劉晏軍，楊艷明

（1.金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅金昌 737100；2.四川會(huì)東大梁礦業(yè)有限公司，四川涼山615000）

1 引言

近年來(lái)隨著礦山自動(dòng)化系統(tǒng)的快速發(fā)展，PLC在工礦企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，許多礦山輔助設(shè)備的監(jiān)視和控制都可以選用微型PLC，改造其原有的控制系統(tǒng)，達(dá)到提高設(shè)備或系統(tǒng)安全性能的目的。對(duì)一些控制點(diǎn)少且控制邏輯較復(fù)雜的小型設(shè)備而言，微型可編程控制器緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格、強(qiáng)大的指令以及較高的可靠性和簡(jiǎn)便的維護(hù)方式，就可以滿足這類小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的改造要求。

金川集團(tuán)有限公司龍首礦是一個(gè)年出礦能力為280萬(wàn)噸的有色金屬地下礦山，該礦東中部地表直流牽引系統(tǒng)承擔(dān)著200萬(wàn)噸的電機(jī)車運(yùn)礦任務(wù)。近期以來(lái)，因出礦任務(wù)增加，在14噸電機(jī)車牽引6m3底卸式礦車運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生550V直流電過(guò)流跳閘的情況，經(jīng)常發(fā)生停電后當(dāng)班維修人員送電4、5次的情況，降低了礦石的運(yùn)輸效率，對(duì)生產(chǎn)造成了影響。為此，該礦技術(shù)人員通過(guò)調(diào)查研究，找到了因礦車裝礦過(guò)高、彎道處直流電接地等導(dǎo)致550V直流電過(guò)流跳閘的原因，在排查、整改問(wèn)題的同時(shí)，對(duì)地表550V直流牽引系統(tǒng)的綜合保護(hù)裝置進(jìn)行了完善，提高了直流牽引系統(tǒng)的安全性和可靠性，解決了直流電影響生產(chǎn)的問(wèn)題。下面就S7-200PLC在該礦地表直流牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行說(shuō)明。

2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)龍首礦地表直流牽引系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際情況，對(duì)550V整流柜加裝微機(jī)綜合保護(hù)裝置，采用具有數(shù)字控制、液晶顯示、故障記憶等功能的德國(guó)西門子PLC程序控制器（S7-200 CPU224）。從整流變壓器輸出的系統(tǒng)交流490V電源接至整流柜內(nèi)的塑殼式斷路器的輸入端，經(jīng)交流接觸器接到三相橋式全控整流回路（輸出電壓DC 0V-DC 600V可調(diào)），經(jīng)整流后的直流電輸出至負(fù)載。直流電系統(tǒng)圖如圖1所示。

元件各部分功能如下：

QF：主斷路器，用于開(kāi)斷交流輸入電壓；

KM1：主接觸器，用于分合閘控制；

TA1、TA2、TA3：電流互感器，用于交流電流檢測(cè)；

圖1 直流電輸出系統(tǒng)圖

R1-3、C1-3：阻容吸收裝置，用于晶閘管系統(tǒng)保護(hù)；

G1-G6：晶閘管，用于三相橋式全控整流回路；

R4：導(dǎo)通電阻，用于直流回路的導(dǎo)通保持；

VD：二極管，用于反向擊穿保護(hù)；

V：電壓表，用于直流電壓測(cè)量顯示；

ZLH：直流電流傳感器，用于直流電流檢測(cè)；

FU4：熔斷器，用于直流輸出測(cè)短路保護(hù)；

FL：分流器，用于直流電流測(cè)量；

A：電流表，用于直流電流顯示；

LJ1-LJ3：過(guò)流繼電器，用于交流過(guò)流保護(hù)。

3 保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該應(yīng)用中引入傳感器技術(shù)、PLC控制技術(shù)及微機(jī)綜合保護(hù)等技術(shù)和裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整流柜故障診斷、遠(yuǎn)程操作及自動(dòng)重合閘功能。

3.1 電流及電壓參數(shù)設(shè)計(jì)

利用直流電流傳感器及直流電壓變送器，實(shí)現(xiàn)整流柜電壓、電流數(shù)據(jù)采集，根據(jù)直流電壓及電流的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流柜的故障診斷功能。當(dāng)檢測(cè)的電流值大于350A時(shí)，保護(hù)裝置判斷為直流電過(guò)流接地故障，發(fā)出分閘指令；當(dāng)檢測(cè)到直流電壓值在580V-650V之間時(shí)，判斷為系統(tǒng)正常；當(dāng)檢測(cè)到直流電壓值在100V-580V之間時(shí)，判斷為熔斷器故障；當(dāng)檢測(cè)到直流電壓值低于100 V時(shí)，判斷為斷路器跳閘；當(dāng)檢測(cè)到直流電壓值高于650V時(shí)，判斷為系統(tǒng)過(guò)電壓，此時(shí)延時(shí)10分鐘，如故障依舊，整流柜跳閘，避免直流電壓過(guò)高而燒毀電機(jī)車的逆變裝置。

3.2 自動(dòng)重合閘參數(shù)設(shè)計(jì)

