基于PLC的高压隔爆馈电组合开关的设计 -.pdf

煤炭工程 2 0 1 2年第 5期 基于 P L C的高压隔爆馈 电组合开关的设计 魏幼平，马 强，张庆贺 中国矿业大学 北京机电学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要根据煤矿生产需要 ，设计 了一种基 于 P L C的 高压隔爆馈 电组合开关，概括介 绍 了 系统各功能单元的设计思路、工作方式以及各主要参数的设计指标。实际调研表明该系统有助 于提高大型煤矿 的生产效率 ，降低 生产成本 ，并且使用灵活方便 。 关键词高压隔爆 ；组合开关；漏电保护 ；P L C 中图分类号 T D 6 1 1 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 0 5 -01 1 6 - 0 2 1 概述 矿用隔爆型馈电开关主要用于周围介质含有爆炸危险 的混合气体及煤尘的煤矿井下，控制和保护各类馈电线路， 当线路发生故障时，自动切断其供电电源，其可作为配电 系统的总开关和分开关，同时该开关可以作为大容量电动 机不频繁起动之用，还可作为矿用隔爆型移动变电站输出 侧的馈电开关。 随着煤矿井下现代化程度 日益提高和井下用电设备使 用的增加，使得煤矿井下供配电系统对于其安全性、可靠 性和工作连续性要求越来越严格 ；与此同时，由于煤矿井 下工作环境恶劣且比较复杂，用电负荷波动大，存在瓦斯 以及粉尘积聚、滴水 冒顶事故等等都可能造成电气设备绝 缘强度逐渐降低或损坏；再有 ，由于井下传输电缆断裂和 损坏，容易产生漏电或单相接地故障，此类故障若不及时 排除，故障时产生的电弧能量极有可能引起瓦斯粉尘爆炸， 直接危及到矿井下的人员安全和煤矿生产。因此，矿用隔 爆型高压馈电开关，作为配电开关使用时，是井下配电系 统的关键设备，其性能好坏直接影响着煤矿井下的生产安 全和生产效率。 为煤矿井下 6 k V或 1 0 k V配电系统研究一种将多台馈电 开关及其保护集中组装在一个机箱内构成的高压隔爆馈电 组合开关 即集馈电保护、变压和组合控制高压用电设备一 身的设备 。该系统具有人机显示界面、短路保护、过载保 护、过电压保护和欠 电压保护及漏电保护等功能，既可满 足大型现代化矿井井下供电系统发展的要求 。也可以大大 提高井下供电系统的安全性和可靠性。 2 总体结构设计 高压隔爆馈电组合开关的设计内容包括 1 整体结构选择，包括机箱结构选择 ，进出线方式选 择等。 2 前端数据采集模块 的研究与设计，包括传感器选 择、信息采集与信号处理电路等模块设计。 3 控制保护通信模块研究与设计 ，包括控制保护电路 设计等。 4 远程传输模块设计，包括传输系统总体结构、故障 监测和保护系统等模块设计。 5 上位机监控系统模块研究与设计 ，包括远程操作系 统、通信系统结构等。 6 整体系统人机界面显示的相关研究与设计 ，包括远 程操作界面设计、总开关操作界面设计和单路开关显示系 统的设计等。 系统总体网络结构由数据采集模块、井下控制保护通 讯模块、远程双向传输模块和矿井地面监控系统四部分构 成，具体如下 1 前端数据采集模块 首先利用信号采集模块对井下 各用电设备的电压、电流及零序信号进行采集，通过信号 预处理电路将互感器输出的弱电信号进行 比例放大，然后 将其传输给 A ／ D模数转换电路，转换成数字信号，最后由 数字控制系统进行处理。 2 控制保护通信模块本模块主要负责将转换之后的 相电压、相电流数据按照相应决策算法进行运算，并判断 当前馈电回路是否有故障，最后以开关量的方式将处理结 ．果输出；另一方面将当前采集来的实时数据利用以太 网通 信模块传送向远端监控主机。 3 远程传输模块远程网络通信的实现是基于 A R M 7 内核的嵌入式系统 自带 的以太 网控制器 R T L S O1 9和 R J 4 5 接口接人以太网，并通过千兆交换机接入井下 F D D I 光纤环 网；矿井地面的监控主机是通过交换机接入井上环网；选 用交换机作为核心交换机来建立连接 ，从而实现对井下嵌 入式系统和矿井地面 P C监控主机的远程通信功能。 