毕业设计（论文）基于PLC的备用电源自动投入装置的设计（含全套CAD电路图）.doc

全日制普通本科生毕业设计 基于PLC的备用电源自动投入装置的设计DESIGN OF ALTERNATE POWER AUTO-CAST DEVICE BASED ON PLC 由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706学生姓名：学 号： 年级专业及班级： 2008级机械设计制造及其自动 化(1)班指导老师及职称： 学 部： 理工学部提交日期：2012年5月全日制普通本科生毕业设计诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本设计的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录摘要1关键词11 前言 11.1 备用电源自动投入装置的背景及意义 21.2 备用电源自动投入装置的现状与发展 2 1.2.1 基于微机备用电源自动投入装置的研究应用 3 1.2.2 基于PLC的备用电源自动投入装置的研究应用 7 1.2.3 基于远方备用电源自动投入装置的研究应用 8 1.3 本文的主要工作 102 备用电源自动投入的实现102.1 备用电源自动投入装置的要求102.2 备用电源自投的典型接线与实现方式10 2.2.1 备用电源自投的典型接线11 2.2.2 备自投的实现方式11 2.2.3 备用电源自动投入成功的几个要素122.3 备用电源自动投入的供电方案12 2.3.1 供电方案要求12 2.3.2 供电方案运行方式123 PLC硬件电路设计143.1 三菱FX2N系列可编程程序控制器及其基本指令 14 3.1.1 FX2N系列可编程程序控制器的基本组成14 3.1.2 FX2N系列可编程程序控制器型号名称体系及其种类14 3.1.3 FX2N系列可编程程序控制器技术指标15 3.1.4 编程元件的基本特征16 3.1.5 编程元件的功能和作用163.2 输入输出接线图193.3 PLC输出与断路器控制器 194 备用电源自动投入的软件设计21 4.1 程序设计流程图214.2 程序设计梯形图225 结论23参考文献 23致谢 24附录 25基于PLC的备用电源自动投入装置的设计学 生： 指导老师： 摘要:本文介绍了三菱可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）在备用电源中的应用。PLC采集一次设备的正常运行状态信号,作为备用电源自动投入的启动条件和闭锁条件,通过编程来实现不同的功能,以适应不同的运行方式。与继电器组成的备用电源自动投入装置相比,该方案具有可靠性高、接线简单、控制灵活、调试方便和投资小等优点。因此，可编程逻辑控制器在电力系统自动化领域中得以广泛应用。关键词：可编程逻辑控制器PLC；备用电源；三菱FX；Design of Alternate Power Auto-Cast Device Based on PLC Author: Tutor:CaiAbstract: A scheme of programmable logic controller PLC(Mitsubishi FX) which putts into the backup power automatically was introduces in this paper . PLC gathers the first equipment the normal operation of state signal as launce conditions and closed conditions of putting into the backup power automatically and through programming to achieve different functions to adapt to different operating manner. Compared with the relay consistence of putting into the backup