王進(jìn)才

摘要：礦井電氣控制技術(shù)的先進(jìn)性直接影響到礦井的生產(chǎn)及其安全等各個(gè)方面，在礦井生產(chǎn)中不間斷供電是生產(chǎn)的首要條件，所以本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用先進(jìn)的PLC（可編程控制器）技術(shù)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行闡述。在礦井生產(chǎn)中需要用兩路電源來(lái)保證電的可靠性，采用PLC解決這類(lèi)問(wèn)題具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，故采用基于PLC的雙電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，用以實(shí)現(xiàn)雙開(kāi)關(guān)的自投自復(fù)、缺相和欠壓保護(hù)等。

關(guān)鍵詞：PLC，雙電源開(kāi)關(guān)

1 基于PLC雙電源開(kāi)關(guān)總體方案設(shè)計(jì)

雙電源開(kāi)關(guān)用在礦井緊急供電的雙電源系統(tǒng)中時(shí)，當(dāng)一路電源（主電源）出現(xiàn)故障時(shí)，另一路電源（備用電源）可以實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)地投切轉(zhuǎn)換，這是雙電源開(kāi)關(guān)的基本功能。而基于PLC的雙電源開(kāi)關(guān)，不僅要實(shí)現(xiàn)上述功能，而且要對(duì)三相電源各相進(jìn)行缺相檢測(cè)，同時(shí)還要對(duì)電源各相進(jìn)行精確的電壓檢測(cè)，當(dāng)電源電壓不在指定的范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，必須進(jìn)行自動(dòng)切換。在基于PLC的雙電源開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，必須只能有一個(gè)電源與負(fù)載接通，且在一路電源故障時(shí)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。又由于在礦井緊急供電場(chǎng)所，各用電設(shè)備的總功率較大，必須使用發(fā)電機(jī)設(shè)備供電。那么根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)方案如下圖1-1所示：

在圖1-1中，A為主電源，B為備用電源，分別與PLC連接，作為PLC輸入檢測(cè)信號(hào)。首先進(jìn)行主電源A的輸入檢測(cè)，當(dāng)PLC檢測(cè)A無(wú)任意相缺相時(shí)，相應(yīng)的邏輯開(kāi)關(guān)會(huì)閉合，使FX2N-4A/D接受經(jīng)過(guò)PLC基本單元檢測(cè)后傳過(guò)來(lái)的無(wú)缺相的電壓信號(hào)，則隨后進(jìn)行A電源的三相回路欠壓檢測(cè)，如果此時(shí)主電源A良好的話(huà)，相應(yīng)的狀態(tài)指示燈會(huì)亮，說(shuō)明此刻主電源狀態(tài)良好，同時(shí)主電源與負(fù)載接通。在主電源A出現(xiàn)故障后（即主電源A出現(xiàn)缺相或者欠壓時(shí)），此時(shí)會(huì)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，使備用電源B啟動(dòng)，同時(shí)主電源會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。備用電源B啟動(dòng)后，同樣要進(jìn)行三相回路的缺相檢測(cè)和欠壓檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程同A。檢測(cè)無(wú)故障后，隨即實(shí)現(xiàn)備用電源與負(fù)載的接通。

2 基于PLC雙電源開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制方案設(shè)計(jì)

電氣控制過(guò)程的分析：如圖1-2的電氣控制過(guò)程圖中，KA1，KA2，KA3分別作為主電源A的三相檢測(cè)，當(dāng)且有KA1，KA2，KA3線(xiàn)圈同時(shí)得到電時(shí)（即無(wú)任意相缺相時(shí)），才會(huì)驅(qū)動(dòng)KM3線(xiàn)圈使觸點(diǎn)KM3閉合，從而進(jìn)行A的三相欠壓檢測(cè)。又當(dāng)三相欠壓檢測(cè)模塊FX2N-4A/D檢測(cè)到電壓在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，驅(qū)動(dòng)KA4，使觸點(diǎn)KA4閉合，此時(shí)主電源狀態(tài)顯示燈HL1亮，說(shuō)明此時(shí)A電源狀態(tài)良好，同時(shí)驅(qū)動(dòng)KA5線(xiàn)圈，使觸點(diǎn)KA5閉合，允許電源A投入使用。而后KA5閉合時(shí)，使KM1得電，負(fù)載與電源A接通。其次，主電源輸入檢測(cè)回路（如圖1-2所示）中的常閉觸點(diǎn)KA5分別與發(fā)電機(jī)啟動(dòng)控制回路中的延時(shí)繼電器線(xiàn)圈和備用電源檢測(cè)回路中的三相檢測(cè)回路相連接。目的是，如果主電源A狀態(tài)良好的話(huà)，那么常閉觸點(diǎn)KA5會(huì)得電斷開(kāi)，同時(shí)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)控制回路中的延時(shí)繼電器線(xiàn)圈便不會(huì)得電，則不會(huì)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)；同時(shí)在備用電源檢測(cè)回路中的三相檢測(cè)回路也會(huì)由于KA5的作用，不會(huì)進(jìn)行備用電源的輸入檢測(cè)，避免備用電源的誤動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的連鎖保護(hù)作用。

