PLC控制的礦用隔爆兼本安型組合開關的設計

董建華

(山西省煤礦節(jié)能監(jiān)測中心，山西 太原 030045)

隨著計算機和控制技術的飛速發(fā)展，PLC控制技術已廣泛應用于自動化控制的各個領域。然而煤礦井下惡劣的工作環(huán)境及生產(chǎn)過程中的各種安全隱患決定了發(fā)展安全生產(chǎn)的重要性與緊迫性。隨著采煤自動化程度的提高，綜合機械化采煤的出現(xiàn)，選用可靠性高、故障率低、管理操作方便、性能優(yōu)良的電氣設備也是各煤炭企業(yè)實現(xiàn)高效安全生產(chǎn)的必然選擇。

經(jīng)過對太原市西山各大煤礦使用的多路組合開關實際情況調研，總體上還是好的，但由于開關本身存在的本質問題和使用維護不當?shù)纫蛩?，也時常發(fā)生故障，一旦開關發(fā)生故障，必然造成不能正常運行，影響生產(chǎn)，維修起來也十分困難。

主要存在的問題如下：

1)開關內部組合路數(shù)較多，大小功率接觸器參差不齊。由于大功率為主驅動，啟動電流大，運行中因負荷因素電流變化也較大，接觸器發(fā)熱能量大，因溫度造成的接觸器發(fā)生故障率較多。由于器件多，造成整體的溫度過高，其穩(wěn)定性能差，易出故障，特別是對保護電路的影響比較大。

2)由于組合開關內部器件較多，處理故障不方便，耗費時間長，并且，對其它控制設備的運行直接造成影響。

3)因整臺開關內部為一個共用的腔室，無論哪路電器環(huán)節(jié)發(fā)生短路爆炸現(xiàn)象，整臺開關就不能再使用了。

4)為了能保證正常生產(chǎn)運行，通常把備用開關放在旁邊，一旦運行開關有問題，就換到備用開關上。因為電纜較多接線太麻煩，特別是主電纜又粗又硬很不方便，要用很長的時間才能完成，從而影響了生產(chǎn)。

針對現(xiàn)有組合開關的不足，急需開發(fā)技術先進、功能齊全、性能穩(wěn)定、運行可靠、操作簡單、維護方便的新開關。為此本文提出了一種隔爆兼本質安全型快捷式組合開關，能滿足刮板機、皮帶機、破碎機、轉載機、噴霧泵、乳化液泵、水泵等的集中控制，一旦一側的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可快速切換到另一側，保證了工作的連續(xù)性與可靠性。

本文設計的測控系統(tǒng)采用 SIEMENS公司的CPU226、EM223、EM231、EM232 作為控制中心，TP －7觸摸屏作為人機界面，不僅具有極強的抗干擾能力，還具有完善的保護功能及故障后快速轉換的功能。

1 集控系統(tǒng)的總體設計

1．1 功能特點

組合開關2個腔體內分別安裝2個30針的轉插頭X111和X212，排布示意圖見圖1。X111A為轉插頭的底座，進該轉插頭底座的線都是來自本腔體的信號線，X212A也為轉插頭的底座，進該轉插頭底座的線都是來自異腔體的信號線，X111B為轉插頭的頭。

圖1 兩并行腔體之間的連接圖

當組合開關2個腔體內的控制系統(tǒng)同時工作時，2套系統(tǒng)完全獨立，X111B插到各自的X111A上，需采用2路獨立1 140/660 V電源給組合開關供電。當互為備用時，只需用1路獨立1 140/660 V電源為組合開關的工作腔體供電，假設并行腔體1為工作腔，則控制負荷的遠控按鈕都接在該腔體的端子排上。正常工作時，腔體1中的X111B插到本腔的X111A上(另一腔體中的插頭不做要求)，當本腔控制系統(tǒng)發(fā)生故障，將腔體1中的X111B插到本腔的X212A上，并將電源和負載線接到并行腔體2上，即可利用并行腔體1中的按鈕控制腔體2所帶設備，實現(xiàn)故障的快速轉換。