power automatically device, this scheme has advantages of high reliability, simple wiring, control flexibility, convenience debugging, small investment and so on. Therefore, the programmable logic controller is widely used in the field of power system automation. Key words： programmable logic controller ;backup power; Mitsubishi FX;1 前言1.1 备用电源自动投入装置的背景及意义备用电源自动投入装置就是当工作电源因故障断开以后, 能自动而迅速地将备用电源投人到工作或将用户切换到备用电源上去, 从而使用户不至于被停电的一种自动装置, 简称备自投。在现代的生产、生活中，110kv,220kv系统相继建成，电网的短路容量越来越大，对电能质量的要求越来越高，许多用电设备必须在一定的电压、电流范围内工作，否则会损坏设备本身，甚至会引起局部用电网络的崩溃。许多企业的重要设备在运行中，要求不能够断电，一旦断电可能造成巨大的经济损失，这就需要在线路出现故障时，不但能够有备用的电源，并且可以及时的投入使用，可以大大提高供电的质量、连续性和可靠性，从而使设备不会遭到损坏，同时又可以保证生产过程的顺利进行，进而保证各种运行设备以及各个方面的安全，所以，就必须装设备用电源自动投入装置。在发电厂中, 备用电源自动投入装置用于投入厂用电备用变压器、备用线路及重要机械的电动机的自动投入。在变电站中, 变电站的分段母线上可以由彼此无联系的线路或变压器供电。利用备用电源自动投入装置, 在主电源跳闸后, 可以转由备用电源供电, 使用户重新得到供电1。备用电源自动投入装置可以有效地提高供电的可靠性, 而且本身的实现原理简单, 费用较低,所以在发电厂和变电站及配电网络中得到了广泛的应用。这是一种提高对用户不间断供电的经济而又有效的重要技术措施之一。备用电源自动投入的成功，能够及时地使工作中的设备得于持续运行，消除了运行人员手动操作时可能发生的不准确或错误的动作，减轻了运行人员的劳动强度，提高可劳动生产率，保证了用户用电的安全性、可靠性和连续性。1.2 备用电源自动投入装置的现状与发展备用电源自投装置作为电力系统中常用的一种安全自动装置, 其发展与继电保护装置一样经过了电磁整流型晶体管型集成电路型微机型等四个主要阶段。究其本质, 各阶段的主要技术区别在于对采集量（电流量、电压量、开关量）的运算方式和逻辑功能的实现方式上的不同。传统的继电器-接触器控制系统由于其结构简单,容易掌握,价格便宜,在一定范围内能满足控制要求,因而使用面甚广,在发供电系统中得到了广泛的应用。传统的备用电源自动投入装置(APR)就是通过继电器控制来实现母联断路器的自动投入。但继电器- 接触器控制系统又有着明显的缺点:设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变等,完成一种基本的保护或控制任务往往都必须由多个继电器共同承担,比如一条10 kV馈线的过流保护和自动重合闸控制就要用到数以十计的各种继电器,又由于继电器的触点要经常分合动作,容易损坏,降低了供电的可靠性,并增加了设备维护的工作量;同时,各继电器之间大量的连接导线不仅使调试检修困难极大,还致使变电站的各部分几乎不可能被连接成一个完整的自动化系统。因此,传统的机械触点继电器显然已不能满足变电站自动化对继电保护装置的要求。目前以微机型备用电源自投装置为应用主流, 它将电流量、电压量等模拟量通过压频变换器元件或元件转换为数字量送到装置的数据总线上, 通过预设程序对数字量和开关量进行综合逻辑分析, 并根据分析结果作用于相关断路器, 从而实现自动切换功能。新型微机备用电源自动投入装置，采用先进的单片机技术实现软硬件模块化设计，操作直观，运行可靠，有自适应特点，能根据变电站接线形式不同，自动采用最优自投方案，且特别适用于综合自动化配套应用，有强大的通讯功能：对时、传递事故报文，远方在线修改定值，投退备自投，远方复归动作信号等。