董建華

(山西省煤礦節(jié)能監(jiān)測(cè)中心，山西 太原 030045)

隨著計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)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(dòng)化程度的提高，綜合機(jī)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(shè)備也是各煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效安全生產(chǎn)的必然選擇。

經(jīng)過對(duì)太原市西山各大煤礦使用的多路組合開關(guān)實(shí)際情況調(diào)研，總體上還是好的，但由于開關(guān)本身存在的本質(zhì)問題和使用維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩?，也時(shí)常發(fā)生故障，一旦開關(guān)發(fā)生故障，必然造成不能正常運(yùn)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(guān)內(nèi)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(qū)動(dòng)，啟動(dòng)電流大，運(yùn)行中因負(fù)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(duì)保護(hù)電路的影響比較大。

2)由于組合開關(guān)內(nèi)部器件較多，處理故障不方便，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，并且，對(duì)其它控制設(shè)備的運(yùn)行直接造成影響。

3)因整臺(tái)開關(guān)內(nèi)部為一個(gè)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(tái)開關(guān)就不能再使用了。

4)為了能保證正常生產(chǎn)運(yùn)行，通常把備用開關(guān)放在旁邊，一旦運(yùn)行開關(guān)有問題，就換到備用開關(guān)上。因?yàn)殡娎|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(zhǎng)的時(shí)間才能完成，從而影響了生產(chǎn)。

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

本文設(shè)計(jì)的測(cè)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(jī)界面，不僅具有極強(qiáng)的抗干擾能力，還具有完善的保護(hù)功能及故障后快速轉(zhuǎn)換的功能。

1 集控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1．1 功能特點(diǎn)

組合開關(guān)2個(gè)腔體內(nèi)分別安裝2個(gè)30針的轉(zhuǎn)插頭X111和X212，排布示意圖見圖1。X111A為轉(zhuǎn)插頭的底座，進(jìn)該轉(zhuǎn)插頭底座的線都是來自本腔體的信號(hào)線，X212A也為轉(zhuǎn)插頭的底座，進(jìn)該轉(zhuǎn)插頭底座的線都是來自異腔體的信號(hào)線，X111B為轉(zhuǎn)插頭的頭。

圖1 兩并行腔體之間的連接圖

當(dāng)組合開關(guān)2個(gè)腔體內(nèi)的控制系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，2套系統(tǒng)完全獨(dú)立，X111B插到各自的X111A上，需采用2路獨(dú)立1 140/660 V電源給組合開關(guān)供電。當(dāng)互為備用時(shí)，只需用1路獨(dú)立1 140/660 V電源為組合開關(guān)的工作腔體供電，假設(shè)并行腔體1為工作腔，則控制負(fù)荷的遠(yuǎn)控按鈕都接在該腔體的端子排上。正常工作時(shí)，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(dāng)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(fù)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(shè)備，實(shí)現(xiàn)故障的快速轉(zhuǎn)換。

1．2 控制原則

1．2．1 單個(gè)腔體的控制方式

1)單回路獨(dú)立控制方式：按下本臺(tái)的啟動(dòng)按鈕，本臺(tái)電機(jī)起動(dòng);按下停止按鈕，本臺(tái)停車。若是運(yùn)行中發(fā)生故障，根據(jù)故障類型瞬時(shí)或延時(shí)停車。

2)多回路聯(lián)合控制方式：該種控制方式主要是針對(duì)多電機(jī)聯(lián)合工作時(shí)的回路控制，在啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)用程序設(shè)定時(shí)間間隔，按設(shè)定的先后順序電機(jī)會(huì)順序啟動(dòng)，當(dāng)需要正常停機(jī)時(shí)，按動(dòng)停止按鈕，回路電機(jī)會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間間隔逆序逐個(gè)停止。當(dāng)發(fā)生意外事件時(shí)，比如中間的1臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障，那么在該電機(jī)之前啟動(dòng)的電機(jī)會(huì)得到指令立即停止工作，在該電機(jī)后啟動(dòng)的電機(jī)，則按照提前設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)停機(jī)。

1．2．2 兩個(gè)腔體的配合方式

1)各自獨(dú)立運(yùn)行：需采用2路獨(dú)立1 140/660 V電源給組合開關(guān)供電，共可控制6臺(tái)負(fù)荷。

2)互為備用方式：只需用1路獨(dú)立1 140/660 V電源為組合開關(guān)的工作腔體供電，控制負(fù)荷的遠(yuǎn)控按鈕都接在該腔體的端子排上。當(dāng)工作腔控制系統(tǒng)發(fā)生故障，只需將電源和負(fù)載線接到備用腔體上，即可實(shí)現(xiàn)異腔的先導(dǎo)控制按鈕控制對(duì)方腔體的負(fù)荷，保證設(shè)備工作的連續(xù)性，提高工作效率。

1．3 保護(hù)功能

1．3．1 電流整定

對(duì)于PLC的漏電檢查，則需要對(duì)電流互感器進(jìn)行檔位匹配，保證電流互感器在線性允許的范圍內(nèi)，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(dòng)前安全而進(jìn)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(cè)中會(huì)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(dòng)作值分別為40 kΩ和22 kΩ。