1．2 控制原則

1．2．1 單個腔體的控制方式

1)單回路獨立控制方式：按下本臺的啟動按鈕，本臺電機起動;按下停止按鈕，本臺停車。若是運行中發(fā)生故障，根據(jù)故障類型瞬時或延時停車。

2)多回路聯(lián)合控制方式：該種控制方式主要是針對多電機聯(lián)合工作時的回路控制，在啟動時，運用程序設定時間間隔，按設定的先后順序電機會順序啟動，當需要正常停機時，按動停止按鈕，回路電機會按照設定的時間間隔逆序逐個停止。當發(fā)生意外事件時，比如中間的1臺電機出現(xiàn)故障，那么在該電機之前啟動的電機會得到指令立即停止工作，在該電機后啟動的電機，則按照提前設定的時間間隔自動停機。

1．2．2 兩個腔體的配合方式

1)各自獨立運行：需采用2路獨立1 140/660 V電源給組合開關供電，共可控制6臺負荷。

2)互為備用方式：只需用1路獨立1 140/660 V電源為組合開關的工作腔體供電，控制負荷的遠控按鈕都接在該腔體的端子排上。當工作腔控制系統(tǒng)發(fā)生故障，只需將電源和負載線接到備用腔體上，即可實現(xiàn)異腔的先導控制按鈕控制對方腔體的負荷，保證設備工作的連續(xù)性，提高工作效率。

1．3 保護功能

1．3．1 電流整定

對于PLC的漏電檢查，則需要對電流互感器進行檔位匹配，保證電流互感器在線性允許的范圍內，低檔電流整定范圍為30～199 A，高檔電流整定范圍為200～400 A。

1．3．2 漏電閉鎖

漏電閉鎖主要是為了保證主回路在啟動前安全而進行的前期的工作，它通過與直流電源組成閉合回路，檢查回路中是否有漏電部位［1］，一般的檢測中會采用1 140 V和660 V兩種電壓，回路中與之匹配的漏電閉鎖動作值分別為40 kΩ和22 kΩ。

1．3．3 電流保護

保護電路隨出現(xiàn)的故障類型的不同而不同，但都采用鑒幅式保護原理。而一般電流保護會有3種：三相短路、過載、斷相保護，前兩種屬于對稱故障，后一種屬于不對稱故障。主要按反應時間的不同進行劃分，三相短路的反應時間為瞬時動作，過載保護采用反時限動作原理，而斷相保護采用定時限動作原理。

1．3．4 電壓保護

電壓保護一般也有3種：穩(wěn)態(tài)過電壓、欠壓保護及暫態(tài)過電壓。穩(wěn)態(tài)過電壓和欠電壓保護采用鑒幅式保護原理，暫態(tài)過電壓由阻容吸收裝置來完成保護任務，通過電壓保護最大程度地防止了因電壓過高而損壞電機絕緣以及電壓過低燒壞電機事故的發(fā)生。

1．4 顯示系統(tǒng)

操作人員與控制系統(tǒng)之間需要有可靠便捷的過度系統(tǒng)，為了在控制系統(tǒng)與操作、維護人員之間建立良好的人機界面，一般的系統(tǒng)會設計觸摸屏液晶顯示系統(tǒng)［2，3］。

1．4．1 系統(tǒng)狀態(tài)顯示

合閘前顯示電流電壓整定是否正確及電網(wǎng)對地的絕緣狀況。運行中顯示電動機的運轉方向及電壓正常與否，觸摸屏通過讀取CPU內部存取單元的值，來決定每個顯示單元的狀態(tài)。

