基于PLC的柴油發電機自動啟停控制UPS應用

王志斌，舒德華

（中國地質工程集團有限公司，北京 100093）

0 引 言

隨著現代社會科技的快速發展，電氣自動化控制技術發揮著重要作用，PLC控制技術應用也越來越廣泛，尤其是在露天礦山、生產及相關企業領域。對于一些無人值守需要供電的用電設備，柴油發電機用PLC控制有很多優點，它主要通過軟件控制和硬件電路執行，顯著提升系統的抗干擾能力和運行可靠性。由于其可編程程序功能簡單易行，使得柴油發電機能夠得到自動啟、停的功能，讓UPS真正地持續為用電設備進行長久供電。

1 自動啟、停控制系統組成及原理

控制系統主要由帶有ATS開關柴油發電機、PLC控制柜及UPS不間斷電源等三部分組成。該控制系統原理為PLC控制器里的電壓檢測單元通過檢測判斷UPS里蓄電池電壓的高低來自動啟、停柴油發電機，為UPS不間斷電源進行充電，使得用電設備持續供電。系統控制原理如圖1所示。

圖1 系統控制原理圖

1.1 ATS柴油發電機

柴油發電機ATS是控制市電與發電機之間切換的裝置（柜），就是正常時市電供電，市電中斷后自動或者手動切換至柴油發電機供電。一般就是通過旋鈕開關選擇自動檔、手動檔或者遠程控制機組通信的裝置。所選用的柴油發電機面板如圖2所示。

圖2 ATS柴油發電機面板圖

1.2 ATS柴油發電機操作程序

檢查面板上點火鑰匙在OFF位置，AC輸出開關位置為ON，AC220 V插頭連接無松動，ATS控制線插緊，使得PLC控制箱進入自動控制狀態。

2 UPS系統組成

UPS（Uninterruptible Power Supply）就是指的不間斷電源，是使蓄電池（一般以鉛酸免維護電池為主）連接主機，通過主機逆變器等模塊電路促使直流電變成市電的一種系統設備。UPS主要是把不間斷的穩定電力提供給計算機網絡系統，也可以提供給單臺計算機抑或是其他電子電力設備，如電磁閥。如果市電處于正常輸入的狀態，UPS就在穩定市電電壓后將其傳輸給負載，此時起到的作用是交流式電穩壓器，同時可以為內部電池充電；如果市電因發生故障而停電或中斷，UPS就利用逆變器切換轉換的方法，將電池的直流電能轉換成220 V交流電，并將其繼續供應給負載，促使負載能保持正常工作狀態，保證不損壞負載的軟硬件。UPS設備通常對電壓過高或電壓過低都能提供保護[1]。

UPS是儲能裝置的一種，主要元件是逆變器，屬于穩壓穩頻輸出的設備，用于保護電源。UPS的組成部分主要是整流器、逆變器、蓄電池以及靜態開關等。

2.1 整流器

整流器就是整流裝置，是把AC（交流）轉變成DC（直流）的一種裝置，功能主要有兩個，一個是把AC（交流）轉變成DC（直流），經過濾波后提供給逆變器或者負載；另一個是將充電電壓提供給蓄電池。所以整流器同時又起著充電器的作用。

2.2 逆變器

逆變器是把DC（直流）轉變成AC（交流）的一種裝置，主要由逆變橋、濾波電路以及控制邏輯組成。

2.3 蓄電池

對于UPS，蓄電池是存儲電能的一種裝置，通常由多個電池通過串聯形成，維持供電，放電時間的長短由電池容量的大小決定。蓄電池的功能主要是當市電處于正常狀態時，蓄電池就把電能變成化學能，將其存儲在內部；當市電發生故障時，蓄電池就把化學能變成電能，供負載抑或是逆變器使用。

2.4 靜態開關

靜態開關一般又被稱作靜止開關，屬于無觸點開關的一種，是由兩個SCR（可控硅）反向并聯組成的交流開關，通過邏輯控制器對其閉合與斷開進行控制。靜態開關主要有兩種，即轉換型、并機型。前者在兩路電源供電系統中適用，從一路實現到另一路的自動切換，后者在并聯逆變器和多臺逆變器或者市電中適用。

不間斷電源的優點主要是不間斷的供電能力。當市電交流能夠正常輸入時，UPS就先將交流電整流為直流電，接著將直流電逆變為無雜質的穩定交流電，然后提供給后級負載；當市電交流無法正常輸入時，如停電、欠壓或者頻率異常，UPS就會自動啟用備用，關斷整流電路，并把蓄電池中存儲的直流電逆變成無雜質的穩定交流電，繼續提供給后級負載。本文使用UPS主要參數如表1所示

表1 UPS主要參數表

3 PLC控制系統

3.1 PLC簡介

PLC全稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），借助一類可編程存儲器，將其作為內部存儲程序，執行面向用戶的邏輯運算、順序控制、計數及算術操作、定時等指令，并且利用數字或者模擬式輸入/輸出，對各類生產過程或機械進行控制。

3.2 硬件系統組成及原理

3.2.1 硬件系統組成

硬件系統主要為PLC控制箱。該控制箱由PLC控制器、ATS模塊單元、繼電器、24 V電源模塊及端子排等模塊組成，控制箱連接柴油發電機和UPS兩個單元，起到中間連接控制作用。本文所選用PLC控制器型號為PMC2000微型PLC控制器，如圖3所示。

圖3 PLC控制器

3.2.2 系統原理

PLC控制箱中PLC控制器里的檢測單元通過檢測UPS里蓄電池電壓高低，通過比較蓄電池電壓與啟停設定值來執行柴油發電機的自啟與自停功能，使得UPS持續處于正常運轉狀態。

PLC控制箱啟動柴油發電機條件為：（1）蓄電池電壓低于PLC程序最低設定值；（2）控制箱24 V開關電源電壓低于21 V。

PLC控制箱停止柴油發電機條條件為：（1）蓄電池電壓高于PLC程序最高設定值；（2）發電機連續運行PLC程序設定時長。

3.3 軟件系統程序設計

PLC軟件局部程序如圖4所示[2]。

圖4 PLC梯形圖程序片段

4 系統調試

圖5為PLC控制器程序模擬運行調試圖。

5 結 論

采用PLC控制的柴油發電機自動啟、停系統的特點如下，主要通過軟件進行控制，從而省去了硬件開發工作；系統結構簡單，可靠性優異；程序編制靈活，現場調整工作周期短；價格合適，操作簡單，維護方便；運行方式覆蓋全自動、半自動和手動操作，能滿足偏遠地區、無人看守區域的需要。同時，也體現出PLC控制技術的優勢，使電控元器件之間的接線十分簡潔，系統控制的可靠性和抗干擾能力得到提高，也使系統的“柔性”得到提高。

圖5 PLC控制器運行調試圖