基于PLC煤矿通风机供电控制系统可靠性研究.pdf

★ 煤炭科技 机电与信息化 ★ 基于P L C煤矿通风机供电控制系统可靠性研究 杨春稳 。 李俊 豪 马 东娟 李志刚 1 ．河北工 业大 学 电气工程 学院 ，天 津 市红桥 区，3 0 0 1 3 0； 2 ．开 滦集 团有 限责任公 司，河 北省唐 山 市，0 6 3 0 1 8 摘 要 为最 大限度 地 防止井 下供 电 系统 出现 突 然停 电及 供 电故 障 导致通 风机停 风 ，本 系统基 于 P L c技术，研究了矿井局部通风机供 电系统由正常运行状态到应急供 电系统的可 靠转换 功 能 ，当发 生电 网 电源故 障 时 ， 系统 可 以 自动 启 用备 用供 电 系统 ，使 风机 持 续供 风 ， 极 大地 提 高 了局 部通 风机供 电控 制 系统 的可 靠性 。 关键词 煤矿通风机供 电控制P L C控制P I D算法供 电可靠性 中图分 类号TD6 1 1 文献标 识码B Re s e a r c h o f r e l i a b i l i t y o f PLC s u p p o r t e d po we r s u pp l y c o n t r o l s y s t e m f 0 r mi ne v e nt i l a t i o n f a n s Ya n g C h u n we n ，Li J u n h a o ，Ma Do n g j u a n ，Li Z h i g a n g 1 ． S c h o o 1 O f E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ， He b e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Ho n g q i a o ， Ti a n j i n 3 0 0 1 3 0 ，C h i n a ； 2 ． Ka i 1 u a n Gr o u p Co ．，Lt d，Ta n g s h a n，He b e i 0 6 3 0 1 8，Ch i n a Ab s t r a c t Abs t r a c tThe us e o f t h e PI C s up po r t e d p owe r s u pp l y c o nt r o l s y s t e m i s t O p r e v e nt ， t O t h e gr e a t e s t e x t e nt ， un e x pe c t e d un de r gr o un d po we r s y s t e m f a i l ur e a nd v e n t i l a t i o n f a n s t o ppa ge r e s u l t i ng t h e r e f r om ．The p a pe r a d dr e s s e s r e l i a b l e s wi t c hi n g f r om t he no r m a l po we r s u p pl y s y s t e m t o t h e e m e r g e n c y po we r s y s t e m f o r mi ne a uxi l i a r y f a ns us i ng t he PLC t e c hno l o g y． W h e n t h e ma i n p o we r s u p p l y f a i l s ，t h e b a c k u p p o we r s u p p l y s y s t e m wi l 1 b e s wi t c h e d o n t o s u s t a i n mi ne v e nt i l a t i o n，whi c h gr e a t l y e nh a nc e s t he r e l i a b i l i t y o f t h e p o we r s