和利時(shí)PLC在井下供電設(shè)備中的應(yīng)用

1、和利時(shí)PLC在井下供電設(shè)備中的應(yīng)用侯愛(ài)林，王國(guó)峰(北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司, 北京 100176)摘 要：本文簡(jiǎn)單介紹了礦用隔爆型真空饋電開關(guān)、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型真空電磁啟動(dòng)器等主要煤礦防爆電器的技術(shù)現(xiàn)狀，提出一種以PLC為控制核心，集漏電、漏電閉鎖、過(guò)載、斷相、短路和欠壓等故障保護(hù)于一體的智能保護(hù)器。關(guān) 鍵 詞：可編程控制器，防爆電器，智能保護(hù)器中圖分類號(hào)：TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BApplication of HOLLiAS PLC in Explosion-proof Electrical Apparatus for Coal MineHOU Ai-lin, WANG Guo-fen

2、gg (Beijing HollySys Automation and Drive Co.,LTD Beijing 100176, China)Abstract: This paper introduces the technical status mine explosion-proof electrical apparatus of mine falme-proof type vacumm feed switch,mine falme-proof type with intrinsically safe vacuum electromagnetic stater, and design a

3、 kind of intelligent motor protector whice use PLC as control core and include many kinds of protection functions. Key words: PLC; Explosion-proof Electrical Apparatus; Intelligent motor protector1引 言煤礦井下供電系統(tǒng)主要由高爆開關(guān)、移動(dòng)變電站、饋電開關(guān)和啟動(dòng)器組成。隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高和井下供電距離的增加，對(duì)煤礦井下配電系統(tǒng)的可靠性、安全性、連續(xù)性的要求也越來(lái)越高；同時(shí)，由于井下工作條件惡

4、劣，發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的的電弧能量會(huì)引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井生產(chǎn)。因此防爆開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的好壞直接影響到煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性。2 技術(shù)現(xiàn)狀及分析2.1 饋電開關(guān)作者簡(jiǎn)介：侯愛(ài)林（1983），男，吉林榆樹人，碩士研究生，技術(shù)支持工程師，從事自動(dòng)化產(chǎn)品應(yīng)用研究；王國(guó)峰（1979），男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，工程師，從事自動(dòng)化產(chǎn)品應(yīng)用研究。礦用隔爆型真空饋電開關(guān)適用于煤礦井下和其他周圍介質(zhì)中含有爆炸性氣體的環(huán)境中，在中性點(diǎn)不接地的三相電網(wǎng)中，作為配電總開關(guān)或分支開關(guān)之用。饋電開關(guān)額定電壓有660V、1140V，額定電流200A、400A、630A，具備欠壓、過(guò)壓、過(guò)載、短路、斷相、

5、漏電閉鎖、漏電等保護(hù)功能。欠壓過(guò)壓保護(hù)采用鑒幅式方法避免了電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間工作在不正常電壓下；過(guò)載保護(hù)采用鑒幅式方法，應(yīng)用反時(shí)限動(dòng)作原理，電網(wǎng)過(guò)載倍數(shù)越大，要求過(guò)載動(dòng)作時(shí)間越短，可靠地保證電網(wǎng)正常工作；短路保護(hù)分為幅值保護(hù)和相敏保護(hù)，其中相敏短路保護(hù)較好的解決了小電流短路和電機(jī)啟動(dòng)大電流之間的矛盾，既可實(shí)現(xiàn)小電流短路正確動(dòng)作又能避免電機(jī)啟動(dòng)大電流的誤動(dòng)作；漏電保護(hù)從原理上分為采用附加直流電源原理和采用零序電流、零序電壓方向性保護(hù)原理，饋電開關(guān)既可以作總開關(guān)使用，也可作分支開關(guān)使用，作總開關(guān)使用時(shí)采用附加直流電源原理，作分支開關(guān)使用時(shí)采用零序電流、零序電壓方向性原理，做到了把故障線路和非故障線路區(qū)分開

