陳 彥

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

隨著我國(guó)煤炭開采技術(shù)的快速發(fā)展，開采工作面大型機(jī)械得到了廣泛應(yīng)用，其供用電功率成倍增加，且基于井下工作條件限制，供電安全、可靠、效能、體積等要求也越來越高。為減少供電設(shè)備空間占用、線路電壓損耗、簡(jiǎn)化線纜連接、便于日常維修維護(hù)等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)實(shí)際需求，礦用組合開關(guān)替代單體開關(guān)在煤礦井下供電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。為保證組合開關(guān)的工作可靠性、穩(wěn)定性和各項(xiàng)保護(hù)功能的完備性，并且為用戶提供良好的人機(jī)交互環(huán)境，為礦用組合開關(guān)設(shè)計(jì)制作一套功能完備的控制系統(tǒng)尤為重要。西門子S7-1200作為一種可靠性很高的PLC控制器，以其為核心控制器構(gòu)建礦用組合開關(guān)控制系統(tǒng)，是一種可行很高的解決方案。

1 S7-1200PLC概述

S7-1200PLC是德國(guó)西門子推出的新一代可編程控制器，它基于模塊化設(shè)計(jì)，CPU可完成從簡(jiǎn)單到高級(jí)的邏輯控制任務(wù)，集成內(nèi)部電源和PROFINET總線接口，支持運(yùn)動(dòng)控制和過程控制高級(jí)功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)，靈活性高，基于Portal TIA平臺(tái)開發(fā)，在小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。典型S7-1200PLC系統(tǒng)主要包括CPU模塊、信號(hào)板、信號(hào)模塊等部件。

2 礦用組合開關(guān)的功能要求

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型多回路真空電磁啟動(dòng)器簡(jiǎn)稱組合開關(guān)，其主要作用是代替綜采工作面?zhèn)鹘y(tǒng)的單體磁力啟動(dòng)器，給工作面主要設(shè)備供送電能、控制工作的開關(guān)設(shè)備，其除具備單體啟動(dòng)器基本的運(yùn)行控制和安全保護(hù)功能外，還具備多臺(tái)設(shè)備的集控和聯(lián)控功能，在大大減小井下設(shè)備占地面積的情況下，提高設(shè)備用電和運(yùn)行的可靠性、安全性，以及聯(lián)動(dòng)設(shè)備之間快速、實(shí)時(shí)的響應(yīng)。其主要控制與保護(hù)應(yīng)包括如下功能要求。

2.1 組合開關(guān)應(yīng)具備的控制功能

按照采煤工作面綜合機(jī)械化采煤主要設(shè)備，如刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、液壓泵站、碎煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等工作方式和電機(jī)配置的實(shí)際情況，運(yùn)行控制方式包括單機(jī)單速、單機(jī)雙速、雙機(jī)雙速、順序控制四種工作方式。

2.2 組合開關(guān)應(yīng)具備的保護(hù)功能

①過載保護(hù)。按照反時(shí)限保護(hù)要求，跳閘時(shí)間與工作電器過載倍數(shù)成相同趨勢(shì)的曲線規(guī)律，根據(jù)電機(jī)發(fā)、散熱曲線模型，確定反時(shí)限保護(hù)時(shí)間，控制主接觸器分?jǐn)嘀骰芈饭ぷ麟娏?，并在人機(jī)界面顯示故障信息。②短路保護(hù)。供電負(fù)荷側(cè)中發(fā)生短路（電流大于設(shè)定的短路電流倍數(shù)）時(shí)，控制主接觸器立即分?jǐn)嘀骰芈饭ぷ麟娏鳎⒃谌藱C(jī)界面顯示故障信息。③過電壓及欠電壓保護(hù)。系統(tǒng)供電電壓低于（或高于）額定電壓設(shè)定倍數(shù)且持續(xù)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)限時(shí)，判定為欠壓（或過壓）故障，控制主接觸器分?jǐn)嚯娐?，并在人機(jī)界面顯示故障信息。④缺相保護(hù)?；芈啡嚯娏饔行е抵?，任意兩項(xiàng)相差超過相應(yīng)設(shè)定值且持續(xù)一定的時(shí)間時(shí)，判定為缺相故障，控制主接觸器分?jǐn)嚯娐?，并在人機(jī)界面顯示故障信息。⑤漏電閉鎖。主接觸器閉合之前，檢測(cè)到負(fù)荷側(cè)絕緣能力低于設(shè)定的阻值時(shí)，對(duì)該回路進(jìn)行閉鎖保護(hù)，禁止主回路合閘工作，并在人機(jī)界面顯示故障信息。⑥漏電保護(hù)。通過附加直流法，檢測(cè)到零序電流大于設(shè)定值時(shí)，判定為漏電故障，控制主接觸器分?jǐn)嚯娐罚⒃谌藱C(jī)界面顯示故障信息。

