基于PLC 的煤礦饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

何露露

（潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦資源的大量開采，井下用電需求量也逐漸增多，由此導(dǎo)致了井下的電網(wǎng)越來越復(fù)雜。而由于井下環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致井下電網(wǎng)在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)線路短路、斷路、過壓、欠壓等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著井下的作業(yè)安全，這對(duì)井下電網(wǎng)的安全性、可靠性提出了更高要求[1]。煤礦低壓饋電開關(guān)作為井下電網(wǎng)中的重要設(shè)備，保證其設(shè)備中的保護(hù)系統(tǒng)具有更高的控制性能，也成為井下電網(wǎng)運(yùn)行安全的關(guān)鍵[2]。目前，國(guó)內(nèi)雖有學(xué)者對(duì)饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)仍時(shí)常出現(xiàn)短路、漏電、過壓等故障現(xiàn)象，不斷對(duì)井下饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，在滿足依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求基礎(chǔ)上，提出了保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，開展了饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)要求，并將其與KBZ-400 型饋電開關(guān)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性及可靠性，這對(duì)提高饋電開關(guān)的保護(hù)功能及井下作業(yè)安全具有重要作用。

1 低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的基本要求

礦用饋電開關(guān)僅作為電路中的總開關(guān)，可有效避免因井下煤塵、瓦斯?jié)舛冗^大而引起的安全事故，而饋電開關(guān)中的保護(hù)系統(tǒng)則能對(duì)井下電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)井下電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，在低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中提出了如下幾點(diǎn)要求：

1）功能全面。低壓饋電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)井下電網(wǎng)的電流、電壓等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及監(jiān)測(cè)，并對(duì)電網(wǎng)中出現(xiàn)的過壓、欠壓、過流、短路、漏電、瓦斯?jié)舛冗^高等故障現(xiàn)象做出相應(yīng)的故障報(bào)警提示，各項(xiàng)檢測(cè)功能及故障保護(hù)功能全面[3]。

2）執(zhí)行速度快。所設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)需采用當(dāng)前更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并保證其具有較快的信號(hào)傳輸速度，針對(duì)發(fā)生的故障問題，系統(tǒng)能及時(shí)、快速地將故障信息進(jìn)行傳輸和顯示，以便人員能快速做出故障保護(hù)操作，以此最大程度地降低井下電路的損壞程度。

3）故障判斷準(zhǔn)確。針對(duì)井下電網(wǎng)中出現(xiàn)的各類故障問題，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確對(duì)故障信息進(jìn)行采集及判斷，并及時(shí)分區(qū)域性切斷故障電網(wǎng)，減小對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的停電切斷，降低企業(yè)的故障損失[4]。

2 保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 保護(hù)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)井下低壓供電中線路的過壓、欠壓、短路、過載、漏電等故障問題進(jìn)行保護(hù)。由此，結(jié)合現(xiàn)有煤礦中低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)其保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)主要由中央控制單元、信號(hào)采集單元、人機(jī)顯示部分、CAN 通訊總線等組成[5]。其中，中央控制器主要通過PLC 進(jìn)行控制，由CPU 控制單元進(jìn)行接收信號(hào)的分析、判斷及處理，PLC 控制器則選用了中達(dá)的DVP-SS 系列的PLC 控制器。信號(hào)采集單元主要負(fù)責(zé)對(duì)電路中各類信號(hào)進(jìn)行采集、調(diào)理，包括電壓采樣單元、漏電采樣單元、負(fù)序采樣單元、有功功率采樣單元、電流采樣單元、開關(guān)輸入單元等，并將采集到的各類信號(hào)通過CAN 傳輸總線傳輸至PLC 控制器中。人機(jī)顯示界面主要負(fù)責(zé)將電路中電壓、電流的運(yùn)行狀態(tài)通過顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，人員可實(shí)時(shí)有效地對(duì)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并作出相應(yīng)的故障應(yīng)急判斷。低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架圖如下頁(yè)圖1 所示。

2.2 PLC 控制器的選型設(shè)計(jì)

根據(jù)保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案，選用了中達(dá)的DVP-SS 系列的PLC 控制器，該控制器的體積相對(duì)較小，包含了多種擴(kuò)展模塊和兩個(gè)獨(dú)立的通訊模塊，可與其他相關(guān)通訊設(shè)備進(jìn)行有效兼容，目前已廣泛應(yīng)用至煤礦、民用等領(lǐng)域[6]。由于該P(yáng)LC 控制器可靠性高、價(jià)格低、體積小，滿足了饋電開關(guān)內(nèi)部體積不足的安裝使用需求。該P(yáng)LC 中包含1 個(gè)主控單元和1 個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊。其中，主控單元集成了8 個(gè)輸入和6 個(gè)輸入接口，D/A、A/D 等模塊齊全，可同時(shí)與10 個(gè)以上的外部模塊進(jìn)行接口通訊，同時(shí)，內(nèi)部的RS-232 通信接口，可較為方便快捷地實(shí)現(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的通訊連接。而模擬量擴(kuò)展模塊則包括了外部4 點(diǎn)模擬信號(hào)輸入和4 個(gè)模擬信號(hào)輸出，其輸入電壓范圍為0～12 V DC，輸入電流范圍為0～25 mA。通過該P(yáng)LC 控制器，可將接收的各類信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析、判斷、處理等操作，是整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的核心部分。

