PLC控制的矿用隔爆兼本安型组合开关的设计

董建华

(山西省煤矿节能监测中心，山西 太原 030045)

随着计算机和控制技术的飞速发展，PLC控制技术已广泛应用于自动化控制的各个领域。然而煤矿井下恶劣的工作环境及生产过程中的各种安全隐患决定了发展安全生产的重要性与紧迫性。随着采煤自动化程度的提高，综合机械化采煤的出现，选用可靠性高、故障率低、管理操作方便、性能优良的电气设备也是各煤炭企业实现高效安全生产的必然选择。

经过对太原市西山各大煤矿使用的多路组合开关实际情况调研，总体上还是好的，但由于开关本身存在的本质问题和使用维护不当等因素，也时常发生故障，一旦开关发生故障，必然造成不能正常运行，影响生产，维修起来也十分困难。

主要存在的问题如下：

1)开关内部组合路数较多，大小功率接触器参差不齐。由于大功率为主驱动，启动电流大，运行中因负荷因素电流变化也较大，接触器发热能量大，因温度造成的接触器发生故障率较多。由于器件多，造成整体的温度过高，其稳定性能差，易出故障，特别是对保护电路的影响比较大。

2)由于组合开关内部器件较多，处理故障不方便，耗费时间长，并且，对其它控制设备的运行直接造成影响。

3)因整台开关内部为一个共用的腔室，无论哪路电器环节发生短路爆炸现象，整台开关就不能再使用了。

4)为了能保证正常生产运行，通常把备用开关放在旁边，一旦运行开关有问题，就换到备用开关上。因为电缆较多接线太麻烦，特别是主电缆又粗又硬很不方便，要用很长的时间才能完成，从而影响了生产。

针对现有组合开关的不足，急需开发技术先进、功能齐全、性能稳定、运行可靠、操作简单、维护方便的新开关。为此本文提出了一种隔爆兼本质安全型快捷式组合开关，能满足刮板机、皮带机、破碎机、转载机、喷雾泵、乳化液泵、水泵等的集中控制，一旦一侧的控制系统出现故障，可快速切换到另一侧，保证了工作的连续性与可靠性。

本文设计的测控系统采用 SIEMENS公司的CPU226、EM223、EM231、EM232 作为控制中心，TP －7触摸屏作为人机界面，不仅具有极强的抗干扰能力，还具有完善的保护功能及故障后快速转换的功能。

1 集控系统的总体设计

1．1 功能特点

组合开关2个腔体内分别安装2个30针的转插头X111和X212，排布示意图见图1。X111A为转插头的底座，进该转插头底座的线都是来自本腔体的信号线，X212A也为转插头的底座，进该转插头底座的线都是来自异腔体的信号线，X111B为转插头的头。

图1 两并行腔体之间的连接图

当组合开关2个腔体内的控制系统同时工作时，2套系统完全独立，X111B插到各自的X111A上，需采用2路独立1 140/660 V电源给组合开关供电。当互为备用时，只需用1路独立1 140/660 V电源为组合开关的工作腔体供电，假设并行腔体1为工作腔，则控制负荷的远控按钮都接在该腔体的端子排上。正常工作时，腔体1中的X111B插到本腔的X111A上(另一腔体中的插头不做要求)，当本腔控制系统发生故障，将腔体1中的X111B插到本腔的X212A上，并将电源和负载线接到并行腔体2上，即可利用并行腔体1中的按钮控制腔体2所带设备，实现故障的快速转换。

1．2 控制原则

1．2．1 单个腔体的控制方式

1)单回路独立控制方式：按下本台的启动按钮，本台电机起动;按下停止按钮，本台停车。若是运行中发生故障，根据故障类型瞬时或延时停车。

2)多回路联合控制方式：该种控制方式主要是针对多电机联合工作时的回路控制，在启动时，运用程序设定时间间隔，按设定的先后顺序电机会顺序启动，当需要正常停机时，按动停止按钮，回路电机会按照设定的时间间隔逆序逐个停止。当发生意外事件时，比如中间的1台电机出现故障，那么在该电机之前启动的电机会得到指令立即停止工作，在该电机后启动的电机，则按照提前设定的时间间隔自动停机。

1．2．2 两个腔体的配合方式

1)各自独立运行：需采用2路独立1 140/660 V电源给组合开关供电，共可控制6台负荷。

2)互为备用方式：只需用1路独立1 140/660 V电源为组合开关的工作腔体供电，控制负荷的远控按钮都接在该腔体的端子排上。当工作腔控制系统发生故障，只需将电源和负载线接到备用腔体上，即可实现异腔的先导控制按钮控制对方腔体的负荷，保证设备工作的连续性，提高工作效率。

1．3 保护功能

1．3．1 电流整定

对于PLC的漏电检查，则需要对电流互感器进行档位匹配，保证电流互感器在线性允许的范围内，低档电流整定范围为30～199 A，高档电流整定范围为200～400 A。