u pp l y c o nt r o l s y s t e m f or a ux i l i a r y f a ns ． Ke y wo r d s p o we r s u pp l y c o nt r o i s y s t e m f o r mi ne v e nt 订a t i on f a n s，PLC s u pp o r t e d c o n t r o 1 ． PI D a l go r i t hm ，p owe r s u p pl y r e l i a bi l i t y 矿 井采 掘巷 道瓦斯 超 限一直 是煤矿 安全 生产 中 的重 大课题 ，统 计资料 表 明 ，掘进 巷道 的 瓦斯浓 度 超限 有 3 5 是 发 生 在 突然 停 电 时 。由 于 停 电 停 风 造成 瓦斯浓度 超 限而引 起 的瓦斯 爆炸事 故 给 国家 和 人民造成了巨大的经济损失 。因此，为防止井下供 电系统 出现 突然停 电及 供 电故 障导 致 通 风 机停 风 ， 在双电源的基础上 ，为通风机配备一个可以持续 、 可靠供 电的大 功率不 间 断 电源 ，以提高 供 电系统 可 靠 性 。针对这 一 问题 ，本 系统 将 P L C控 制 与 DS P 有机 结合 起来 ，对通 风机 进行 不 间断供 电 ，以减小 事故 的概 率 。在 电 网正 常 时 P L C控 制 动作 开 关 对 电池 组进行 充 电 ，充 电饱 和 的时候 进 行浮 充 ，DS P 则是 应对 突发 的事故 停 电 ，通 过控 制逆 变对 电动机 基于 P L C煤矿通风机供 电控制 系统可靠性研究 供 电。 1 系统硬 件 1 ． 1 带有 应 急供 电控 制 系统硬件 在 矿井 局部通 风 系统 中有 两路 电源 一路 电源 6 k V取 自矿 井井 下 中央变 电所 母线 ，通过 专 用 线路 此线路不接其他负荷输送到采 区变 电所 ， 经 专用 变压器 变换成 低 压 6 6 0 V，通 过 低压 6 6 0 V 供 电 电缆 向局部通 风机供 电 ，构成 专用局部 通风 机 系统 ，该 系统 负责 向工作 面连续 供 风 ，作 为常用局 部通 风机 ；另一路 电源来 自采 区变 电所 的变 压器 ， 用低 压馈 电开关 引 出一路 动力 电缆 向备用局 部通风 机供 电 ，构成 备用风 机系 统 。 7 9 当常用局 部通风机 因故 障 主要是停 电停机 时 ， 自动切换装 置 自动启 用备用局 部通风 机 ，实现 工作 面持续供风 。 同时 ，在备用风 机系统安装 本文 研制 的大功率应急 供 电电源 。当矿井 发生停 电故障 时 ，无论 是专用局 部通风机 还是备用 风机都将 失去 供 电电源 ，此时 自动启动应急供 电系统向备用风机 供电，保障工作面正 常供风 ，维持工作面风量 要 求 ，待电源故障排除恢复供电后 ，再转换为常用局 部通 风机供风 。煤矿局部 通风机 供 电可靠 性保障 系 统框 图见 图 1 。 l 7 图 1 煤矿局部通风机供电可靠性保障系统框图 1 ，7一矿井中央变电所 6 k V母线；2 一采区变电所专用高压隔爆开关； 3 一局部通风机专用变压器； 4 --局部通风机专用低压馈电开关； 5 一专用局部通风机启动器；6 一常用局部通风机； 8 一采区变电所高压隔爆开关；9 采区变电所动力变压器； 1 O 一低压馈电开关；1 1 一具有应急供电电源的备用局部通风机启动器； 1 2 一备用局部通风机；1 3 一应急电源；1 4 一通风管道及切换装置 局部通风机供电可靠性保障系统是基于双风 机 、双 电源供 电系统基础 之上增加 应急 电源而形成 的。为了对局部通风机供电可靠性保障系统进行评 价 ，需 要将工程框 图转化 为可靠性框 图 ，见 图 2 。 _ - 1 r _ b 图 2 司靠性 框 图 a 一双风机、双电源系统； b 具有应急电源的双风机、双电源系统 根据可靠性 理论 ，并 结合 系统 正常工作 的必要 条件 系统 中至少要 有 一个元 件 正常 工作 ，N 个 元件并联时系统可靠度为 N R 1 一Ⅱ 1 一R 1 l 1 式 中 R 第 i 个并联 元件 的可靠 度 ，i 一1 ，⋯， N 。 