可编程控制器( PLC)是一种性能较好的控制器。其主要特点是用内部已定义的各种辅助继电器(每个PLC可有多达上千个内部继电器)代替传统的机械触点继电器，又通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接线。正因为这一特点,如果将PLC引入继电器保护装置中,一方面可以克服使用传统继电器所带来的种种弊端;另一方面,又可兼容基于传统继电器的设计思想和技术方案,尤其是对于逻辑关系较为复杂的触点信号处理及操作出口控制,采用PLC编程能使方案设计工作变得更加简单方便 。1.2.1 基于微机备用电源自动投入装置的研究应用备用电源自动投入装置的作用是当正常供电电源因供电线路故障或电源本身发生事故而停电时，它将负荷自动、迅速切换至备用电源上，使供电不至中断，从而确保正常运行，把停电造成的经济损失降到最低程度。这种装置简称为APD 装置。在缺电的地方，越来越多的用户使用双电源，APD 装置在经济发展中发挥了重要的作用。大、中型工厂变电所主变压器低压侧常采用单母线分段的运行方式。将PLC应用于单母线分段联络断路器的备用电源自动投入装置中，可提高供电系统的可靠性。过去，设计使用的APD 装置均由传统的继电器来实现，这种类型的APD 装置因设计不完善，继电器多、触点多，或继电器本身存在的问题，发生振动或误动故障率较高。近年来，由于微机综合继电保护、微机APD 装置的不断完善与快速发展，微机备用电源自动投入装置以快速发展并发挥它的作用。微机APD 装置与传统的继电器式A P D 装置相比有如下不同的特点和优点：（1）装置直观简便：连线少，占据空间小，微机A P D装置可以在线查看装置全部输入量和开关量，以及预设值、瞬时采样数据和大部分事故分析记录。显示屏实时显示相关运行数据，并可调节。（2）可靠性高：采用了先进的电磁兼容性（E M C ）设计技术，新型抗电磁和尖脉冲干扰器件，mPC 器件、软件上采用了冗余、容错、数字滤波等技术精度高，免校验：精度均由软件调整、全数字化处理和接点信号系统。（3）智能化程度高，自适应能力强：通过面板或软件可设置和修改T V 、T A 变比、量程、接线方式、保护定值、定值越限触发等参数，保护功能均设有软压板，可根据现场需要投退，出口继电器均为可编程输出，所有设置参数断电后能保存10 年。（4）综合功能强：装置既可通过通讯口连成网络系统，接受主站监控，又可脱离网络独立完成各项功能，任一装置故障均不会影响其他设备，从而保证了整个系统的高可靠性。（5） 微机备用电源自动投入的核心是CPU，利用软件实现BZT逻辑，代替了机电式装置，具有和好的信息处理能力和记忆功能。同时也简化了接线，使检修重点由复杂的配线和电压继电器的调试转向BZT的理论研究。（6） 微机BZT就收得信号多，利用软件进行综合逻辑判断，解决了以往触点配合不好，BZT拒动、误动现象，提高了BZT正确动作率。（7） 微机BZT能实现常规BZT很难实现的自动纠错功能，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成的误动作。（8） 微机BZT采用通用的硬件构成，不同的BZT方式由软件决定，因此，只需要改变软件就可以得到不同方式的BZT，维护非常方便。（9） 微机BZT具有显示功能，人机界面友好，能记录BZT的动作信息，特别是BZT动作时间，利于事故后分析。（10） 微机BZT的实现过程更接近于理论，使BZT逻辑通过软件编制，避免了大量的电磁继电器来模拟BZT逻辑具有质的飞跃。根据运行经验，APD 装置只有满足下列基本要求才能更好地发挥它的作用：（1）APD 装置必须在工作电源失去电压或电压很低时、而备用电源正常时投入。（2）APD 装置应该保证停电时间最短，使电动机容易自起动。（3）APD 装置只应动作一次，以免在母线或引出线上发生持续性故障时，备用电源被多次投入到故障元件上，造成更严重的事故。（4）APD 装置应在工作电源失压后，不论其断路器是否已断开，装置自投起动延时到跳开工作电源断路器，并确认该断路器在断开后，自投装置才能投入。这样可以防止因工作电源在其它地方被断开，A P D 装置合于故障或备用电源倒送电的情况。