2.2 PLC型號(hào)的選擇

目前，可編程控制器產(chǎn)品種類(lèi)繁多，同一廠家也常常推出幾個(gè)系列產(chǎn)品，這就需要用戶(hù)去選擇最合適自己要求的產(chǎn)品。一般選擇機(jī)型要以滿(mǎn)足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇首先是可靠性過(guò)關(guān)的產(chǎn)品，其次可從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。

（1）輸入/輸出點(diǎn)

PLC平均的I/O點(diǎn)的價(jià)格還比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點(diǎn)的數(shù)量，在滿(mǎn)足控制要求的前提下力爭(zhēng)使用的I/O點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。通常I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上10%～15%的裕量來(lái)確定。

（2）根據(jù)輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型？

不同負(fù)載對(duì)PLC的輸出方式有相應(yīng)的要求。如，頻繁通斷的感性負(fù)載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的PLC有許多優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價(jià)格相對(duì)較便宜，承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)，其負(fù)載電壓靈活（可交流、可直流）而且電壓等級(jí)范圍大等。故動(dòng)作不頻繁的交、直流負(fù)載可以選擇繼電器輸出型的PLC。

（3）對(duì)？PLC？結(jié)構(gòu)形式的選擇？

PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。整體式PLC的每一個(gè)I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小，一般用于系統(tǒng)工藝過(guò)程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴(kuò)展靈活方便，在I/O點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、I/O模塊的種類(lèi)等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。？

由以上幾個(gè)基本原則和對(duì)整天控制方案的分析可知輸入信號(hào)的觸點(diǎn)有KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8六個(gè)觸點(diǎn)，輸出信號(hào)的觸點(diǎn)有KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4六個(gè)觸點(diǎn)，查資料可知可選用FX2N-32MR基本單元，輸入和輸出點(diǎn)數(shù)分別為8個(gè)。

2.3 I/O口設(shè)計(jì)

控制狀態(tài)說(shuō)明：當(dāng)其三相任意相無(wú)缺相現(xiàn)象，且電壓的范圍在指定工作電壓的范圍之內(nèi)，此時(shí)狀態(tài)指示燈HL1亮，在此情況下，即使電源B狀態(tài)良好，也會(huì)因?yàn)锽電源控制回路觸點(diǎn)KM1斷開(kāi)的作用使B電源不會(huì)投入使用而A電源正常工作。如果A電源出現(xiàn)故障時(shí)，即在A電源控制回路的KM1線(xiàn)圈則不會(huì)得電，則連接在B控制回路的觸點(diǎn)KM1不會(huì)動(dòng)作，使B投入使用。此后，如果A電源恢復(fù)正常的話(huà)，A電源控制回路KM1線(xiàn)圈得電，使電源B斷開(kāi)。

系統(tǒng)外部連線(xiàn)電路設(shè)計(jì)作為輸入信號(hào)的KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8分別接在PLC的X0～X6，作為輸出信號(hào)的KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4分別接在PLC的Y0～Y6，對(duì)應(yīng)的接線(xiàn)如圖1-7所示。FX2N-4A/D在接受外部電路經(jīng)降壓和整流的電壓信號(hào)后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)傳送到PLC中，PLC在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)字處理以實(shí)現(xiàn)電源的過(guò)壓與欠壓的檢測(cè)。

3 基于PLC雙電源開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 流程圖設(shè)計(jì)

有主設(shè)計(jì)方案易知主電源檢測(cè)過(guò)程：PLC初始化→判斷電源A的輸入是否缺相→無(wú)缺相則進(jìn)行電源A的過(guò)壓與欠壓檢測(cè)→無(wú)過(guò)壓與欠壓現(xiàn)象→主電源投入使用與負(fù)載接通。

備用電源的檢測(cè)過(guò)程：A有缺相或有過(guò)壓與欠壓現(xiàn)象時(shí)，經(jīng)延時(shí)后確認(rèn)無(wú)誤后起動(dòng)發(fā)電機(jī)→進(jìn)行備用電源B的缺相檢測(cè)→進(jìn)行備用電源B的過(guò)壓與欠壓檢測(cè)→無(wú)過(guò)壓與欠壓現(xiàn)象→備用電源投入使用與負(fù)載接通。

3.2 梯形圖設(shè)計(jì)

三相缺相檢測(cè)采樣信號(hào)中，作為U1和U2的三相缺相檢測(cè)的開(kāi)關(guān)量采樣信號(hào)的KA1-KA3和KA6-KA8，其常開(kāi)觸點(diǎn)分別作用于PLC的輸入端的XO-X2、X3-X5。在PLC梯形圖程序中，輔助繼電器Y0作為三相電源U1的三相缺相檢測(cè)，其接通條件為常開(kāi)輸入點(diǎn)XO、X1和 X2的“與”邏輯；同理，內(nèi)部中間繼電器Y3作為三相電源U2的三相缺相檢測(cè)，其接通條件為常開(kāi)輸入X3、X4和X5的“與”邏輯。

參考文獻(xiàn)：

[1]張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng).從入門(mén)到精通-三菱FX2NPLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009

[2]沙占友.開(kāi)關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009

[3]馬西秦.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995