6、來(lái)，實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)，同時(shí)總開關(guān)漏電保護(hù)作為分支開關(guān)漏電的后備保護(hù)，由于動(dòng)作時(shí)間上有差別，也做到了漏電保護(hù)的縱向選擇性。另外，根據(jù)要求可以附加電度表功能，風(fēng)電瓦斯閉鎖功能等?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)從漏電原理上看，直到現(xiàn)在還沒(méi)有出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。從保護(hù)裝置的硬件看，經(jīng)歷了機(jī)電式、整流式、晶體管式、集成電路式、微型計(jì)算機(jī)式的發(fā)展階段?？偟目磥?lái)，礦井漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展可以概括為三個(gè)階段和兩次飛躍。三個(gè)階段是機(jī)電式 、半導(dǎo)體式和微機(jī)式。第一次飛躍是由機(jī)電式到半導(dǎo)體式，主要體現(xiàn)在無(wú)觸點(diǎn)化、小型化、低功耗方面；第二次飛躍是由半導(dǎo)體式到微機(jī)式，主要表現(xiàn)在數(shù)字化和智能化方面。第二次飛躍尤為重要，它為礦井電網(wǎng)漏電保護(hù)技

7、術(shù)的發(fā)展開辟了前所未有的廣闊前景。系統(tǒng)普遍采用中文顯示界面，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)電壓、三相電流、各種故障顯示?？赏ㄟ^(guò)中文菜單，在不打開前門的情況下，進(jìn)行各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)及控制的設(shè)定。具有RS485標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，可實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙信，可以通過(guò)光纜與井上聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。2.2 啟動(dòng)器啟動(dòng)器是礦井供電系統(tǒng)中控制電動(dòng)機(jī)的電控設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系著電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。啟動(dòng)器額定電壓有380V、660V、1140V、3300V，除不具備漏電保護(hù)功能外，其他電氣控制與保護(hù)系統(tǒng)和饋電開關(guān)基本類似，但其基本形式比饋電開關(guān)多，分為單回路啟動(dòng)器、可逆啟動(dòng)器、雙速啟動(dòng)器、軟啟動(dòng)器、變頻啟動(dòng)器、多回路

8、啟動(dòng)器（組合開關(guān)）。 其中組合開關(guān)由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、接線方便、控制組合方式多且靈活等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。660V、1140V等級(jí)的組合開關(guān)有二組合、四組合、六組合、八組合、十組合、十二組合等形式，回路之間通過(guò)智能控制保護(hù)系統(tǒng)，可方便的實(shí)現(xiàn)程控、聯(lián)控、單速、雙速等多種控制方式，特別適合于井下綜采工作面使用。在歐美國(guó)家以3300V電壓等級(jí)為代表的組合開關(guān)已得到普遍應(yīng)用，我國(guó)從90年代末期開始發(fā)展3300V高產(chǎn)高效工作面，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，現(xiàn)國(guó)內(nèi)已有二百個(gè)3300V工作面，這使得3300V啟動(dòng)器需求量大增，該類產(chǎn)品也得到了迅速發(fā)展。為解決大電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，先期發(fā)展

9、了雙速啟動(dòng)器，而后又發(fā)展了軟啟動(dòng)器，直到現(xiàn)在的變頻啟動(dòng)器。變頻啟動(dòng)器由于具有節(jié)能、控制方式靈活等特點(diǎn)，近幾年在水泵、風(fēng)機(jī)、皮帶、絞車等負(fù)載上獲得了迅速的應(yīng)用，代表了啟動(dòng)器下一步的發(fā)展方向，但變頻器對(duì)電網(wǎng)的噪聲污染比較嚴(yán)重，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱及干擾周圍設(shè)備，需要進(jìn)一步完善?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)普遍采用了單片機(jī)、可編程控制器PLC、數(shù)字信號(hào)處理器DSP等技術(shù)，液晶屏或者觸摸屏構(gòu)成顯示系統(tǒng)，合閘前顯示負(fù)載的整定電流、電網(wǎng)電壓及對(duì)地絕緣情況，正常工作時(shí)顯示系統(tǒng)的工作電壓、負(fù)荷的工作電流及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，若某回路因故障跳閘時(shí)，屏幕中對(duì)應(yīng)位置顯示故障狀態(tài)、故障參數(shù)，并能自動(dòng)記憶故障狀態(tài)。3 和利時(shí)PLC在井下供電設(shè)備中的應(yīng)3