（5）当电压互感器的熔断器熔断，二次断路器保护跳开，或拉开电压互感器刀闸或退出电压互感器手车，常用电源因负荷侧故障被继电保护切除时，AAPD 装置均不应动作，APD 装置还通过进线断路器电流检测，在进线侧无压无流的情况下，APD 装置才动作。（6）当备用电源无电压时，APD 装置不应动作。（7）APD 装置应躲过因任何原因引起母线电压下降的时间，这种情况是指母线电压在短时间内恢复正常，因而要求APD 装置延时时限应大于最长的外部故障切除时间。（8）微机APD 装置必须有低电压启动模块和无流检测启动模块。微机式备用电源自动投入装置大都采用16位或32位微处理器，配置大容量的存储器RAM和Flash Memory存储器，在软件中，其动作逻辑是通过对允许条件及闭锁条件的配置来实现的，而不是由二次回路的接线来完成，判断一次运行方式，给与这种一次运行方式对应的动作逻辑充电，然后检查该逻辑的允许条件和闭锁条件是否满足，从而产生相应的动作行为。微机式备投装置在软件中设计了充电器及相应的充电逻辑，来代替传统的脉冲合闸继电器的功能，确保备自投不会出现多次动作的情况。即使在手动分闸或相应保护跳闸需要闭锁备投，而闭锁接点动作后又返回的情况下，微机式备投装置也不会误动作，因为闭锁接点对充电器放电后，如某动作逻辑的允许条件满足，则该逻辑的充电逻辑将始终被闭锁。某些产品是这样设计的，将备投闭锁接点的输入设置为脉冲输入，即将闭锁信号保持直至手动对装置复归，这虽然能够解决上述问题，但要求在备投动作后、手动操作后或相应的闭锁备投的保护装置动作后，对备投装置手动复归，增加了运行人员的操作步骤和可能出现错误的机会。此处已删除FX系列PLC具有可进行高精度的浮点运算功能。用二进制浮点数进行浮点运算，同时用十进制浮点数实施监控7。输入端子是PLC从外部开关接收信号的窗口。在PLC内部，与PLC输入端子相连的输入继电器是一种光电隔离的电子继电器，有无数的电子常开触点和常闭触点，可在PLC内部随意使用。FX系列PLC的输入继电器（X）、输出继电器（Y）的编号是由基本单元故有地址号和按照与这些地址号相连的顺序给扩展设备分配的地址号的组成。这些地址号使用八进制数，因此不存在8、9这样的数值。FX系列PLC的输入输出继电器地址分配如表6所示。表5FX系列PLC的输入输出继电器地址分配表Table6 FX series PLC input and output relay address allocation table型号 FX-16M FX-32M FX-48M FX-128M输入 X000X007 X000X017 X000X027 X000X037输出 Y000Y007 X000Y017 X000Y027 X000Y077PLC内部有许多辅助继电器，这类辅助继电器的线圈与输出继电器一样，有PLC内的各种软元件的触点驱动。辅助继电器也有无数的电子常开和常闭触点，在PLC内可随意使用。但是，该触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动要通过输出继电器进行。（1） 一般用辅助继电器（M0M499）：停电时都断开。（2） 停电保持用辅助继电器（M500M3071）：记忆停电前的状态，再运行是再现该状态8。（3） 特殊辅助继电器：M8000：运行监视，PLC运行时监控接通；M8002：初始脉冲，只在PLC开始运行的第一个扫描周期接通；M8011、M8012、M8013、M8014：分别为10ms、100ms、1s、1min时钟；M8020、M8021、M8022：分别为零标志、借位标志和进位标志。M8033：停止时存储保存，进入STOP状态后，输出继电器状态保持不变；M8034：全输出禁止，禁止所有输出；FX系列PLC的定时器（T）有以下四种类型：100ms定时器：T0T199，200点。10ms定时器：T200T245，46点。1ms累积定时器：T246T249，4点。100ms累积定时器：T250T255，6点。数据寄存器是存储数值数据的软元件，可以处理各种数值数据，利用它可以进行各种控制。FX系列PLC的数据寄存器（D）分为以下几种类型：（1） 一般用：D0D199，200点，通过参数设定可以变更为停电保持型。