双风机 、双 电源 系统可靠度 为 R2 1一 1一 R 一 2 R R。 2 具 有应 急 电源 的 双 风 机 、双 电源 系统 可 靠 度 为 R3 1一 1一 R 。 一 3 R 一 3 R。 R。 3 上述 系统相 当于多 回路 并联供 电系统 ，系统可 80 靠工作概率见表 1 。由表 1可见增加应急电源供电 时，系统可靠性将有大幅度提高。 表 1 备用系统 可靠性工作概率 注 兀 件 失 效 率 ；t 工 作 时 间 1 ． 2 应急 电源硬件 局部通 风机应 急供 电可靠性保 障系统 的核心在 于常规供电电源发生停 电故障时 ，准确无误启动应 急电源供电。包括应急电源和对常规供电系统及应 急供 电系统 的协调 控 制 ，将应 急 电源 的控制 回路 、 充电装置与备用风机启动器做成一体，组装在一个 隔爆外壳内，再将蓄电池组和已组装的元件组装在 一 个 隔爆外 壳 内。应 急供 电系统组成 框 图见 图 3 。 图 3应 急 供 电系 统 组 成 1 一高压隔爆 型蓄电池组；Z --逆变装置；3 --P L C控制单元 ； 4 一充电装置 ；5 --交流 电源引入装置 1 高 压隔爆 型蓄 电池 组 。高压隔爆 型蓄 电池 组是 能量存储 单元 ，在系统 电源正 常时 ，由充 电装 置向其充电，充电过程结束后处于浮充电状态，系 统 电源停 电时 ，电池组 向外 输 出能量保 证负 载正常 供 电。 2 逆变装 置 。逆 变装置 主要是 当系统 电源发 生 停 电故 障时 ，将 蓄 电池 组提供 的直流 电源 ，转 化 成 符合负 载 要 求 的三 相 交 流 电 ，作 为 应 急 备 用 电 源 。 3 充 电装置。充电装置主要作用是将系统电 源提供的三相交流 6 6 0 V电源 ，转化成直流电源， 为蓄 电池组充 电 。 4 s 7 2 0 0 C P U2 2 4是整 个 控制 系统 的核 心 控制 器 ，内部 集 成 8组 比例 积 分 微 分 调 节 器 P I D 。在 每一组 充 电控制 回路 采用 两个 P I D调 节 回路 ，控 制充 电开关 稳 压 电源 的输 出 电压 和 电流 。 其 中一个 比例积分 P I 调 节器作 为 电流 调节器 用 于控制充 电 电流 ，另一个 比例积 分 P I 调节器作 为 电压调 节器用 于控制蓄 电池充 电 电压 。 1 ． 3 电动 机 保 护 系统 硬 件 中 国煤 炭 第 3 7 卷 第 4期 2 0 1 1 年 4月 本系统 中局 部通 风机 电动机 保护 有两 种 一 种 是当使用应急供电系统 E P S 供电时逆变器提供 的 电动机保 护 ，另外 一种是 用交 流 常规 电源供 电时 逆变 器提供 的 电动机 保护 。 本文 中的 电动机 保护是 通过 逆变 电路 的控 制器 实现的。电动机过载保护是反时限保护，通过显示 屏手 动 设 置 电 动 机 的 额 定 功 率 ，由 逆 变 器 中 的 C P U 对 电动 机 过载 温 升进 行 数 字 模 拟 ，得 到 保 护 动作 反时 限特 性 ，进 而实 现 电动机过 载保 护 。 本 文还 针对 煤矿 电动机 的特 殊要求 增设 了漏 电 闭锁 保护 。漏 电闭锁 保护 的原 理 在 电动 机启 动之 前 ，在 电动机绕 组和 地之 间加 上一个 直 流电源 ，监 测 电动机对 地绝 缘 电阻 ，当 电动机绝 缘 电阻低 于整 定值 时 6 6 0 V 电 气设 备 为 1 1 k n ，通 过 检 测 电 路 向 P L C发 出漏 电故 障信 号 ，禁止 电动 机启 动 。 2供 电系统 P L C控 制功能 的实现 可编程序控制器 P L C 采用的是循环扫描工 作方 式 。通 电后 ，会 自动 对 软 硬 件 进 行 初 始 化 工 作 。为 了使 P L C的输 出 及 时 响应 输 入 信 号 ，初 始 化后 会立 即反 复不断 并分 阶段 地处理 各种 不 同的程 序 ，P L C的工作 过程见 图 4 。 