圖1 保護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

2.3 不對(duì)稱短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

井下低壓電路運(yùn)行過程中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱的電路短路、斷路等故障現(xiàn)象，最終影響著電路中電流的大小。由此，在饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一套不對(duì)稱短路保護(hù)電路，該電路主要由各類電阻、電容及運(yùn)算放大器等構(gòu)成，形成一個(gè)三相相加法的電路。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，通過該短路保護(hù)電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶有負(fù)序電流的故障進(jìn)行不對(duì)稱短路保護(hù)作用，整個(gè)不對(duì)稱短路保護(hù)電路的電路圖如圖2 所示。

3 保護(hù)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控主程序的設(shè)計(jì)

在該保護(hù)系統(tǒng)中，監(jiān)控主程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)中的核心，通過此程序，可對(duì)PLC 收集的瓦斯、電路、短路等信號(hào)進(jìn)行合理調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些信號(hào)的檢測(cè)、運(yùn)算及顯示，以達(dá)到保護(hù)井下供電電路的目的。監(jiān)控主程序性能的優(yōu)劣，直接影響著饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，監(jiān)控主程序的控制流程圖如圖3 所示。在該控制過程中，首先通過饋電開關(guān)進(jìn)行保護(hù)系統(tǒng)的初始化檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到電路絕緣有問題時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)則執(zhí)行漏電閉鎖保護(hù)；同時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到井下的瓦斯?jié)舛冗^高及風(fēng)電存在問題時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)也將執(zhí)行相應(yīng)的瓦斯閉鎖及風(fēng)電閉鎖等操作；最終通過該監(jiān)控主程序，可有效將電網(wǎng)中的電流、電壓、功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及信息顯示，當(dāng)檢測(cè)到相關(guān)故障信息后，能及時(shí)將相關(guān)故障信息在顯示界面中進(jìn)行顯示，經(jīng)過操作人員層層故障排除后，可較好實(shí)現(xiàn)對(duì)井下電路的更好保護(hù)。

圖2 負(fù)序信號(hào)不對(duì)稱保護(hù)電路圖

圖3 監(jiān)控主程序流程圖

3.2 保護(hù)系統(tǒng)顯示界面的設(shè)計(jì)

結(jié)合市場(chǎng)常用軟件，針對(duì)饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的顯示要求，選用了TPEdit-V1.08 軟件，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的顯示界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該顯示界面是實(shí)現(xiàn)操作人員掌握饋電開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的重要通道，能將井下電路運(yùn)行參數(shù)及故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并以數(shù)字形式進(jìn)行顯示。同時(shí)，當(dāng)井下電路出現(xiàn)故障問題時(shí)，人員也能通過此監(jiān)控界面迅速做出故障判斷、排查等操作，并發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示，有效避免了無計(jì)劃的停電操作。數(shù)值顯示屬性設(shè)置界面則是該顯示系統(tǒng)的組成部分，可通過該顯示界面，對(duì)PLC 控制器中數(shù)值型態(tài)、數(shù)值長(zhǎng)度、整數(shù)個(gè)數(shù)等屬性進(jìn)行設(shè)置，以此有效實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的顯示，數(shù)值顯示屬性設(shè)置界面如下頁(yè)圖4 所示。

4 保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

在完成低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證此系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，將其進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，主要是將保護(hù)系統(tǒng)與KBZ-400 型饋電開關(guān)進(jìn)行了兼容應(yīng)用，在為期半年的實(shí)際應(yīng)用中，該保護(hù)系統(tǒng)各項(xiàng)性能運(yùn)行正常，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能及時(shí)對(duì)井下電網(wǎng)中的電壓信號(hào)、電流、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，并針對(duì)電網(wǎng)中出現(xiàn)的過壓、欠壓、瓦斯?jié)舛冗^高、短路等故障問題及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警提示，最終通過數(shù)值形式將故障信息在顯示界面中進(jìn)行顯示。該保護(hù)系統(tǒng)與原有饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)相比，信號(hào)檢測(cè)速度更快、信號(hào)精度更高，有效提升了對(duì)井下電網(wǎng)的保護(hù)性能，使井下電網(wǎng)發(fā)生故障概率降低了將近30%，按一年計(jì)算，可為企業(yè)節(jié)約將近40 萬元的維修費(fèi)用支出，得到一致好評(píng)，由此，驗(yàn)證了該保護(hù)系統(tǒng)的可行性。

圖4 數(shù)值顯示屬性設(shè)置界面

5 結(jié)論

將更加先進(jìn)的控制技術(shù)廣泛應(yīng)用到低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)中已成為當(dāng)前保證井下電路運(yùn)行安全的重要發(fā)展方向。由此，在提出保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上，開展了饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，并有針對(duì)性地將保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。實(shí)踐結(jié)果表明，該保護(hù)系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性及運(yùn)行安全性，整體保護(hù)效果顯著，能更好地對(duì)井下電網(wǎng)運(yùn)行安全進(jìn)行保護(hù)，并能使井下電網(wǎng)的故障發(fā)生率降低將近30%，這對(duì)提高井下電網(wǎng)運(yùn)行安全、降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)支出具有重要作用。