S7-1200可編程控制器在礦用組合開關控制系統(tǒng)中的應用研究

陳 彥

（甘肅能源化工職業(yè)學院，甘肅 蘭州 730207）

隨著我國煤炭開采技術的快速發(fā)展，開采工作面大型機械得到了廣泛應用，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。為減少供電設備空間占用、線路電壓損耗、簡化線纜連接、便于日常維修維護等現(xiàn)場實實際需求，礦用組合開關替代單體開關在煤礦井下供電系統(tǒng)中得到了廣泛應用。為保證組合開關的工作可靠性、穩(wěn)定性和各項保護功能的完備性，并且為用戶提供良好的人機交互環(huán)境，為礦用組合開關設計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建礦用組合開關控制系統(tǒng)，是一種可行很高的解決方案。

1 S7-1200PLC概述

S7-1200PLC是德國西門子推出的新一代可編程控制器，它基于模塊化設計，CPU可完成從簡單到高級的邏輯控制任務，集成內部電源和PROFINET總線接口，支持運動控制和過程控制高級功能，可擴展性強，靈活性高，基于Portal TIA平臺開發(fā)，在小型自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。典型S7-1200PLC系統(tǒng)主要包括CPU模塊、信號板、信號模塊等部件。

2 礦用組合開關的功能要求

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

2.1 組合開關應具備的控制功能

按照采煤工作面綜合機械化采煤主要設備，如刮板輸送機、采煤機、液壓泵站、碎煤機、轉載機等工作方式和電機配置的實際情況，運行控制方式包括單機單速、單機雙速、雙機雙速、順序控制四種工作方式。

2.2 組合開關應具備的保護功能

①過載保護。按照反時限保護要求，跳閘時間與工作電器過載倍數(shù)成相同趨勢的曲線規(guī)律，根據(jù)電機發(fā)、散熱曲線模型，確定反時限保護時間，控制主接觸器分斷主回路工作電流，并在人機界面顯示故障信息。②短路保護。供電負荷側中發(fā)生短路（電流大于設定的短路電流倍數(shù)）時，控制主接觸器立即分斷主回路工作電流，并在人機界面顯示故障信息。③過電壓及欠電壓保護。系統(tǒng)供電電壓低于（或高于）額定電壓設定倍數(shù)且持續(xù)時間達到設定時限時，判定為欠壓（或過壓）故障，控制主接觸器分斷電路，并在人機界面顯示故障信息。④缺相保護。回路三相電流有效值中，任意兩項相差超過相應設定值且持續(xù)一定的時間時，判定為缺相故障，控制主接觸器分斷電路，并在人機界面顯示故障信息。⑤漏電閉鎖。主接觸器閉合之前，檢測到負荷側絕緣能力低于設定的阻值時，對該回路進行閉鎖保護，禁止主回路合閘工作，并在人機界面顯示故障信息。⑥漏電保護。通過附加直流法，檢測到零序電流大于設定值時，判定為漏電故障，控制主接觸器分斷電路，并在人機界面顯示故障信息。

3 系統(tǒng)外圍硬件電路的設計

3.1 信號檢測電路

（1）電流的檢測與判斷。系統(tǒng)中的短路保護、過載保護、缺相保護都是通過對系統(tǒng)主回路中電流的實際值和設定值的比較運算來進行判斷的處理的。電流的測量通過電流互感器和電流信號預處理電路將其轉化為0-10V的標準電壓信號，接入S7-1200的模擬量輸入通道，經(jīng)A/D轉化后與預設值進行運算、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）電壓的檢測與判斷。系統(tǒng)中的欠壓保護和過壓保護都是通過對系統(tǒng)主回路中電流的實際值和設定值的比較運算來進行判斷處理的。電壓的測量通過電壓互感器和電壓信號預處理電路將其轉化為0-10V的標準電壓信號，接入S7-1200的模擬量輸入通道，經(jīng)A/D轉化后與預設值進行比較，判斷是否欠壓或過壓。

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

圖3 附加直流電壓檢測原理圖

3.2 網(wǎng)絡通訊電路

利用S7-1214C自帶的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)端口，和上位機進行網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)視、遠程控制等應用功能。

3.3 人機交互電路

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

3.4 PLC系統(tǒng)

（1）PLC的I/O需求統(tǒng)計。系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸入點數(shù)包括6路先導反饋量、6路主接觸器反饋量、4路隔離開關反饋量、1路瓦斯電閉鎖量、1路漏電反饋量、1路短路試驗檢測量、12路控制按鍵量、1路復位按鍵量等共30位。系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸出點數(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路電壓檢測信號、18路電流檢測信號、6路漏電檢測信號等共有25路。

（2）PLC器件的選型?？删幊炭刂破鬟x用CPU選用S7-1214C DC/DC/RLY，信號模塊選擇1組SM1223 DC/RLY，3組SM1231 AI 8×13BIT。

（3）PLC控制系統(tǒng)的構成。按照組合開關控制和保護功能需求，以西門子S7-1214C型PLC及其相關控制模塊為核心器件，將系統(tǒng)涉及的檢測信號、控制對象、人機界面等設備組建起來，構成組合開關的控制系統(tǒng)，其構成框圖如圖4所示。

圖4 基于S7-1200的開關控制系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括HMI人機界面的程序的編寫和PLC控制程序的編寫兩部分?；诓┩綪ortal TIA平臺，進行設備組態(tài)、網(wǎng)絡連接、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、單機運行控制子程序、聯(lián)動運行控制子程序、組合運行控制程序、參數(shù)設定子程序、數(shù)據(jù)采集與處理子程序、故障保護子程序、通訊子程序等構成。

5 結語

本文討論了組合開關控制系統(tǒng)的功能任務需求，并基于西門子-1200PLC，設計搭建了控制系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦用組合開關的各項控制功能需求和保護功能要求。系統(tǒng)采用西門子最新的可編程控制器件進行控制，體積小、功能強、運行可靠性高，是礦用組合開關控制系統(tǒng)的較好解決方案。