10、.1 和利時(shí)PLC在低壓饋電開關(guān)中的應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)饋電開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)一般是由分立元器件或單片機(jī)組成的控制核心，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy；抗干擾能力差，故障率高，經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)和拒動(dòng)現(xiàn)象，漏電動(dòng)作時(shí)間常常滿足不了30 ms的要求。尤其在供電距離短、電壓高或供電距離長(zhǎng)、電壓低的情況下，在1 k漏電時(shí)動(dòng)作時(shí)間更長(zhǎng)。另外，由于元器件的限制，開關(guān)缺少良好的人機(jī)界面，給判斷故障和排除故障帶來(lái)不便。而國(guó)外同類產(chǎn)品也普遍采用PLC系統(tǒng)組成，工藝水平較國(guó)內(nèi)高。但是，一旦出現(xiàn)故障，維修跟不上，影響生產(chǎn)。另外，國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格極高，是國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的十倍以上。針對(duì)這種情況，采用和利時(shí)PLC中的饋電開關(guān)專用控制器LM3108K

11、和人機(jī)界面（文本顯示器及設(shè)置鍵盤），構(gòu)成的智能型綜合保護(hù)控制器來(lái)完成礦井低壓電網(wǎng)的二級(jí)選擇性漏電、對(duì)稱短路、不對(duì)稱短路、斷相、過(guò)載和過(guò)電壓等保護(hù)功能。該開關(guān)中的漏電保護(hù)系統(tǒng)由基于附加直流檢測(cè)的總漏電保護(hù)和基于零序電流方向判斷的分支漏電保護(hù)組成 ，既可完成井下低壓電網(wǎng)單相漏電時(shí)橫向選擇性和縱向選擇性功能，又能保證電網(wǎng)對(duì)稱漏電時(shí)保護(hù)動(dòng)作電阻值的穩(wěn)定性，使饋電開關(guān)既可靠又安全。LM3108K模塊首先接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)（經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)一級(jí)變換）的三相交流信號(hào)、零序信號(hào)，經(jīng)IO板處理放大后處理信號(hào)采集；DSP采集完成之后的結(jié)果經(jīng)板間連接器送CPU板，之后送上位機(jī)顯示；同時(shí)上位機(jī)的相關(guān)配置參數(shù)首先下發(fā)到CPU板，再

12、由CPU板下發(fā)到IO板；電源板輸入為24Vdc信號(hào)，經(jīng)過(guò)防護(hù)處理之后轉(zhuǎn)+5V送饋電模塊使用，饋電模塊中用到的其他內(nèi)部電壓也都由+5V轉(zhuǎn)換后得到。IO板和CPU板分別以TI 公司DSP芯片TMS320LF2407A和Infineon公司C164單片機(jī)為核心，二者之間數(shù)據(jù)通信經(jīng)由SPI口來(lái)完成。整個(gè)過(guò)程如圖1所示。該模塊采集三相電流、零序電流、三相線電壓、零序電壓、系統(tǒng)電壓、絕緣電阻等信號(hào)不需要變成直流的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，而是直接進(jìn)入PLC中模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，最后PLC根據(jù)采集到信號(hào)來(lái)控制斷路器的合分閘，模塊采用了DSP芯片，漏電和短路保護(hù)動(dòng)作采用硬件中斷，大大縮短了信號(hào)采集和故障發(fā)生時(shí)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間，保

13、證分開關(guān)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間小于30 ms，總開關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間小于200 ms。系統(tǒng)圖1 IO板硬件原理框圖還增加了PLC根據(jù)電網(wǎng)分布電容的大小和電網(wǎng)電壓的高低來(lái)自動(dòng)整定選擇性漏電的保護(hù)特性和動(dòng)作參數(shù)的功能，提高了保護(hù)系統(tǒng)的智能性。此外在此保護(hù)系統(tǒng)中，建立了良好的人機(jī)界面。文本顯示器在開關(guān)合閘前，循環(huán)顯示電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)、動(dòng)作整定值和開關(guān)的工作狀態(tài)。開關(guān)合閘后，正常工作時(shí)循環(huán)顯示電網(wǎng)的工作參數(shù)和對(duì)地的絕緣水平。故障跳閘后循環(huán)顯示故障參數(shù)和故障狀態(tài)，從而大大提高了判斷故障和排除故障的效率。圖2為饋電開關(guān)保護(hù)控制系統(tǒng)的配置。圖2 饋電開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)配置圖3.2 和利時(shí)PLC在組合開關(guān)中的應(yīng)用目前大部分組

