，恢复供电后手动复归报警。（2）400V 侧每段母线分担 5 回供电线路，各有两回是重要负荷，母线联络开关采用自动空气开关，当一台变压器因故障退出时，自动切除故障变压器并报警，并选择性切除负荷，并确保为重要负荷供电。当故障变压器恢复正常时，由人工手动恢复全部负荷供电，进入初始运行模式。（3）正常运行时，显示各开关的状态，显示两电压等级的实时电压及各回路的实时电流，显示日期、时间。（4）操作人员获准后，可以进行任一开关的通断。（5）当回路电流超过其整定值 1 时，报警；超过其整定值 2 时跳闸并报警，整定值自己设置。2.2 控制方案的选择2.2.1 继电器控制利用在输入信号作用下输出仅为通、断状态，以及一些其他功能的器件来进行自动锅炉点火系统的控制。继电控制也可称开关控制。例如，电路断开或接通是通过炉温是否超过预定的值。这种仅靠接通通和断开两个状态来控制的系统称双位式控制。伺服控制继电器是通过功率继电器控制驱动装置按照正负偏差管理电压。为避免正或负之间的持续振荡，在向前和向后之间常设置一个死区[9] 。例如，利用双金属片作为双位式调节系统中的主控元件，通过金属片两部分的膨胀系数不同，随意随温度的变化产生的弯曲也不同来控制开合。还有其他一些拥有继电特性的元件。虽然继电器已应用到千家万户以及各个领域，同时他们拥有比以往的控制系统具有更高的可靠性。但是，它也存一些问题。如果继电器在不进行修护的条件下而长期使用，那么容易破损导致系统奔溃。其次，如果在一个复杂系统中，需要安装很多个继电器器件，这样对系统的线路结构肯定复杂麻烦。另外，继电器对电能的消耗比较大，容易产生噪音。再次，继电器的连接与安装会耗6费大量的人力。2.2.2 PLC 控制PLC 是集计算机、自动控制通讯三大技术而发展起来的具有可靠性高、程序简单、维护方便等优点的新型控制装置，工业控制领域已经被广泛应用。主要有 CPU、RAM 和输出输出及电源构成。 PLC 的优势、特点及功能如下：（1）具有多种功能。可一进行顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等任务。（2）接口灵活方便。既可以与模拟量也可以与数字量进行连接，还具有扩展功能和通信功能。（3）通用性强。标准化硬件，各种各样功能的模块，可以灵活搭配组装到不同的系统。另外程序的移植编译容易。（4）具有强大的可靠性和抗干扰能力。在复杂的工业现场，面对电磁、温湿度变换、恶劣的现场环境下，仍然可以正常工作。经过比较分析,在逻辑控制，数字运算，可靠性能、抗干扰能力方面，PLC控制都比继电控制在要优越，我们要设计的自动锅炉点火系统能够运行时间长、安全可靠、易于维护和改动。因此用 PLC 来设计比较好。如图 2-1 所示为系统的总体设计方案。