【文章內(nèi)容簡介】 以及模塊化的要求。如三菱系列， SIEMENS 系列，松下較高級(jí)別的 PLC 系列等。根據(jù)具體情況，在一個(gè)配電網(wǎng)自動(dòng)化工程中，整個(gè)配電網(wǎng)可以選用同一個(gè)廠家的 PLC 產(chǎn)品，本文設(shè)計(jì)的 “電力網(wǎng)無功補(bǔ)償智能投切設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì) ”選用的是三菱系列，并用 三菱系列進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和指令編寫 [7]。 PLC 的工作原理 PLC與繼電器構(gòu)成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運(yùn)行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點(diǎn)立即動(dòng)作，只要形成電流通路，就有可能有幾個(gè)電器同時(shí)動(dòng)作。而 PLC不同，采用循環(huán)掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時(shí)，該線圈觸點(diǎn)才會(huì)動(dòng)作，而且每次只能執(zhí)行一條指令，這也就是 PLC以 “ 串行 ” 方式工作的，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點(diǎn)競爭和時(shí)序失配等問題。也可以說，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控 制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出，而 PLC控制則需要出入傳送、執(zhí)行程序指令、輸出 3個(gè)階段才能完成控制過程。 PLC采用循環(huán)可以分為 3個(gè)階段：輸入階段 （ 將外部輸入信號(hào)的狀態(tài)傳送到PLC） 、執(zhí)行程序階段和輸出階段（將輸出信號(hào)傳送到外部設(shè)備）。 （ 1）程序輸入階段。在此階段， PLC先進(jìn)行自我診斷，然后與編程器或計(jì)算機(jī)通信，同時(shí)中央處理器掃描各個(gè)輸入端并讀取輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應(yīng)的輸入存儲(chǔ)單元。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行時(shí)，即使輸入信號(hào)發(fā)生變化，內(nèi)存中輸入信息也不變化，只有在下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階 段才能讀入信息。 （ 2）程序執(zhí)行階段。在這個(gè)階段中， PLC按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 令。從相應(yīng)的輸入存儲(chǔ)單元讀入輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到運(yùn)算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲(chǔ)器單元。這一階段執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出階段。在這個(gè)程序執(zhí)行中，輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持不變。 （ 3）輸出處理階段。在這個(gè)階段中， PLC將相應(yīng)的輸出存儲(chǔ)單元的運(yùn)算結(jié)果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊往外部設(shè)備傳送輸出信號(hào)，開始控制外部設(shè)備。 設(shè)計(jì)的原理 只要電流和電壓之間有相位差，都可通過增加或減少投入的電容器或電感器使電流和電壓之間的相位盡可能的相同，也就是使功率因子 cos 1?? 。電流和電壓的相位差可以通過外電路變換成一定頻率的脈沖信號(hào)。脈沖的數(shù)目與相位差的大小成正比，當(dāng)電流和電壓的相位差變化時(shí)，脈沖的數(shù)目也隨之變化，可以利用計(jì)數(shù)模塊對脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。相位的超前和滯后，也通過外電路轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，當(dāng)輸入的是高電平時(shí)，相當(dāng)于輸入的是 “ 1” ，當(dāng)輸入的是低電平時(shí)，相當(dāng)于輸入 “ 0” 。這樣就可根據(jù)輸入的開關(guān)量確定電流和電壓之間的相位差的正負(fù)，從而結(jié)合計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)值來控 制輸出口，使輸出口控制補(bǔ)償電路中的電力電子器件，使相應(yīng)電容器或電感器進(jìn)行切換 [8]。 