（2） 停电保持用：D200D511，312点，通过参数设定可以变更为非停电保持型。（3） 停电保持专用：D512D7999，7488点，无法变更其停电保持特性。（4） 特殊用：写入特定目的的数据，或已事先写入特定内容的数据寄存器，其内容在电源接通时置于初始值。（5） 变址寄存器：FX系列PLC的变址寄存器V和Z同普通的数据寄存器一样，是进行数值数据的读入和写出的16位数据寄存器。它还可以同其他软原件编号或数值组合适用，在程序中改变软元件编号或数值内容9。输出端子是PLC向外部负载发送信号的窗口。3.2 输入输出接线图备用电源自动投入装置的PLC输入、输出点分配如图13所示，PLC采用F-40MRE型，共用10个输入点X400-X409，KV11和KV12为接入TV1上的不同相电压上的电压继电器，KV11和KV12的触点串联使用是防止因TV1的熔断器熔断而误操作。KV21和KV22为接入TV2上的电压继电器，其作用与KV11和KV12类似。用了6个输出点，KC1，KC2和KC3分别为QF1，QF2和QF3的合闸继电器，KC4，KC5和KC6分别为QF1，QF2和QF3的分闸继电器。图5 PLC输入输出接线图Fig5 PLC input and output wiring diagram3.3 PLC输出与断路器控制器断路器QF1，QF2,和QF3的分、合控制分为手动方式和自动方式，由SA11、SA21和SA31分别切换，不论是手动方式还是自动方式，断路器QF1、QF2和QF3都有一个被闭锁而不能闭合，以保证两路电源不并联运行，如图所示，SA12、SA22、SA32分别为QF1、QF2、QF3的手动台控制开关，KC1、KC2、KC3和KC4、KC5、KC6分别为分、合继电器。KP1和KP2分别为主变1和主变2的保护继电器出口，KP3为母线分段断路器继电保护出口。KL1、KL2、KL3为防跳继电器。SA31控制开关在自动位置则备用电源自动投入装置处于运行状态。在手动位置时，则备用电源自动投入装置退出运行状态。当备用电源自动投入装置处于运行时，若QF1跳闸，由QF3的控制回路知QF1的辅助常闭触点合闭，当QF2处于闭合状态时，可使QF3的合闸线圈Y03得电使QF3闭合，备用电源投入使用。反之，若QF2跳闸，备用电源也会投入使用。图6 断路器的控制原理图Fig6 Control schematic diagram of circuit breaker4 备用电源自动投入的软件设计4.1 程序设计流程图（1）段母线电压U、U、U（2）T1低压侧U、U、U（3）段母线电压U、U、U（4）T2低压侧U、U、U（5）段母线电压U、U、U（6）T3低压侧U、U、U模拟量是通过FX系列PLC的模拟量特殊模块FX-4AD供给PLC的：（1）FX-4AD概述：FX-4AD模拟量输入模块是FX系列专用的模拟量输入模块。该模块有4个输入通道（CH），通过输入端子变换，可以任意选择电压或者电流输入状态。FX-4AD将接受的模拟信号转换成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。FX-4AD的工作电源为DC24V，模拟量于数字量之间采用光电隔离技术，但通道之间没有隔离。 FX-4AD消耗PLC主单元或有源扩展单元5V电源槽30mA的电流。FX-4AD占用基本单元的8个映像表，即在软件上占8个I/O点数，在计算PLC的I/O时可以将这8个点作为PLC的输入点计算。（2）FX-4AD缓冲存储器（BFM）的分配FX-4AD模拟量模块内部有一个数据存储器区，它由32个16位的寄存器组成，编号为BFM#0#31，其内容与作用如表4.1所示。数据缓冲寄存器区内容可以通过PLC的FROM和TO指令来读和写。PLC内部有许多辅助继电器，这类辅助继电器的线圈与输出继电器一样，有PLC内的各种软元件的触点驱动。辅助继电器也有无数的电子常开和常闭触点，在PLC内可随意使用。但是，该触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动要通过输出继电器进行。输入端子是PLC从外部开关接收信号的窗口。