S7-200PLC在矿山牵引整流系统中的应用

2018-08-05刘晏军杨艳明

世界有色金属 2018年10期

刘晏军，杨艳明

（1.金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100；2.四川会东大梁矿业有限公司，四川凉山615000）

1 引言

近年来随着矿山自动化系统的快速发展，PLC在工矿企业得到了广泛的应用，许多矿山辅助设备的监视和控制都可以选用微型PLC，改造其原有的控制系统，达到提高设备或系统安全性能的目的。对一些控制点少且控制逻辑较复杂的小型设备而言，微型可编程控制器紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、强大的指令以及较高的可靠性和简便的维护方式，就可以满足这类小规模控制系统的改造要求。

金川集团有限公司龙首矿是一个年出矿能力为280万吨的有色金属地下矿山，该矿东中部地表直流牵引系统承担着200万吨的电机车运矿任务。近期以来，因出矿任务增加，在14吨电机车牵引6m3底卸式矿车运行过程中，经常发生550V直流电过流跳闸的情况，经常发生停电后当班维修人员送电4、5次的情况，降低了矿石的运输效率，对生产造成了影响。为此，该矿技术人员通过调查研究，找到了因矿车装矿过高、弯道处直流电接地等导致550V直流电过流跳闸的原因，在排查、整改问题的同时，对地表550V直流牵引系统的综合保护装置进行了完善，提高了直流牵引系统的安全性和可靠性，解决了直流电影响生产的问题。下面就S7-200PLC在该矿地表直流牵引系统中的应用情况进行说明。

2 总体设计

根据龙首矿地表直流牵引系统设备的实际情况，对550V整流柜加装微机综合保护装置，采用具有数字控制、液晶显示、故障记忆等功能的德国西门子PLC程序控制器（S7-200 CPU224）。从整流变压器输出的系统交流490V电源接至整流柜内的塑壳式断路器的输入端，经交流接触器接到三相桥式全控整流回路（输出电压DC 0V-DC 600V可调），经整流后的直流电输出至负载。直流电系统图如图1所示。

元件各部分功能如下：

QF：主断路器，用于开断交流输入电压；

KM1：主接触器，用于分合闸控制；

TA1、TA2、TA3：电流互感器，用于交流电流检测；

图1 直流电输出系统图

R1-3、C1-3：阻容吸收装置，用于晶闸管系统保护；

G1-G6：晶闸管，用于三相桥式全控整流回路；

R4：导通电阻，用于直流回路的导通保持；

VD：二极管，用于反向击穿保护；

V：电压表，用于直流电压测量显示；

ZLH：直流电流传感器，用于直流电流检测；

FU4：熔断器，用于直流输出测短路保护；

FL：分流器，用于直流电流测量；

A：电流表，用于直流电流显示；

LJ1-LJ3：过流继电器，用于交流过流保护。

3 保护系统设计

在该应用中引入传感器技术、PLC控制技术及微机综合保护等技术和装置，实现了对整流柜故障诊断、远程操作及自动重合闸功能。

3.1 电流及电压参数设计

利用直流电流传感器及直流电压变送器，实现整流柜电压、电流数据采集，根据直流电压及电流的变化，实现对整流柜的故障诊断功能。当检测的电流值大于350A时，保护装置判断为直流电过流接地故障，发出分闸指令；当检测到直流电压值在580V-650V之间时，判断为系统正常；当检测到直流电压值在100V-580V之间时，判断为熔断器故障；当检测到直流电压值低于100 V时，判断为断路器跳闸；当检测到直流电压值高于650V时，判断为系统过电压，此时延时10分钟，如故障依旧，整流柜跳闸，避免直流电压过高而烧毁电机车的逆变装置。

3.2 自动重合闸参数设计

选用PLC的CPU模块及模拟量模块为核心单元，实现整流柜在轻故障状态下自动重合闸功能；分合闸状态取自交流接触器的辅助触点，当系统第一次跳闸后，PLC进行计数及时间计算，3分钟后PLC输出合闸信号，保护装置动作，实现自动重合闸。此时如果整流柜不再动作，则判断为轻故障；如果合闸后整流柜立即跳闸，则判断为重故障，整流柜不再启动重合闸。自动重合闸逻辑图如图2所示。

图2 自动重合闸逻辑图

3.3 远程操作设计

利用高压开关柜的线路保护测控装置的遥跳、遥合功能，可实现对整流柜的远程分合闸操作。当重故障处理正常后，电机车司机用电话告知地表监控中心值班人员，由值班人员操作电脑界面，并对线路保护测控装置的遥合控制，实现整流柜远程合闸操作。远程控制图如图3所示。

图3 远程控制图

3.4 远程数据显示

采集整流柜电压、电流信号并显示于集控中心的变电站主操作界面上，从而实现直流电压、电流的远程实时显示。

3.5 具体实施方式

3.5.1 硬件线路的敷设和通讯构建

经过查验整流柜图纸、高压柜图纸等资料，确定硬件控制回路的构建方式。由交流电流传感器采集的信号（4—20mA）经隔离模块输入至PLC模拟量输入模板，PLC根据信号计算、判断系统输入的交流电流是否正常；由直流电压传感器采集的信号（4—20mA）经隔离模块输入至PLC模拟量输入模板，PLC根据信号计算、判断系统输出的直流电压是否正常；由直流电流传感器采集的信号（4—20mA）经隔离模块输入至PLC模拟量输入模板，PLC根据信号计算、判断系统输出直流电流是否正常；由CPU模块经中间继电器输出至整流柜的交流接触器控制线圈，并根据故障情况实现对整流柜分合闸的控制。

利用从地表集控室到整流变电所通讯管理屏的光缆传递信号（动作信号及电压、电流信号）；利用高压柜线路测控装置的遥跳、遥合功能，实现对中间继电器线圈通断电的控制，再由中间继电器触点控制整流柜动作，以此来远程操控整流柜动作。

通过上述方式，便完成了硬件控制回路及通信的构建。

3.5.2 PLC数字量及模拟量定义

根据硬件配置构建回路，对模拟量、数字量进行定义：模拟量AIW4：数值4—20mA，4 mA对应0A，20mA对应1000A；

模拟量AIW6：数值4—20mA，4mA对应0A，20mA对应800A；

模拟量AIW8：数值4—20mA，4mA对应0V，20mA对应1000V；

数字量I 0.0：启动；

数字量I 0.2：停止；

数字量I 0.3、I0.4：交流过流继电器输入；

数字量I 0.5：微机综保继电器输入；

数字量I 0.6：直流过流继电器输入；

数字量Q0.0：主回路分合闸控制；