圖 21 無功功率補(bǔ)償原理圖 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 上圖表明： 1 1 1cosps?? ， 2 2 2cosps?? 。因?yàn)?1 2 C? ? ?＝ ＋ 且 12??＞ 。 所以，為了確保有功功率 12P P? 穩(wěn)定，必需裝配補(bǔ)償容量為 c? 的無功的電容補(bǔ)償裝配。 式中： 1cos? ——改善前的功率因子； 2cos? ——改善后的功率因子； 1s ——功率因子改善前的視在功率； 2s ——功率因子改善后的視在功率。 本文的總體方案 本設(shè)計(jì)的主要功能是可以檢測出當(dāng)前電網(wǎng)的電流電壓并顯示，計(jì)算出當(dāng)前的功率因數(shù)及無功補(bǔ)償量，并利用 PLC 編程控制投切電容實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的無 功補(bǔ)償并顯示當(dāng)前投切狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中投切控制原理可以用九區(qū)圖來說明。無功超上限投入電容器，超下限切除電容器。電壓超出上限調(diào)制變壓器的分接頭來降低電壓，電壓超出下限調(diào)制變壓器的分接頭來升高電壓。本設(shè)計(jì)中我們首先要計(jì)算出補(bǔ)償容量并通過它來控制投切。硬件部分的設(shè)計(jì)，主要分幾個(gè)部分來進(jìn)行分析，他們分別是控制面板、電壓電流互感器、相位檢測電路、 Fx4AD 模塊、 LED 顯示電路、編程器、無功投切裝置等。計(jì)算方面，提供無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕袃煞N：一是輸電系統(tǒng)提供；二是補(bǔ)償電容器提供。軟件方面：設(shè)計(jì) PLC 編程完成無功補(bǔ)償?shù)闹悄?化 [9]。 整體的框架圖如下： 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 22 無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的框架圖 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第三章 硬件部分的設(shè)計(jì) 硬件部分的設(shè)計(jì)可以分五個(gè)主要部分來分析，他們分別為控制面板、 PLC的選型及輸入 /輸出端口安排、相位判別檢測電路、 變壓器 、無功投切裝置。 此外還有 LED顯示電路、編程器、 Fx4AD等在此不做詳細(xì)介紹。 控制面板 控制面板是硬件最重要的部分，它不僅要求功能齊全，簡單明了，還要操作方便。它要實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)功能有： （ 1）能顯示當(dāng)前的電流電壓及功率因子； （ 2）能準(zhǔn)確顯示當(dāng)前的投切狀態(tài)； （ 3）能設(shè)置理想 功率因子的范圍。 圖 31 控制面板外觀圖 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖中編號(hào)注釋： ：控制面板主容器； 、下限值，且能 LED顯示； ； 、下限值； V，電流值 I和功率因數(shù)值 Φ； ，輸入上限、下限數(shù)值； ： 1表示第一組電容器，如亮綠色表示投入，紅色表示切除， 3同上。 相位判別檢測電路 相位差是電流超前或滯后電壓的差值。 首先是相位差的測量：輸入兩路同頻率的正弦波信號(hào)時(shí)，相位差是一個(gè)與時(shí)間無關(guān)的 常數(shù)，將這兩路正弦波信號(hào)放大整形成兩路占空比為 50%的正方波信號(hào) f f2，經(jīng)異或門輸出一個(gè)脈沖序列 A，與晶振的產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖波 B進(jìn)行與操作得到調(diào)制后的波形 C，在一定時(shí)間范圍內(nèi)對 B、 C中脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到 cN 、 bN ，則其相位差計(jì)算公式為 cb=180 /NN? ?? ，采用多個(gè)周期計(jì)數(shù)取平均值的方式來提高測相精度。波形如下圖所示： 圖 32 相位檢測波形圖 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 其次是相位極性判別電路：將波形整形電路的兩路輸出方波送入 D觸發(fā)器中進(jìn)行相位極性判別，當(dāng) U0滯后 U1時(shí)， Q端輸出低電平，反之輸出高電平，極性判別的原理圖如下所示： 圖 33 相 位判別電路 相位檢測和判別的接線圖如圖所示： 圖 34 相位檢測和判別的接線圖 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 PLC 的選型及輸入 /輸出端口安排 PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號(hào)的采集，所有輸出單元的控制、斷路器投切的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此在選擇 PLC時(shí)，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。