1．3．3 電流保護(hù)

保護(hù)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(hù)原理。而一般電流保護(hù)會(huì)有3種：三相短路、過載、斷相保護(hù)，前兩種屬于對(duì)稱故障，后一種屬于不對(duì)稱故障。主要按反應(yīng)時(shí)間的不同進(jìn)行劃分，三相短路的反應(yīng)時(shí)間為瞬時(shí)動(dòng)作，過載保護(hù)采用反時(shí)限動(dòng)作原理，而斷相保護(hù)采用定時(shí)限動(dòng)作原理。

1．3．4 電壓保護(hù)

電壓保護(hù)一般也有3種：穩(wěn)態(tài)過電壓、欠壓保護(hù)及暫態(tài)過電壓。穩(wěn)態(tài)過電壓和欠電壓保護(hù)采用鑒幅式保護(hù)原理，暫態(tài)過電壓由阻容吸收裝置來完成保護(hù)任務(wù)，通過電壓保護(hù)最大程度地防止了因電壓過高而損壞電機(jī)絕緣以及電壓過低燒壞電機(jī)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(hù)人員之間建立良好的人機(jī)界面，一般的系統(tǒng)會(huì)設(shè)計(jì)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(duì)地的絕緣狀況。運(yùn)行中顯示電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向及電壓正常與否，觸摸屏通過讀取CPU內(nèi)部存取單元的值，來決定每個(gè)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(yùn)行時(shí)間顯示

實(shí)時(shí)顯示日期及時(shí)間，便于記錄故障發(fā)生的時(shí)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(yùn)行中顯示電動(dòng)機(jī)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(gè)掃描期都要響應(yīng)通訊請(qǐng)求處理，完成指定存儲(chǔ)單周元的讀/寫操作，進(jìn)行相應(yīng)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(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的主要作用是通過程序設(shè)定提前指令，通過軟件設(shè)計(jì)使指令得以實(shí)現(xiàn)，為了電動(dòng)機(jī)控制及保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，測(cè)控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)一般有以下幾個(gè)方面。

2．1 主程序設(shè)計(jì)

主程序的設(shè)計(jì)是指令得以實(shí)現(xiàn)的首要工作，它的主要功能是控制PLC系統(tǒng)按提前設(shè)計(jì)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)、完成操作人員與機(jī)器之間的對(duì)話、信號(hào)遠(yuǎn)程指令控制等功能，其目標(biāo)任務(wù)是系統(tǒng)功能自檢、初始化、有效條件觸發(fā)響應(yīng)和其它子程序的調(diào)用。

主程序采用作業(yè)順序調(diào)度結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)初始化后，主程序按照提前設(shè)定的調(diào)節(jié)指令控制一系列子程序。當(dāng)電機(jī)接到主程序的啟動(dòng)指令時(shí)，CPU完成整定判別、過流試驗(yàn)、漏電試驗(yàn)、漏電信號(hào)及電壓信號(hào)的循環(huán)檢測(cè)，以判斷是否滿足合閘條件。當(dāng)電機(jī)一旦接到信號(hào)指令脈沖時(shí)，CPU將根據(jù)控制信號(hào)，逐項(xiàng)調(diào)用系統(tǒng)的電流檢測(cè)功能模塊、非線性補(bǔ)償功能模塊、斷相檢測(cè)功能模塊等，對(duì)系統(tǒng)各物理量進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)算、分析、判斷和處理。監(jiān)控程序流程見圖4。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控程序流程框圖

2．2 輔助子程序設(shè)計(jì)

通過主程序的設(shè)計(jì)，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?qū)崿F(xiàn)而發(fā)揮作用的各種獨(dú)立單元的組合。首先，主程序的實(shí)現(xiàn)需要許多具體的子任務(wù)有機(jī)組合，在明確具體任務(wù)的基礎(chǔ)上，功能模塊程序設(shè)計(jì)應(yīng)盡量包含同類型的任務(wù)，以減少模塊程序的數(shù)量和存儲(chǔ)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(duì)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(jì)算模塊、系統(tǒng)試驗(yàn)操作模塊、各臺(tái)電機(jī)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(jié)束語

快捷式組合開關(guān)的運(yùn)行與備用為一體化，杜絕了故障原因造成現(xiàn)場(chǎng)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(tái)開關(guān)情況下可以互換使用，做到統(tǒng)一配置。避免了一旦開關(guān)故障就必須停電而直接影響其它設(shè)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(zhì)安全型組合開關(guān)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dǎo)致的損失，使作業(yè)過程中的本質(zhì)安全化程度得到很大提高，不僅使企業(yè)獲益，同時(shí)對(duì)于相關(guān)行業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

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

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

［3］ 孫 羽，馬新國(guó)．礦用組合開關(guān)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作的預(yù)防及處理［J］．電氣開關(guān)，2010(6)：29－32．