输出端子是PLC向外部负载发送信号的窗口。输出继电器的外部输出用触点（继电器触点、晶闸管、晶体管等输出元件）在PLC内与该输出端子相连，有无数的电子常开触点和常闭触点，可在PLC内随意使用。程序流程见图7图7 程序流程图Fig7 Program flow chart4.2 程序设计梯形图： 直接用输入信号去控制输出信号，增加一些中间环节、辅助元件和辅助触点实现记忆、联锁、互锁等功能。以满足系统的输出信号和输入信号之间的关系以及它们对联锁、互锁的要求16（图见附录）。 5 结论本文通过对备用电源自动投入有关知识的阐述，了解了备用电源自动投入的重要性。另外，对各种备用电源自动投入装置的比较，让我们知道使用何种装置更加可靠、何种装置更加经济、何种装置更加方便等等17。最后，介绍了三菱FX系列PLC的有关知识，并且通过FX系列PLC成功的控制了备用电源的自动投入。本文通过以上的研究和设计，得出以下结论:（1）本文对各种备用电源自动投入装置，比如传统备用电源自动投入装置，基于微机备用电源自动投入装置，基于PLC备用电源自动投入装置等几种装置进行了比较，分析了各种装置的优缺点，以便于更好的运用各种装置对备用电源的控制18。（2）通过对备用电源自动投入的各种介绍，了解了备用电源自动投入的典型接线以及它的实现方式。另外，要用装置控制备用电源的自动投入，就必须发给装置的失压信号，所以，失压判别是备用电源自动投入的前提。本文分析了各种失压的情况，使备用电源能够正确并且成功的投入。（3）本文用三菱FX系列可编程控制器（PLC）来控制备用电源的自动投入。FX-4AD模拟量输入模块的作用是将模拟量转换成数字量给PLC。另外，使用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件对程序进行编写，并且与PLC连接，对PLC进行调试，直至PLC能够正常工作19。（4）通过PLC成功的控制备用电源的自动投入，相比于传统的继电器接触器的控制装置，PLC可以通过程序的修改来实现不同的控制功能20。参考文献1 许正亚.电力系统自动装置 .北京:水利电力出版社,1992 .2 耿红旗,吕冬梅.可编程序控制器应用教程.北京:中国水利水电出版社,2001.3 弭洪涛.可编程序控制器(PLC)原理及应用.北京:中国水利水电出版社,1998.4 陈宇，段鑫.可编程控制器基础及编程技巧.广州:华南理工大学出版社,2002 .5 陈茂英.备用电源自动投入装置的应用.广东电力报第20卷第12期，2007.6 唐梅芳,刘忠勇. 备用电源自动投入装置应用. 电力自动化设备26卷11期,2006.7 李文秀,金平. PLC在备用电源自动投入中的应用.青海大学学报(自然科学版22卷第6期),20048 漆汉宏. PLC电气控制技术.北京：机械工业出版社,2007.9 史国生，王念春，赵阳. 电气控制与可编程控制器技术.北京：化学工业出版社,2004.10 姜德宏.微机式备用电源自动投入装置.江苏：苏州电力设计研究院，2007.11 V.V.Sastry.Optimal soft starting of voltage-controller-fed IM drive based on valtage across thyristor IEEE Transaction on Power Electronics .200912 李力.基于PLC的备用电源自动投入装置的研究应用.湖北：湖北电力报（第31卷第2期）,2007.13 梁琪琪.关于缩短备用电源自动投入时间的探讨.山西：电力学报（第22卷第1期）,2007.14 相咸政，陈晖，李臻，陈玉兰.适应安控系统的微机备用电源自动投入策略.江苏：电力系统自动化（第30卷第4期）,2006.15 熊信银，朱永利. 发电厂电气部分.北京：中国电力出版社,2004.16 郁景礼，周有庆.微机备用电源自动投入装置的研究和设计.湖南：电气应用（第26卷第3期），2007.17 蓝 蔚。基于组态软件平台的PLC备用电源自动投入装置的应用.广西水利水电（第4期），2004.18 Hans Berger. 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