朱明星

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司大柳塔煤礦，陜西 榆林 719315)

0 引言

在井下供電系統(tǒng)中，磁力啟動器主要用于控制電動機(jī)，尤其廣泛用于控制水泵；照明信號綜合保障裝置則主要用于控制照明燈[1-4]。它們不僅使用數(shù)量多，而且位置也較分散，比如長度為350 m的綜采工作面大約要布置4臺照明信號綜合保障裝置、10臺磁力啟動器，加上鄰近300 m范圍內(nèi)的兩順槽的布置，總計(jì)大約要布置5臺照明信號綜合保障裝置、25臺磁力啟動器。這些設(shè)備都由上級移動變電站提供電源，當(dāng)上級移動變電站跳閘并重新合閘之后，需要對這些在用的磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置逐臺合閘操作，既耗時(shí)又耗力，甚至可能造成水災(zāi)隱患。再者當(dāng)運(yùn)行中的磁力啟動器或照明信號綜合保障裝置出現(xiàn)故障時(shí)，不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，也就不能得到及時(shí)地處理，從而影響礦井的安全生產(chǎn)。如果有一套集中控制系統(tǒng)，不但能監(jiān)控綜采工作面內(nèi)所有磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的運(yùn)行狀態(tài)，還能在綜采工作面的集控臺就能夠控制這些設(shè)備遠(yuǎn)程合閘，及時(shí)地開啟水泵、照明，則會更加高效便捷。

1 集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

該系統(tǒng)以神東煤炭集團(tuán)礦井下常用的型號為QJZ2-30/1140(660)的南京雙京磁力啟動器、型號為ZBZ-10/1140(660)M的南京雙京照明信號綜合保障裝置為例，這種新式開關(guān)其保護(hù)卡都預(yù)留了485通信接口及接線柱。根據(jù)其通信規(guī)約，利用PLC編程與這些設(shè)備建立通信，可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行信息，并通過以太網(wǎng)將設(shè)備運(yùn)行信息傳送在人機(jī)界面上。由PLC實(shí)現(xiàn)的集中控制系統(tǒng)對采煤工作面的所有磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中管理，由操作員在集控臺直接控制，通過點(diǎn)擊人機(jī)顯示屏上的合閘、分閘按鈕即可實(shí)現(xiàn)磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的遠(yuǎn)程啟停功能，點(diǎn)擊參數(shù)可查看設(shè)備的實(shí)時(shí)電流電壓值，可遠(yuǎn)程修改設(shè)備參數(shù)的整定，點(diǎn)擊故障查詢可查看歷史故障記錄，點(diǎn)擊復(fù)位可以遠(yuǎn)程對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位操作，幫助我們及時(shí)地掌握現(xiàn)場情況和快速排查故障。

2 集控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下由于環(huán)境惡劣，對設(shè)備的控制水平要求較高。采用PLC+人機(jī)界面等組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，能夠提高系統(tǒng)的可靠性[5-9]。該集中控制系統(tǒng)是以PLC為中央控制單元，搭配人機(jī)界面進(jìn)行人機(jī)交互，圖1為其硬件設(shè)計(jì)框圖。

圖1 集中控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of centralized control system

如圖1所示，PLC選用SIEMENS S7-200系列中SMART ST60產(chǎn)品，它是標(biāo)準(zhǔn)化CPU模塊，晶體管輸出，供電電源為直流24 V，擁有36個(gè)輸入點(diǎn)及24個(gè)輸出點(diǎn)，1個(gè)以太網(wǎng)接口，1個(gè)RS485自由通信接口，1個(gè)集成的 Micro SD卡插槽。人機(jī)界面選用SIEMENS SMART 700 IE V3，它是西門子新一代SMART LINE觸摸屏，供電電源為直流24 V，尺寸為7寸，屏幕顏色為64 K色，集成有以太網(wǎng)接口，USB HOST2.0接口，有歸檔記憶功能。電源模塊選用輸入交流127 V、輸出直流24 V/2 A。電源模塊為PLC和人機(jī)界面提供24 V直流電源，PLC通過其RS485自由通信口與南京雙京磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置(圖1中統(tǒng)稱為開關(guān))內(nèi)的485通信接線端子相連接，使用現(xiàn)場總線與各開關(guān)建立通信，達(dá)到對各個(gè)開關(guān)的集中控制，此處的通信線纜應(yīng)選擇為帶屏蔽層的雙絞線。PLC通過其以太網(wǎng)接口與人機(jī)界面進(jìn)行通信，將所有磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的信息在人機(jī)界面上展示。人機(jī)界面連接鼠標(biāo)可以進(jìn)行畫面翻頁、合分閘控制、查看開關(guān)信息等。

3 集控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC的程序設(shè)計(jì)

在電腦上安裝STEP 7- Micro/WIN SMART軟件，它是 S7-200 SMART的編程軟件，支持Windows 7或 Windows 10，安裝文件小于 300 MB。PLC與磁力啟動器、照明信號綜合保障裝置之間采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。Modbus是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司(現(xiàn)在的施耐德電氣 Schneider Electric)于1979年為使用可編程邏輯控制器(PLC)通信而發(fā)表。Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)(De facto)，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式，沒有版權(quán)要求。