14、合開關(guān)應(yīng)用的PLC保護(hù)控制系統(tǒng)，雖然可以完成電動(dòng)機(jī)的過(guò)載、短路、漏電閉鎖和絕緣監(jiān)測(cè)等保護(hù)功能，但是需要在PLC外圍加上由分立元件和小規(guī)模集成元件組成的保護(hù)電路，元件的分散性和對(duì)保護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性影響很大。一是由于普通PLC信號(hào)輸入都是直流輸入，組合開關(guān)中采集電壓和電流信號(hào)都需要轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，這樣增加了成本，而且還降低了可靠性，在使用中也發(fā)現(xiàn)，組合開關(guān)故障多發(fā)生在信號(hào)變送裝置；二是組合開關(guān)一般都是給大功率的三相異步電機(jī)供電，對(duì)短路保護(hù)要求比較靈敏，而要求短路保護(hù)時(shí)間短，就要求PLC處理速度快，同時(shí)減少信號(hào)采集時(shí)間。針對(duì)于這里兩個(gè)問(wèn)題，和利時(shí)公司開發(fā)出了6路交流電流直接輸入的模擬量處理模塊LM

15、3316A和7路超前漏電檢測(cè)1路交流電壓輸入模塊LM3313K。LM3316A采用交流采集芯片，采集信號(hào)時(shí)間在毫秒量級(jí)，完成6路交流電流的測(cè)量與過(guò)流判斷，并提供2路繼電器保護(hù)輸出。6路交流電流分成2組，每組對(duì)應(yīng)三相交流電流輸入，量程08A(有效值)。用戶可分別設(shè)定每組的過(guò)流門限值，LM3316A模塊采集電流量并與門限值進(jìn)行比較，若發(fā)生過(guò)流則完成保護(hù)動(dòng)作，從過(guò)流事件發(fā)生到模塊完成保護(hù)動(dòng)作完成，響應(yīng)時(shí)間約為100ms。LM3313K在正常8路模擬量輸入模塊的基礎(chǔ)上，7通道超前漏電檢測(cè)增加運(yùn)算放大器，產(chǎn)生一個(gè)需要檢測(cè)漏電電阻用的附加直流電源，這樣直接在通道上直接加上一個(gè)電阻，就可以直接產(chǎn)生一個(gè)10V

16、以內(nèi)的直流電壓供模塊采集計(jì)算。1路交流電壓通道用來(lái)測(cè)量組合開關(guān)的系統(tǒng)電壓，系統(tǒng)電壓通過(guò)變壓器變成220V以內(nèi)的交流電壓，這路通道通過(guò)半波整流將220V變?yōu)?10V的直流電壓，供模塊采集計(jì)算。以六組合為例，采用和利時(shí)PLC為控制系統(tǒng)的核心，完成對(duì)主回路的通斷控制，當(dāng)線路出現(xiàn)漏電、過(guò)流、過(guò)載、三相不平衡等故障時(shí)，由相應(yīng)的程序進(jìn)行保護(hù)，使啟動(dòng)器分?jǐn)?，并給予故障顯示。主回路設(shè)三臺(tái)隔離換向開關(guān)，稱為三個(gè)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)控制方式可分為單臺(tái)控制、延時(shí)控制、單回路雙速控制、雙回路雙速控制等，達(dá)到了相互組合，混合控制的目的，再將三個(gè)系統(tǒng)控制方式進(jìn)行組合，根據(jù)控制方式的不同，PLC控制主回路的通斷，每一回路之間可任意組合。圖3為典型的六組合配置。4 結(jié)語(yǔ)井下供電設(shè)備種類繁多，遠(yuǎn)不止上述幾種形式所能概括的，但都是需要采用智能化的控制與保護(hù)系統(tǒng)。和利時(shí)PLC專用模塊在井下供電設(shè)備中的應(yīng)用，提高了各種保護(hù)的可靠性和靈敏性，延長(zhǎng)了無(wú)故障工作時(shí)間，提高了供電系統(tǒng)的安全性。此外，圖2 六路組