因本系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少， PLC選用三菱公司的 FX2N型。 FX2N系列 PLC可以應(yīng)用在大多數(shù)單機(jī)控制或簡單的網(wǎng)絡(luò)控制中，是 FX系列中規(guī)格最大、性能最高、功能最強(qiáng)的一個(gè)系列。它兼容了 FX1S/1N系列的全部功能。該系列使用了比 FX1S/1N系列性能更高的 CPU， CPU運(yùn)算速度與運(yùn)算性能得到了提高， I/O點(diǎn)增加了，擴(kuò)展功能模塊也更多，編程功能與通信功能更強(qiáng)[10]。 電源模塊： PLC電源用于為 PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供 24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC或110VAC），直流電源（常用的為 24VAC）。 我選取的三菱 FX2N32MR，其輸入、輸出均為 16點(diǎn)。 圖 35 電源輸出點(diǎn)實(shí)際接線圖 圖中編號(hào)注釋： ，外部提供； ； （或 110V電源），外部提供； 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （或 110V指示燈）； 所選的三菱 FX2N 系列產(chǎn)品規(guī)格見附錄 表 1。 本設(shè)計(jì)中模擬量輸入輸出模塊我們選用 FX4AD， FX4AD 為 4 通道 12 位 A/D轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)外部連接方法及 PLC 指令，可選擇電壓輸入或電流輸入，是一種具有高精確度的輸入模塊，通過簡單的調(diào)整或根據(jù) PLC 的指標(biāo)可改變模擬量輸入的范圍，瞬時(shí)值和設(shè)定值等數(shù)據(jù)的讀出和寫入用 FROM/TO 指令進(jìn)行。 FX4AD 的技術(shù)指標(biāo)如下表所示： 表 31 FX4AD 的技術(shù)指標(biāo) — 電壓輸入 電流輸入 — 根據(jù)是電壓還是電流輸入，使用端不同 模擬量輸入范圍 DC： 10V～ +10V（輸入電阻 200Ω）絕對最大輸入 177。15 DC： 20mA～ +20mA（輸入電阻250Ω）絕對最大輸入 177。32mA 數(shù)字量輸出范圍 帶符號(hào)位的 16 位二進(jìn)制（有效數(shù)值 11 位） +2047 以上固定為 +2047 2048以下固定為 2048 分辨力 5Mv（ 10V1/2021） 20μA（ 20V1/1000） 綜合精度 177。1%（相 對于最大值） 轉(zhuǎn)換速度 15mS（ 1～ 4）通道（高速轉(zhuǎn)換方式時(shí)在版本 以下時(shí)為 6mS（ 1～ 4）通道） 隔離方式 光電隔離及采用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使輸入和 PLC 電源間隔離（各輸入端子間不隔離） 輸入輸出占用點(diǎn) 程序上為 8 點(diǎn)，由 PLC 供電的消耗功率為 5V30mA 模擬量用電源 DC： 24V177。10%50mA 三菱公司 FX2N系列 PLC的模擬量輸入擴(kuò)展模塊 FX2N4AD有四個(gè)通道的模擬量輸入端，它有 32個(gè) 16位的寄存器作為數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)區(qū)，其中一部分用于存放控制字、出錯(cuò)代碼等，另外 8個(gè)寄存器，其 中 4個(gè)用于存放各通道經(jīng)轉(zhuǎn)換后的當(dāng)前數(shù)據(jù)量，還有 4個(gè)用于存放各通道的 n次的平均值。用 FROM指令可以將各個(gè)通道的當(dāng)前數(shù)據(jù)量或平均值讀入 PLC的數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，有關(guān) FROM指令梯形圖詳細(xì)情況在軟件部分介紹。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 經(jīng)過計(jì)算本設(shè)計(jì)將有 10 個(gè)輸入點(diǎn)和 11 個(gè)輸出點(diǎn)，并考慮一定的裕量我們選擇 FX2N32MR型號(hào)的 PLC。具體輸入輸出點(diǎn)為： 表 32 電壓互感器的具體參數(shù) 輸入點(diǎn) 1 相位判別開關(guān) 24 電壓、電流、功率因數(shù)顯示開關(guān) 56 分別為上 、下限預(yù)設(shè)開關(guān) 78 加、減 910 加、減 輸出點(diǎn) 14 4組電容器投切狀態(tài)顯示 5 啟動(dòng)報(bào)警器 67 LED