選用PLC的CPU模塊及模擬量模塊為核心單元，實(shí)現(xiàn)整流柜在輕故障狀態(tài)下自動(dòng)重合閘功能；分合閘狀態(tài)取自交流接觸器的輔助觸點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)第一次跳閘后，PLC進(jìn)行計(jì)數(shù)及時(shí)間計(jì)算，3分鐘后PLC輸出合閘信號(hào)，保護(hù)裝置動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘。此時(shí)如果整流柜不再動(dòng)作，則判斷為輕故障；如果合閘后整流柜立即跳閘，則判斷為重故障，整流柜不再啟動(dòng)重合閘。自動(dòng)重合閘邏輯圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)重合閘邏輯圖

3.3 遠(yuǎn)程操作設(shè)計(jì)

利用高壓開(kāi)關(guān)柜的線路保護(hù)測(cè)控裝置的遙跳、遙合功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整流柜的遠(yuǎn)程分合閘操作。當(dāng)重故障處理正常后，電機(jī)車司機(jī)用電話告知地表監(jiān)控中心值班人員，由值班人員操作電腦界面，并對(duì)線路保護(hù)測(cè)控裝置的遙合控制，實(shí)現(xiàn)整流柜遠(yuǎn)程合閘操作。遠(yuǎn)程控制圖如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制圖

3.4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示

采集整流柜電壓、電流信號(hào)并顯示于集控中心的變電站主操作界面上，從而實(shí)現(xiàn)直流電壓、電流的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示。

3.5 具體實(shí)施方式

3.5.1 硬件線路的敷設(shè)和通訊構(gòu)建

經(jīng)過(guò)查驗(yàn)整流柜圖紙、高壓柜圖紙等資料，確定硬件控制回路的構(gòu)建方式。由交流電流傳感器采集的信號(hào)（4—20mA）經(jīng)隔離模塊輸入至PLC模擬量輸入模板，PLC根據(jù)信號(hào)計(jì)算、判斷系統(tǒng)輸入的交流電流是否正常；由直流電壓傳感器采集的信號(hào)（4—20mA）經(jīng)隔離模塊輸入至PLC模擬量輸入模板，PLC根據(jù)信號(hào)計(jì)算、判斷系統(tǒng)輸出的直流電壓是否正常；由直流電流傳感器采集的信號(hào)（4—20mA）經(jīng)隔離模塊輸入至PLC模擬量輸入模板，PLC根據(jù)信號(hào)計(jì)算、判斷系統(tǒng)輸出直流電流是否正常；由CPU模塊經(jīng)中間繼電器輸出至整流柜的交流接觸器控制線圈，并根據(jù)故障情況實(shí)現(xiàn)對(duì)整流柜分合閘的控制。

利用從地表集控室到整流變電所通訊管理屏的光纜傳遞信號(hào)（動(dòng)作信號(hào)及電壓、電流信號(hào)）；利用高壓柜線路測(cè)控裝置的遙跳、遙合功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)中間繼電器線圈通斷電的控制，再由中間繼電器觸點(diǎn)控制整流柜動(dòng)作，以此來(lái)遠(yuǎn)程操控整流柜動(dòng)作。

通過(guò)上述方式，便完成了硬件控制回路及通信的構(gòu)建。

3.5.2 PLC數(shù)字量及模擬量定義

根據(jù)硬件配置構(gòu)建回路，對(duì)模擬量、數(shù)字量進(jìn)行定義：模 擬 量AIW4：數(shù)值4—20mA，4 mA對(duì)應(yīng)0A，20mA對(duì)應(yīng)1000A；

模擬量AIW6：數(shù)值4—20mA，4mA對(duì)應(yīng)0A，20mA對(duì)應(yīng)800A；

模擬量AIW8：數(shù)值4—20mA，4mA對(duì)應(yīng)0V，20mA對(duì)應(yīng)1000V；

數(shù)字量I 0.0：?jiǎn)?dòng)；

數(shù)字量I 0.2：停止；

數(shù)字量I 0.3、I0.4：交流過(guò)流繼電器輸入；

數(shù)字量I 0.5：微機(jī)綜保繼電器輸入；

數(shù)字量I 0.6：直流過(guò)流繼電器輸入；

數(shù)字量Q0.0：主回路分合閘控制；

數(shù)字量Q0.1：電源指示燈；

數(shù)字量Q0.2：合閘指示燈；

數(shù)字量Q0.3：故障報(bào)警指示燈；

數(shù)字量Q0.4：風(fēng)機(jī)控制；

3.5.3 主回路啟停控制程序

主回路啟?？刂瞥绦蛉鐖D4所示。

3.5.4 直流電流檢測(cè)程序

直流電流檢測(cè)程序，如圖5所示。

圖4 主回路啟停控制程序

圖5 直流電流檢測(cè)程序

3.5.5 系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)接線圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)接線圖

4 結(jié)語(yǔ)

在龍首礦地表直流牽引系統(tǒng)中，使用S7-200PLC可編程控制器替代原來(lái)的繼電器控制，不但省去了許多繁瑣的中間控制環(huán)節(jié)，而且提高了控制系統(tǒng)的可靠性和精確性，取得了理想的效果。在礦山的此類小型設(shè)備控制系統(tǒng)的改造中，S7-200PLC以其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，決定了其廣泛的應(yīng)用前景。