1．4．2 故障狀態(tài)顯示

故障跳閘后顯示故障類型及故障參數(shù)。見圖2。

1．4．3 系統(tǒng)運行時間顯示

實時顯示日期及時間，便于記錄故障發(fā)生的時間。

圖2 系統(tǒng)狀態(tài)值顯示示意圖

1．4．4 系統(tǒng)參數(shù)顯示

合閘前顯示電流整定值的大小，運行中顯示電動機的工作電流及系統(tǒng)工作電壓。觸摸屏通過PC/PPI電纜與CPU通訊，CPU在每個掃描期都要響應通訊請求處理，完成指定存儲單周元的讀/寫操作，進行相應的輸出控制。整定值參數(shù)見圖3。

圖3 系統(tǒng)整定值顯示示意圖

2 測控系統(tǒng)的軟件設計

電動機測控系統(tǒng)的主要作用是通過程序設定提前指令，通過軟件設計使指令得以實現(xiàn)，為了電動機控制及保護功能的實現(xiàn)，測控系統(tǒng)的程序設計一般有以下幾個方面。

2．1 主程序設計

主程序的設計是指令得以實現(xiàn)的首要工作，它的主要功能是控制PLC系統(tǒng)按提前設計的方式運轉、完成操作人員與機器之間的對話、信號遠程指令控制等功能，其目標任務是系統(tǒng)功能自檢、初始化、有效條件觸發(fā)響應和其它子程序的調用。

主程序采用作業(yè)順序調度結構進行設計，系統(tǒng)初始化后，主程序按照提前設定的調節(jié)指令控制一系列子程序。當電機接到主程序的啟動指令時，CPU完成整定判別、過流試驗、漏電試驗、漏電信號及電壓信號的循環(huán)檢測，以判斷是否滿足合閘條件。當電機一旦接到信號指令脈沖時，CPU將根據(jù)控制信號，逐項調用系統(tǒng)的電流檢測功能模塊、非線性補償功能模塊、斷相檢測功能模塊等，對系統(tǒng)各物理量進行檢測、計算、分析、判斷和處理。監(jiān)控程序流程見圖4。

圖4 測控系統(tǒng)監(jiān)控程序流程框圖

2．2 輔助子程序設計

通過主程序的設計，系統(tǒng)的主要功能得到確定，各子程序的功能到整體定位，系統(tǒng)中子程序是為了輔助主程序實現(xiàn)而發(fā)揮作用的各種獨立單元的組合。首先，主程序的實現(xiàn)需要許多具體的子任務有機組合，在明確具體任務的基礎上，功能模塊程序設計應盡量包含同類型的任務，以減少模塊程序的數(shù)量和存儲空間。其次，各功能模塊子程序要有一定的靈活性和通用性。

對于主程序靈活的功能要求，子程序功能模塊要有硬件自檢模塊、系統(tǒng)初始化模塊、額定參數(shù)讀取和計算模塊、系統(tǒng)試驗操作模塊、各臺電機的控制模塊、故障處理模塊、狀態(tài)和參數(shù)顯示模塊等。

3 結束語

快捷式組合開關的運行與備用為一體化，杜絕了故障原因造成現(xiàn)場接線的繁瑣性和不安全性，保障了生產(chǎn)的連續(xù)性，在多臺開關情況下可以互換使用，做到統(tǒng)一配置。避免了一旦開關故障就必須停電而直接影響其它設備不能工作，大大提高了工作效率。

通過本文的研究，得知PLC控制的礦用隔爆兼本質安全型組合開關的設計是防止礦山企業(yè)在生產(chǎn)過程中因人為疏忽而引入的自動控制系統(tǒng)，它的出現(xiàn)在很大程度上減小了企業(yè)因意外事故而導致的損失，使作業(yè)過程中的本質安全化程度得到很大提高，不僅使企業(yè)獲益，同時對于相關行業(yè)具有一定的指導意義。

［1］ 胡天祿．礦井電網(wǎng)的漏電保護［J］．煤炭學報，2003(2)：205－209．

［2］ 孫建領．礦用隔爆兼本質安全型雙回路真空組合開關的研制［J］．工礦自動化，2006(5)：71－74．

［3］ 孫 羽，馬新國．礦用組合開關控制執(zhí)行機構誤動作的預防及處理［J］．電氣開關，2010(6)：29－32．