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 6 作者简介魏幼平 1 9 6 1 一 ，女，黑龙江人，副教授 ，硕士研究生导师，现在中国矿业大学 北京 机电与信息工程学 院从事检测技术方面的研究。 1 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 5期 煤炭工程 4 上位机监控系统模块一方面能够实时接收、存储 并显示井下上传的当前馈电开关各参量数据；另一方面利 用相关算法进行二次运算再次检查 ，最后根据这些现实参 数来监视井下设备的运行情况，达到实时监控的目的。 整体系统的人机界面显示如图 1 所示 ，其中 P L C 1 为主 控制器，主要是对外部通讯和子控制器传输过来的数据信 息进行处理 ， 然后把处理过的数据传给主显示系统和各个 子控制器 ，子控制器接收到主控制器传输过来的数据信息 之后，经过必要的处理，把需要显示的数据最终传送给各 个子显示 系统 。 主显示 系统 触摸屏K T P 6 0 0 匡 盏 圆 图 1 系统控制结构拓扑 系统工作程序流程如图2所示 ，通过前端数据采集模 块对井下各个用电设备 的工作状态信号进行采集，通过一 系列的信号调理电路后传输给 P L C系统，通过 P L C系统软 件程序分析比较来判断是否出现故障以及故障类型，然后 在人机界面显示故障数据并通过控制模块采区相应的控制 措施。除了就地操作控制以外，还可以通过上位机监视井 下工作状况，通过远程通信工作方式控制井下设备状态。 蠢 熟 ，H H 莫 设 备 风 机 ， 叫 电 流 ， 电 压 瓦 卜 叫 02 兰 挖 掘 机 等 f l 感 器 等 l I八 电检测，然后把每一回路对地绝缘电阻值 R 与设定的漏电 动作值 尺 。 进行 比较；当 1 ． 5 R 。 时，漏电闭锁保护动 作 ；当回路分断以后，漏电闭锁功能在经过一定时间后起 动，以防止电机的反电动势。 3 过压欠压保护 主回路电压的工作范围在 0 ． 7 5～ 1 ． 1 ，当超 出 1 ． 1 时为过压 ，立即停 止工作，切断 电 源；当低于 0 ． 7 5 时为欠压 ，也应立即停止工作，切断 电 源。 其中过压欠压倍数根据实际情况设定 4 断相保护主回路接通以后 ，主回路三相工作电流 中最小电流值与最大电流值之间的比值为 ，当0 X 0 ． 1 时，在设定时间内断相保护动作。 5 过载保护过载保护动作后开关不能复位，故障消 除后，需按复位按钮开关才能 自动重新起动。过载保护动 作特性表见表 1 。 表 1 过载保 护动作特性表 动作时间 l 0 0S 5 5 s 1 8 s 1 2 s 8 s 0 ， 2s 4结语 将多台馈电开关及其保护集中组装在一个机箱内构成 的高压隔爆馈电组合开关在国外采煤工业 中已经开始使用， 而国内此类高压隔爆组合开关虽曾被提及过，但却对其研 究尚少。因此，针对煤矿井下馈电开关存在的问题和监控 保护功能不够健全的情况，为井下生产安全和提高效率， 研究和设计我国煤矿的新型高压隔爆组合开关具有很大的 现实意义 。 圭 堡 鉴 墨 竺l I 望 箜 鉴 垡 l 参 考 文 献 c 卜 錾H 蚓 L_- f 制 器 l l I L C D 子I 3 主要技术指标 顾永辉．煤炭电工手册 第二分册矿井供电 [ M] ．北京 煤炭工业 出版社 。1 9 9 6 ． 国家安全生产监督管理局 ，国家煤矿安全监察局．煤矿安全 规程 [ M] ．北京煤炭工业出版社， 2 0 1 0 ． 李建基．高压开关设备实用技术 [ M] ．北京中国电力 出 版社 ． 2 0 0 5 ． 孙士宏．H P S E一6型矿井 高压隔 爆馈 电开关 综合保 护装 置 的研究与实现 [ D ] ．阜新辽宁工程技术大学， 2 0 0 8 ． 彭继慎．矿用隔爆型真空馈电开关智能保护器的研究 [ J ] ． 煤矿机电 ，2 0 1 0， 1 ． 郝 长 城． 基 于 P L C的 智 能 型 矿 用 隔 爆 馈 电开 关 的研 制 [ D ] ．北京中国矿业大学 北京 ，2 0 0 8 ． 责任编辑赵巧芝 l 1 7 k 2 5 L L ， 1 j 1 ； I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m