文/張新華

礦井水泵房PLC控制系統(tǒng)可靠性研究與應(yīng)用

文/張新華

一、系統(tǒng)簡介

義橋煤礦在-540m水平和泵房安裝了水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)對井下水泵進(jìn)行控制和相關(guān)數(shù)據(jù)采集。整個系統(tǒng)主要分為三個部分：數(shù)據(jù)采集層、水泵控制層、網(wǎng)絡(luò)層。數(shù)據(jù)采集層主要是通過傳感器對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集數(shù)據(jù)主要包括水泵電機(jī)軸溫、水泵軸溫、進(jìn)出口溫差、進(jìn)出口壓力以及水倉水位等水泵控制，是該項(xiàng)目的重點(diǎn)，可滿足地面監(jiān)控中心用電腦和井下泵房人工用觸摸對水泵控制的要求，同時根據(jù)開泵的參數(shù)要求對水泵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行順序控制；網(wǎng)絡(luò)層是水泵場面控制的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)層主要分為三層：自由口數(shù)據(jù)采集層、S7-300和S7-200之間的PROFIBUS DP信息交換層、S7-300和HMI之間的通訊以及S7-300與地面電腦的通訊。具體構(gòu)成方式如圖1所示。

系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)和分站組成。系統(tǒng)控分和控制核心選用高性能可編程控制器西門子300系列PLC。

檢測分為兩部分：模擬量檢測部分，由水倉水位傳感變送器、高壓柜綜保單元、壓力變送器、負(fù)壓變送器、溫度傳感變送器等組成，主要用于中央泵房主排水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的檢測；開關(guān)量檢測部分，將啟動柜中的真空斷路器狀態(tài)、電動閥門的工作狀態(tài)與啟閉位置等開關(guān)量信號接入PLC,可檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。而執(zhí)行部分則由下位機(jī)及所控制的對象組成，可完成對水泵、電動閘閥、電磁閥、高壓柜等設(shè)備控制。

在設(shè)計安裝前考慮到井下各方面的因素，如礦井較深，控制線路遠(yuǎn)，泵房潮濕，狹窄，有一定局限性，控制電源電壓波動大、不穩(wěn)定等，采取相應(yīng)措施。

二、抗干擾措施

1.電源抗干擾措施

電源干擾主要是通過供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生的。針對1600KW的大功率水泵用電設(shè)備，在PLC的交流電源的輸入端加接屏蔽層的隔離變壓器和低通道的濾波器，低通濾波器可以吸收掉電源中的大部分“毛刺”隔離變壓器可以抑制從電源線竄入的外來干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層應(yīng)可接地。

圖1水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

高頻干擾信號是通過初級繞組的分布電容傳遞的，在初級、次級繞組之間加繞屏蔽層，將它和鐵心一起接地，可以減少繞組間的分布電容，提高抗高頻干擾的能力。也可以選用電源濾波器或功率相適應(yīng)的UPS凈化電源產(chǎn)品。

2.布線的抗干擾措施

數(shù)字信號一般對信號電纜無嚴(yán)格的要求，可以選用一般電纜，但針對煤礦信號傳輸距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，選用了煤安標(biāo)志的礦用屏蔽通訊電纜。

PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，且不能與高壓電器安裝在同一個開關(guān)柜內(nèi)，安裝在距水泵啟動控制柜大于1m的位置，并遠(yuǎn)離動力線。

動力部分、控制部分、PLC、I/O電源分別配線，PLC應(yīng)采用單獨(dú)的供電回路，以避免大容量設(shè)備對PLC的干擾。

信號線與功率分開走線，電力電纜單獨(dú)走線，不同類型的線應(yīng)分別裝入不同的電纜或電纜槽中，并使其有盡可能大的空間距離，信號線應(yīng)盡量靠近地線或接地的金屬導(dǎo)體。