1．3．2 漏电闭锁

漏电闭锁主要是为了保证主回路在启动前安全而进行的前期的工作，它通过与直流电源组成闭合回路，检查回路中是否有漏电部位［1］，一般的检测中会采用1 140 V和660 V两种电压，回路中与之匹配的漏电闭锁动作值分别为40 kΩ和22 kΩ。

1．3．3 电流保护

保护电路随出现的故障类型的不同而不同，但都采用鉴幅式保护原理。而一般电流保护会有3种：三相短路、过载、断相保护，前两种属于对称故障，后一种属于不对称故障。主要按反应时间的不同进行划分，三相短路的反应时间为瞬时动作，过载保护采用反时限动作原理，而断相保护采用定时限动作原理。

1．3．4 电压保护

电压保护一般也有3种：稳态过电压、欠压保护及暂态过电压。稳态过电压和欠电压保护采用鉴幅式保护原理，暂态过电压由阻容吸收装置来完成保护任务，通过电压保护最大程度地防止了因电压过高而损坏电机绝缘以及电压过低烧坏电机事故的发生。

1．4 显示系统

操作人员与控制系统之间需要有可靠便捷的过度系统，为了在控制系统与操作、维护人员之间建立良好的人机界面，一般的系统会设计触摸屏液晶显示系统［2，3］。

1．4．1 系统状态显示

合闸前显示电流电压整定是否正确及电网对地的绝缘状况。运行中显示电动机的运转方向及电压正常与否，触摸屏通过读取CPU内部存取单元的值，来决定每个显示单元的状态。

1．4．2 故障状态显示

故障跳闸后显示故障类型及故障参数。见图2。

1．4．3 系统运行时间显示

实时显示日期及时间，便于记录故障发生的时间。

图2 系统状态值显示示意图

1．4．4 系统参数显示

合闸前显示电流整定值的大小，运行中显示电动机的工作电流及系统工作电压。触摸屏通过PC/PPI电缆与CPU通讯，CPU在每个扫描期都要响应通讯请求处理，完成指定存储单周元的读/写操作，进行相应的输出控制。整定值参数见图3。

图3 系统整定值显示示意图

2 测控系统的软件设计

电动机测控系统的主要作用是通过程序设定提前指令，通过软件设计使指令得以实现，为了电动机控制及保护功能的实现，测控系统的程序设计一般有以下几个方面。

2．1 主程序设计

主程序的设计是指令得以实现的首要工作，它的主要功能是控制PLC系统按提前设计的方式运转、完成操作人员与机器之间的对话、信号远程指令控制等功能，其目标任务是系统功能自检、初始化、有效条件触发响应和其它子程序的调用。

主程序采用作业顺序调度结构进行设计，系统初始化后，主程序按照提前设定的调节指令控制一系列子程序。当电机接到主程序的启动指令时，CPU完成整定判别、过流试验、漏电试验、漏电信号及电压信号的循环检测，以判断是否满足合闸条件。当电机一旦接到信号指令脉冲时，CPU将根据控制信号，逐项调用系统的电流检测功能模块、非线性补偿功能模块、断相检测功能模块等，对系统各物理量进行检测、计算、分析、判断和处理。监控程序流程见图4。

图4 测控系统监控程序流程框图

2．2 辅助子程序设计

通过主程序的设计，系统的主要功能得到确定，各子程序的功能到整体定位，系统中子程序是为了辅助主程序实现而发挥作用的各种独立单元的组合。首先，主程序的实现需要许多具体的子任务有机组合，在明确具体任务的基础上，功能模块程序设计应尽量包含同类型的任务，以减少模块程序的数量和存储空间。其次，各功能模块子程序要有一定的灵活性和通用性。

对于主程序灵活的功能要求，子程序功能模块要有硬件自检模块、系统初始化模块、额定参数读取和计算模块、系统试验操作模块、各台电机的控制模块、故障处理模块、状态和参数显示模块等。

3 结束语

快捷式组合开关的运行与备用为一体化，杜绝了故障原因造成现场接线的繁琐性和不安全性，保障了生产的连续性，在多台开关情况下可以互换使用，做到统一配置。避免了一旦开关故障就必须停电而直接影响其它设备不能工作，大大提高了工作效率。

通过本文的研究，得知PLC控制的矿用隔爆兼本质安全型组合开关的设计是防止矿山企业在生产过程中因人为疏忽而引入的自动控制系统，它的出现在很大程度上减小了企业因意外事故而导致的损失，使作业过程中的本质安全化程度得到很大提高，不仅使企业获益，同时对于相关行业具有一定的指导意义。

［1］ 胡天禄．矿井电网的漏电保护［J］．煤炭学报，2003(2)：205－209．

［2］ 孙建领．矿用隔爆兼本质安全型双回路真空组合开关的研制［J］．工矿自动化，2006(5)：71－74．

［3］ 孙 羽，马新国．矿用组合开关控制执行机构误动作的预防及处理［J］．电气开关，2010(6)：29－32．