3 系統(tǒng)外圍硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)檢測(cè)電路

（1）電流的檢測(cè)與判斷。系統(tǒng)中的短路保護(hù)、過載保護(hù)、缺相保護(hù)都是通過對(duì)系統(tǒng)主回路中電流的實(shí)際值和設(shè)定值的比較運(yùn)算來進(jìn)行判斷的處理的。電流的測(cè)量通過電流互感器和電流信號(hào)預(yù)處理電路將其轉(zhuǎn)化為0-10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，接入S7-1200的模擬量輸入通道，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行運(yùn)算、比較，從而判斷是否短路、過載或缺相。

圖1 電流采樣電路原理圖

圖2 電壓采樣電路原理圖

（2）電壓的檢測(cè)與判斷。系統(tǒng)中的欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)都是通過對(duì)系統(tǒng)主回路中電流的實(shí)際值和設(shè)定值的比較運(yùn)算來進(jìn)行判斷處理的。電壓的測(cè)量通過電壓互感器和電壓信號(hào)預(yù)處理電路將其轉(zhuǎn)化為0-10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，接入S7-1200的模擬量輸入通道，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，判斷是否欠壓或過壓。

（3）絕緣的檢測(cè)與判斷。采用附加直流電壓檢測(cè)的方法，如圖3所示，外加直流電壓U，由R02、R01、SK、對(duì)地絕緣電阻RA//RB//RC構(gòu)成回路，從采樣電阻R02上獲得回路的電流值，當(dāng)電網(wǎng)絕緣變差時(shí)，檢測(cè)到的電流值會(huì)有較大的變化，通過計(jì)算就可以判定是否發(fā)生漏電故障。

圖3 附加直流電壓檢測(cè)原理圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊電路

利用S7-1214C自帶的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)端口，和上位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用功能。

3.3 人機(jī)交互電路

采用工控屏器件，通過PROFINET總線與S7-1214C以100HZ的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)顯示PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)工作電壓、各路工作電流、運(yùn)行時(shí)間以及運(yùn)行故障等信息。并完成系統(tǒng)保護(hù)電流、保護(hù)電壓、額定載荷等工作參數(shù)的設(shè)定工作。

3.4 PLC系統(tǒng)

（1）PLC的I/O需求統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)包括6路先導(dǎo)反饋量、6路主接觸器反饋量、4路隔離開關(guān)反饋量、1路瓦斯電閉鎖量、1路漏電反饋量、1路短路試驗(yàn)檢測(cè)量、12路控制按鍵量、1路復(fù)位按鍵量等共30位。系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)包括：6路中間繼電器控制量、6路漏電閉鎖繼電器控制量、6路程控繼電器控制量等共18位。系統(tǒng)需要的模擬量輸入包括1路電壓檢測(cè)信號(hào)、18路電流檢測(cè)信號(hào)、6路漏電檢測(cè)信號(hào)等共有25路。

（2）PLC器件的選型。可編程控制器選用CPU選用S7-1214C DC/DC/RLY，信號(hào)模塊選擇1組SM1223 DC/RLY，3組SM1231 AI 8×13BIT。

（3）PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成。按照組合開關(guān)控制和保護(hù)功能需求，以西門子S7-1214C型PLC及其相關(guān)控制模塊為核心器件，將系統(tǒng)涉及的檢測(cè)信號(hào)、控制對(duì)象、人機(jī)界面等設(shè)備組建起來，構(gòu)成組合開關(guān)的控制系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如圖4所示。

圖4 基于S7-1200的開關(guān)控制系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括HMI人機(jī)界面的程序的編寫和PLC控制程序的編寫兩部分。基于博途Portal TIA平臺(tái)，進(jìn)行設(shè)備組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接、HMI界面繪制和程序編寫工作。系統(tǒng)的主要程序框架包括主程序、單機(jī)運(yùn)行控制子程序、聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制子程序、組合運(yùn)行控制程序、參數(shù)設(shè)定子程序、數(shù)據(jù)采集與處理子程序、故障保護(hù)子程序、通訊子程序等構(gòu)成。

5 結(jié)語

本文討論了組合開關(guān)控制系統(tǒng)的功能任務(wù)需求，并基于西門子-1200PLC，設(shè)計(jì)搭建了控制系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦用組合開關(guān)的各項(xiàng)控制功能需求和保護(hù)功能要求。系統(tǒng)采用西門子最新的可編程控制器件進(jìn)行控制，體積小、功能強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高，是礦用組合開關(guān)控制系統(tǒng)的較好解決方案。