當(dāng)數(shù)字量輸入、輸出線不能與動力線分開布線且距離較遠(yuǎn)時，可用斷電器來隔離輸入/輸出線的干擾。

I/O線懷電源線應(yīng)分開走線，并保持一定的距離。如果不得已要在同一線槽中布線，應(yīng)使用屏蔽電纜。交流線直流線應(yīng)分別使用不同的電纜，I/O線的長度超過300m時，輸入線輸出線應(yīng)分別使用不同的電纜；數(shù)字量、模擬量I/O線就分開敷設(shè)，后者應(yīng)采用屏蔽線。如果模擬量輸入/輸出信號距離PLC較遠(yuǎn)，應(yīng)采用4～20mA的電流傳輸方式。傳送模擬信號的屏蔽線的屏蔽層就一端接地。為了泄放高頻干擾，數(shù)字信號線的屏蔽層應(yīng)并聯(lián)電位均衡線，其電阻應(yīng)小于屏蔽層的1/ 10，并將屏蔽層兩端接地。如果無法設(shè)置電位均衡線，或只考慮抑制干擾時，也可以一端接地。

不同的信號線最好不用同一個插接轉(zhuǎn)接，如果必須用一個插接，要用備用端子或地線端子將它們分隔開，以減少相互干擾。

三、PLC的接地

良好的接地是PLC安全可靠運(yùn)行的重要條件，接地線的截面積應(yīng)大于2mm2，接地點(diǎn)與PLC的距離應(yīng)小于50m。

在泵房有接地網(wǎng)絡(luò)可供使用。各控制屏和自動化元件可能相距甚遠(yuǎn)，若分別將它們在就近的接地母線上接地，強(qiáng)電設(shè)備的接地電流可能在兩個接地點(diǎn)之間產(chǎn)生較大的電位差，干擾控制系統(tǒng)的工作。為防止不同信號回路接地線上的電流引起交叉干擾，必須分系統(tǒng)將弱電信號的內(nèi)部地線接通，然后各自規(guī)定面積的導(dǎo)線統(tǒng)一引到接地網(wǎng)絡(luò)的某一點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)按制系統(tǒng)的一點(diǎn)接地的要求。

四、強(qiáng)烈干擾環(huán)境中的隔離措施

PLC內(nèi)部用光電耦合器、輸出模塊中的小型繼電器和光電晶閘管等器件來實(shí)現(xiàn)對外部數(shù)字量信號的隔離，PLC的模擬量I/O一般也采用光電耦合的隔離措施。這些器件除能減少或消除外部干擾對系統(tǒng)的影響外，還可以保護(hù)CPU模塊，使之免受外部竄入PLC的高電壓的危害。

為了提高抗干擾能力，對長距離PLC的外部信號、PLC和計算機(jī)之間的串行通信號，可以考慮用光纖來傳輸和隔離，或使用光電耦合器的通信接口。在腐蝕性強(qiáng)或潮濕的環(huán)境，或需要防火、防爆的場合更適用。

五、PLC輸出的可靠性措施

如果用PLC驅(qū)動交流接觸器，在負(fù)載要求的輸出功率PLC的允許值時，應(yīng)設(shè)置中間繼電器。PLC輸出模塊內(nèi)小型繼電器的觸點(diǎn)小，斷弧能力差，不能直接用于DC220V的電路，必須用PLC驅(qū)動外部中間繼電器的觸點(diǎn)驅(qū)動外部負(fù)載。

六、結(jié)語

PLC系統(tǒng)硬件技術(shù)相對成熟，運(yùn)行相對穩(wěn)定可靠，要結(jié)合現(xiàn)場條件和生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，采取最合適的電源、數(shù)據(jù)采集、通信防干擾的有效可靠措施，以確保信息的準(zhǔn)確性。PLC控制系統(tǒng)抗干擾措施不可忽視。

（作者系山東濟(jì)寧能源集團(tuán)汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司董事長、總經(jīng)理）

（責(zé)任編輯：李元）