『 ] C P U白诊断 通信信息处理 与外部设备 交换信 息 执行用户程序 输入输出信 息处理 图 4 P L C工 作 过 程 本 文所 研 究 的 局 部 通 风 机 供 电系 统 通 过 P L C 实现 全部 控 制 功 能 。正 常 工 作 状 态 下 ，系统 采 用 P L C 自动控 制 ，在 安 装 调 试 期 间 通 过按 钮 和 显 示 屏 采用 手动 检 修 方 式 控 制 。本 文 采 用 西 门子 S 7 ～ 2 0 0系 列 ，在 应 急 供 电 系 统 E P S 中 采 用 的 是 C P U2 2 4模 块 ，该 模块 运行 速 度快 、功 能 强 ，非 常 适 用 于小型 控制 系统 。 在 电动 机 保 护 系 统 中 ，功 能 按 钮 通 过 硬 件 与 P L C输入 口连 接 ，用 户 通 过 按 钮 在 显 示 信 息 的 提 示下将各种指令通过 P L C输入接 口直接传 给 P L C 的过程 映像 区 ， 由 P L C主 程序 调 用 ，实 现各 种 参 数设 置 和系统 复位 ，实 现对 电动机 的保 护功 能 。 基于 P L C煤矿通 风机供电控制系统 可靠性研究 3 基 于 P L C的 P I D控 制充 电算 法 P L C通过 数 值 计 算 方 式 实 现 P I D控 制。将 连 续算 式离散 化 处 理 后 通 过 计 算 机 实 现 P I D控 制 的 目的 。 通常 ，在 模 拟 P I D 算 法 的基 础 上 ，通 过 离 散 化处 理就 得到 数字 P I D 的公 式 。 K c e 十K J 一g 1 十K D 一8 1 4 】 式中 在第 ， z 个采样时刻，P I D控制 回路 输 出的计算 值 ； Kc P I D回路的比例增益 ； e 在第 个采样时刻的偏差值 ； e 一 在第 一 1采 样 时 刻 的 偏 差 值 偏 差前 项 ； K 积分 常数 ，也称 之为积 分增 益 ； K。 微 分项 常数 。 在模 拟控 制 器 中难 以实 现 理 想 微 分 的 d e d r ， 在计 算机 中可 以利用 其差 分方程 很好 地实现 。 P L C中 具 有 用 于 闭 环 控 制 的 P I D 模 块 ，即 P I D调节器。P I D调节器调节输 出，保证偏差值 e 为零 ，使系统达到稳定状态。在系统中，偏差 e 是 给 定 值 S P 希 望 值 和 过 程 变 量 P 实 际 值 的差 。P I D控 制原 理基 于下 式所 示 方 程 ，它描 述 了 输出 M 作为比例项 、积分项 和微分项的运算 参数关 系 。 M ￡ 一K p K l dt K D d e 5 J 0 a 式中M P I D回路的输出，是时间的函数 ； K p I D回路的增益 ，也叫比例常数； K 积分 系数 ； K。 微 分系数 ； P 回路 误差 。 对 于不 同 的控制 系统 ，需要根 据不 同 的控制对 象 ，选 用不 同 的控制环 节 。而且 ，不 同的控 制对象 的给定值和过程变量都是实际值 ，它们的大小、范 围和工程单位都可能不 同。所 以在进行 P I D指令 计 算之 前 ，必须 把 它们 转 换 成标 准 的浮 点 型实 数 ， 这样才能进行 P I D运算 。同样 ，经过 P I D运算后 的 回路 输 出值 一般 为控 制变量 ，而且输 出是经 过标 准化 的的 实 数 ，所 以在 回路 输 出驱 动 模 拟 输 出 之 前 ，必须 把 回路 输 出转 换 为 相 应 的 1 6位 整 数 ，也 就是 通 过标准 化过 程 的逆 过程 ，将 下转第 8 4页 81 低压 负荷 ，在 低压侧 已作 了分散 补偿 ，故 无功集 中 补偿 容量预计 为 2 X 2 ． 4 Mv a r 。 选用小电流接地选线装置 1 套。系统发生非瞬时 性单相接地故障时，可在尽量短的时间内找出接地故 障线路 ，提高了选煤厂供电的安全性和供电质量。 4 ． 