矿井水泵房PLC控制系统可靠性研究与应用

2013-04-21张新华

中国煤炭工业 2013年1期

文/张新华

文/张新华

一、系统简介

义桥煤矿在-540m水平和泵房安装了水泵远程控制系统。该系统采用了PROFIBUS DP网络对井下水泵进行控制和相关数据采集。整个系统主要分为三个部分：数据采集层、水泵控制层、网络层。数据采集层主要是通过传感器对现场数据进行采集。采集数据主要包括水泵电机轴温、水泵轴温、进出口温差、进出口压力以及水仓水位等水泵控制，是该项目的重点，可满足地面监控中心用电脑和井下泵房人工用触摸对水泵控制的要求，同时根据开泵的参数要求对水泵节点进行顺序控制；网络层是水泵场面控制的基础。网络层主要分为三层：自由口数据采集层、S7-300和S7-200之间的PROFIBUS DP信息交换层、S7-300和HMI之间的通讯以及S7-300与地面电脑的通讯。具体构成方式如图1所示。

系统由上位机、下位机和分站组成。系统控分和控制核心选用高性能可编程控制器西门子300系列PLC。

检测分为两部分：模拟量检测部分，由水仓水位传感变送器、高压柜综保单元、压力变送器、负压变送器、温度传感变送器等组成，主要用于中央泵房主排水系统运行参数的检测；开关量检测部分，将启动柜中的真空断路器状态、电动阀门的工作状态与启闭位置等开关量信号接入PLC,可检测系统运行状态。而执行部分则由下位机及所控制的对象组成，可完成对水泵、电动闸阀、电磁阀、高压柜等设备控制。

在设计安装前考虑到井下各方面的因素，如矿井较深，控制线路远，泵房潮湿，狭窄，有一定局限性，控制电源电压波动大、不稳定等，采取相应措施。

二、抗干扰措施

1.电源抗干扰措施

电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的。针对1600KW的大功率水泵用电设备，在PLC的交流电源的输入端加接屏蔽层的隔离变压器和低通道的滤波器，低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可接地。

图1水泵远程控制系统

高频干扰信号是通过初级绕组的分布电容传递的，在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层，将它和铁心一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频干扰的能力。也可以选用电源滤波器或功率相适应的UPS净化电源产品。

2.布线的抗干扰措施

数字信号一般对信号电缆无严格的要求，可以选用一般电缆，但针对煤矿信号传输距离较远的特点，选用了煤安标志的矿用屏蔽通讯电缆。

PLC应远离强干扰源，且不能与高压电器安装在同一个开关柜内，安装在距水泵启动控制柜大于1m的位置，并远离动力线。

动力部分、控制部分、PLC、I/O电源分别配线，PLC应采用单独的供电回路，以避免大容量设备对PLC的干扰。

信号线与功率分开走线，电力电缆单独走线，不同类型的线应分别装入不同的电缆或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离，信号线应尽量靠近地线或接地的金属导体。

当数字量输入、输出线不能与动力线分开布线且距离较远时，可用断电器来隔离输入/输出线的干扰。

I/O线怀电源线应分开走线，并保持一定的距离。如果不得已要在同一线槽中布线，应使用屏蔽电缆。交流线直流线应分别使用不同的电缆，I/O线的长度超过300m时，输入线输出线应分别使用不同的电缆；数字量、模拟量I/O线就分开敷设，后者应采用屏蔽线。如果模拟量输入/输出信号距离PLC较远，应采用4～20mA的电流传输方式。传送模拟信号的屏蔽线的屏蔽层就一端接地。为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽层的1/ 10，并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线，或只考虑抑制干扰时，也可以一端接地。

不同的信号线最好不用同一个插接转接，如果必须用一个插接，要用备用端子或地线端子将它们分隔开，以减少相互干扰。

三、PLC的接地

良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件，接地线的截面积应大于2mm2，接地点与PLC的距离应小于50m。

在泵房有接地网络可供使用。各控制屏和自动化元件可能相距甚远，若分别将它们在就近的接地母线上接地，强电设备的接地电流可能在两个接地点之间产生较大的电位差，干扰控制系统的工作。为防止不同信号回路接地线上的电流引起交叉干扰，必须分系统将弱电信号的内部地线接通，然后各自规定面积的导线统一引到接地网络的某一点，从而实现按制系统的一点接地的要求。