打開STEP 7- Micro/WIN SMART編程軟件，首先進(jìn)行Modbus協(xié)議通信參數(shù)初始化寫入，設(shè)定好PLC自由通信口的波特率、地址、奇偶校驗(yàn)方式，此數(shù)值要求與磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的通信參數(shù)相匹配，然后設(shè)計(jì)各磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的參數(shù)讀取指令和寫入指令，并保證分閘指令優(yōu)先于其它指令執(zhí)行，編譯無誤后將寫好的程序下載到PLC上。需要讀取和寫入的參數(shù)有以下7方面。①設(shè)備上的顯示時(shí)間；②設(shè)備的控制方式：遠(yuǎn)控/近控/程序；③設(shè)備的實(shí)際電壓、電流值；④設(shè)備的漏電電阻值；⑤設(shè)備的合分閘狀態(tài)、故障代碼；⑥設(shè)備的額定電壓、額定電流、欠壓過壓系數(shù)、欠壓過壓保護(hù)時(shí)間、不平衡度、不平衡保護(hù)時(shí)間；⑦過載、短路、缺相、欠壓、過壓、閉鎖功能等是否投入。

3.2 人機(jī)界面的程序設(shè)計(jì)

在電腦上安裝WinCC Flexible SMART V3軟件，它是人機(jī)界面SIEMENS SMART 700 IE V3的組態(tài)軟件。由于PLC本身數(shù)據(jù)顯示不方便，而通過人機(jī)交互界面，不僅可以顯示PLC數(shù)據(jù)，還能夠在人機(jī)界面上組態(tài)控制PLC。組態(tài)畫面主要實(shí)現(xiàn)對各磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的合閘、分閘控制，以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和故障報(bào)警、設(shè)備的參數(shù)整定、歷史記錄和通信狀態(tài)顯示。利用變色反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，比如合閘狀態(tài)顯示一種顏色，分閘狀態(tài)顯示一種顏色，故障狀態(tài)又是另一種顏色。

打開WinCC Flexible SMART V3軟件，首先選擇要連接的PLC型號、人機(jī)界面型號，定義各種變量，然后進(jìn)行畫面的設(shè)計(jì)，將畫面中的元素與定義好的變量相連接，畫面設(shè)計(jì)要遵循簡潔、美觀、功能齊全的原則，最后編譯無誤后將畫面下載到人機(jī)界面上。需要設(shè)計(jì)的畫面需包括以下3方面的內(nèi)容。①主畫面。包括人機(jī)界面與PLC是否通信正常、所有磁力啟動器及照明信號綜合保障裝置等設(shè)備與PLC是否通信正常、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(合閘/分閘/故障)展示、設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)入口、設(shè)備的緊急分閘按鈕；②設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)畫面。包括該設(shè)備上的時(shí)間、實(shí)際電壓電流值、漏電電阻值、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障提示、額定電壓電流值、各種保護(hù)功能是否投入、合閘分閘按鈕、復(fù)位按鈕、故障記錄入口；③故障記錄畫面。故障發(fā)生的時(shí)間、故障代碼、故障描述。

3.3 PLC和人機(jī)界面的人機(jī)交互

PLC和人機(jī)界面通過彼此的以太網(wǎng)接口建立通信，此時(shí)需要分別設(shè)置好PLC和人機(jī)界面相應(yīng)接口的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)，然后用網(wǎng)線將PLC和人機(jī)界面連接起來，在顯示屏上查看PLC與人機(jī)界面通信是否正常。通信正常后人機(jī)界面即可從PLC讀取數(shù)據(jù)或向PLC寫入數(shù)據(jù)，具備人機(jī)交互條件。依次點(diǎn)擊人機(jī)界面上各畫面的功能按鈕，測試按鈕效果是否與設(shè)計(jì)相符，畫面顯示是否正常、美觀。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

此集中控制系統(tǒng)在神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦進(jìn)行地面試驗(yàn)，按照圖1接入PLC、人機(jī)界面、電源模塊、1臺磁力啟動器和1臺照明信號綜合保障裝置，將磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的控制方式撥在“程序控制”之后，接通電源測試。各試驗(yàn)界面如圖2～4所示。

圖2 集中控制系統(tǒng)主界面Fig.2 Main interface of centralized control system

圖4 故障記錄界面Fig.4 Fault record interface

在主界面上，3條橫線顯示綠色且左上角的方框內(nèi)數(shù)字在變化，表示PLC與人機(jī)界面通信正常；1#開關(guān)與第1條橫線之間的豎線顯示綠色，表示1#開關(guān)與PLC通信正常；小圓內(nèi)顯示綠色表示分閘狀態(tài)、紅色表示合閘狀態(tài)、黃色表示故障狀態(tài)；點(diǎn)擊“進(jìn)入”按鈕，可以跳轉(zhuǎn)至合分閘控制界面。接著點(diǎn)擊“分閘”按鈕可實(shí)現(xiàn)緊急分閘；顯示了1#開關(guān)的實(shí)際電流電壓值、漏電電阻值、故障狀態(tài)及各整定參數(shù)值；點(diǎn)擊“合閘”“分閘”“復(fù)位”按鈕可以實(shí)現(xiàn)磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的合分閘控制及復(fù)位操作。點(diǎn)擊“故障記錄”按鈕可以跳轉(zhuǎn)至故障記錄畫面；點(diǎn)擊“主界面”按鈕，可以回到主界面(圖2)。故障記錄界面上詳細(xì)顯示了1#開關(guān)的合分閘時(shí)間及故障時(shí)間、故障描述。

5 結(jié)語

基于PLC的磁力啟動器遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，通過在地面對磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置進(jìn)行現(xiàn)場測試，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制。在人機(jī)界面上可直觀顯示各開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，且人機(jī)界面友好，操作簡便，符合設(shè)計(jì)要求。若在井下應(yīng)用，可以便捷地管理采煤工作面的磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置，實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理，助力提升礦井自動化水平，打造“本質(zhì)安全型”礦井，且能達(dá)到減員增效的目的。