5绝缘 配合 、过 电压保 护及 防雷接地 为防止雷击 ，变 电站 场地 设 独立 避 雷针 2座 。 3 5 k V 电源线路全 线架设避 雷线 ，线 路设计 污秽 等 级为 Ⅳ级 。终端塔 至配 电装 置进线段 利用变 电站场 地独立避雷 针保护 ，必要时增设 塔顶避 雷针 。为防 止雷 电侵入 波 ，在变 电所各侧母 线上采用 金属 氧化 物避雷器保护。为防止真空断路器的操作过 电压 ， 设计选用三相组合式金属氧化物避雷器保护。全所 接地电阻要求小于 0 ． 5 Q。 4 ． 6综合 自动化 系统 本 站按无人值 守变 电站 设计 ，由平煤 电务厂对 站内主要电气设备进行监视 、控制 ；同时，变电站 将有关信息传送至平煤电务厂调度室。 站 内设 监控 主机 ，兼有 远动工作 站功能 ，并设 置 独立 的继 电保护工 程师站 。为满 足矿井对 主要 电 气设备进行调试、检修、维护的特殊需要，有关人 员可在当地对全站主要电气设备进行监视 、控制 。 本站信号系统不设光字牌 ，事故信号和预告信 号 均 由微机监 控 系统 的数 据 采集／ 处理 系 统按 照事 故发 生的时 间和顺序 自动记录 、处 理及显 示 ，并通 过远 动通道远传 至地 面调 度室或集 控 中心 ，通过集 控 中心的显示器 显示报警 画面 ，并 通过打 印机打 印 故 障数 据 。 测量系统采集量按 电测量仪表装置设计技术 规程 配置 ，交 流直接采样 方式 。所有需要 测量 的 电气和非 电气量 除进人微 机监控 系统进行采集 、处 理、显示和远传外，对于直流系统、主变温度等就 地装设 常规测量 仪表 。 6 k V、3 5 k V室内配电装置 “ 五防”功能，采 用简单可靠 的机械闭锁及部分电气闭锁 ，综合 自动 化 系统独立 设置微 机 “ 五防”工作 站一套 。 监控 系统 主机 及 网络设 备按变 电站终期 容量配 置 ，分布式 微机测 控装置按 本期规 模考虑 。 4 ． 7 电力调度通信 1 主通道 田庄选煤厂属于平煤内部调度管 理，选煤厂新建 3 5 k V变 电站经光纤线路至平煤 通信 中心 ，经 平煤光纤 网至平 煤 电务厂 调度室 。在 选煤厂新建 3 5 k V变电站设置光传输设备 和 P C M 设备 ，可传输语音 电话、2 Mb p s 及 以上高速率的 信 息流 。 2 备用 通 道 选 煤 厂新 建 3 5 k V 变 电站 经 通 信 电缆 线路至平 煤通信 中心 ，经 平煤光 纤网至平 煤电务厂调度室 ，备用通道采用通信电缆 ，可传输 语音 及低速 数据 。 5 结论 经过方案 论证 和设计 优 化 ，达到 了预期 目的 ， 在保证安全、可靠和 自动控制的前提下，实现供电 能力 的提升 ，为全厂 总体产能 升级提供 了强劲 的动 力支持 ，实现了安全性 、可靠性 、先进性和经济性 的统一 。 作者简介 张 同军 1 9 6 2 一 ，男 ，现任 平顶 山天安煤 业股份有限公司田庄选 煤厂副厂长 ，负责 生产和经营 管理 工作 。 责任编辑 张艳华 上接第 8 1页 回路输出值转换为相应的实际值。 4结论 P L C在本 系统 中 的主 要 作用 是 实 现 局 部 通 风 机 供 电可靠 性保障 系统的所有 控制 功能 。提高供 电 系统可靠性 ，保证 煤 矿局 部 通风 机 实现 持续 供 风 ， 改 善井下通 风情况 ，预防和减 少 由于瓦斯积 聚超 限 造成的事故 。 P L C抗干扰 性和适 应 能力 很强 、可 靠性 很 高 、 可以长时间稳定工作 。通过软件编程来实现逻辑控 制 ，使复杂的控制逻辑变得简单易行 ，这也是我们 8 4 选用 P L C控 制整个 供 电系统的原 因 。 参考文献 i [ 1 ] 孙 连 胜 ．煤 矿 安 全 管理 之 管 见 E J ]．煤矿 开采 ， 20 06 3 E 2 ] 黄祥瑞 ．可 靠性 工程 [ M]．北京 清 华大 学 出版 社 ，1 9 9 0 作者简介 杨春稳 1 9 5 7 一 ，男 ，博士研 究生 ，正高 级工程师 ，研究方向 电器可靠性。 责任 编辑张艳华 中国煤炭第 3 7卷第 4期 2 O l 1年 4月