基于PLC的磁力启动器远程集中控制系统

朱明星

(国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿，陕西 榆林 719315)

0 引言

在井下供电系统中，磁力启动器主要用于控制电动机，尤其广泛用于控制水泵；照明信号综合保障装置则主要用于控制照明灯[1-4]。它们不仅使用数量多，而且位置也较分散，比如长度为350 m的综采工作面大约要布置4台照明信号综合保障装置、10台磁力启动器，加上邻近300 m范围内的两顺槽的布置，总计大约要布置5台照明信号综合保障装置、25台磁力启动器。这些设备都由上级移动变电站提供电源，当上级移动变电站跳闸并重新合闸之后，需要对这些在用的磁力启动器和照明信号综合保障装置逐台合闸操作，既耗时又耗力，甚至可能造成水灾隐患。再者当运行中的磁力启动器或照明信号综合保障装置出现故障时，不能及时被发现，也就不能得到及时地处理，从而影响矿井的安全生产。如果有一套集中控制系统，不但能监控综采工作面内所有磁力启动器和照明信号综合保障装置的运行状态，还能在综采工作面的集控台就能够控制这些设备远程合闸，及时地开启水泵、照明，则会更加高效便捷。

1 集控系统的设计思想

该系统以神东煤炭集团矿井下常用的型号为QJZ2-30/1140(660)的南京双京磁力启动器、型号为ZBZ-10/1140(660)M的南京双京照明信号综合保障装置为例，这种新式开关其保护卡都预留了485通信接口及接线柱。根据其通信规约，利用PLC编程与这些设备建立通信，可以实时获取设备运行信息，并通过以太网将设备运行信息传送在人机界面上。由PLC实现的集中控制系统对采煤工作面的所有磁力启动器和照明信号综合保障装置实现远程集中管理，由操作员在集控台直接控制，通过点击人机显示屏上的合闸、分闸按钮即可实现磁力启动器和照明信号综合保障装置的远程启停功能，点击参数可查看设备的实时电流电压值，可远程修改设备参数的整定，点击故障查询可查看历史故障记录，点击复位可以远程对设备进行复位操作，帮助我们及时地掌握现场情况和快速排查故障。

2 集控系统的硬件设计

煤矿井下由于环境恶劣，对设备的控制水平要求较高。采用PLC+人机界面等组成工业控制网络，能够提高系统的可靠性[5-9]。该集中控制系统是以PLC为中央控制单元，搭配人机界面进行人机交互，图1为其硬件设计框图。

图1 集中控制系统硬件框图Fig.1 Hardware block diagram of centralized control system

如图1所示，PLC选用SIEMENS S7-200系列中SMART ST60产品，它是标准化CPU模块，晶体管输出，供电电源为直流24 V，拥有36个输入点及24个输出点，1个以太网接口，1个RS485自由通信接口，1个集成的 Micro SD卡插槽。人机界面选用SIEMENS SMART 700 IE V3，它是西门子新一代SMART LINE触摸屏，供电电源为直流24 V，尺寸为7寸，屏幕颜色为64 K色，集成有以太网接口，USB HOST2.0接口，有归档记忆功能。电源模块选用输入交流127 V、输出直流24 V/2 A。电源模块为PLC和人机界面提供24 V直流电源，PLC通过其RS485自由通信口与南京双京磁力启动器和照明信号综合保障装置(图1中统称为开关)内的485通信接线端子相连接，使用现场总线与各开关建立通信，达到对各个开关的集中控制，此处的通信线缆应选择为带屏蔽层的双绞线。PLC通过其以太网接口与人机界面进行通信，将所有磁力启动器和照明信号综合保障装置的信息在人机界面上展示。人机界面连接鼠标可以进行画面翻页、合分闸控制、查看开关信息等。

3 集控系统的程序设计

3.1 PLC的程序设计

在电脑上安装STEP 7- Micro/WIN SMART软件，它是 S7-200 SMART的编程软件，支持Windows 7或 Windows 10，安装文件小于 300 MB。PLC与磁力启动器、照明信号综合保障装置之间采用Modbus协议进行通信。Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司(现在的施耐德电气 Schneider Electric)于1979年为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准(De facto)，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式，没有版权要求。

打开STEP 7- Micro/WIN SMART编程软件，首先进行Modbus协议通信参数初始化写入，设定好PLC自由通信口的波特率、地址、奇偶校验方式，此数值要求与磁力启动器和照明信号综合保障装置的通信参数相匹配，然后设计各磁力启动器和照明信号综合保障装置的参数读取指令和写入指令，并保证分闸指令优先于其它指令执行，编译无误后将写好的程序下载到PLC上。需要读取和写入的参数有以下7方面。①设备上的显示时间；②设备的控制方式：远控/近控/程序；③设备的实际电压、电流值；④设备的漏电电阻值；⑤设备的合分闸状态、故障代码；⑥设备的额定电压、额定电流、欠压过压系数、欠压过压保护时间、不平衡度、不平衡保护时间；⑦过载、短路、缺相、欠压、过压、闭锁功能等是否投入。

3.2 人机界面的程序设计

在电脑上安装WinCC Flexible SMART V3软件，它是人机界面SIEMENS SMART 700 IE V3的组态软件。由于PLC本身数据显示不方便，而通过人机交互界面，不仅可以显示PLC数据，还能够在人机界面上组态控制PLC。组态画面主要实现对各磁力启动器和照明信号综合保障装置的合闸、分闸控制，以及设备的运行状态监视和故障报警、设备的参数整定、历史记录和通信状态显示。利用变色反映设备的运行状态，比如合闸状态显示一种颜色，分闸状态显示一种颜色，故障状态又是另一种颜色。

打开WinCC Flexible SMART V3软件，首先选择要连接的PLC型号、人机界面型号，定义各种变量，然后进行画面的设计，将画面中的元素与定义好的变量相连接，画面设计要遵循简洁、美观、功能齐全的原则，最后编译无误后将画面下载到人机界面上。需要设计的画面需包括以下3方面的内容。①主画面。包括人机界面与PLC是否通信正常、所有磁力启动器及照明信号综合保障装置等设备与PLC是否通信正常、设备的运行状态(合闸/分闸/故障)展示、设备的详细参数入口、设备的紧急分闸按钮；②设备的详细参数画面。包括该设备上的时间、实际电压电流值、漏电电阻值、设备的运行状态、故障提示、额定电压电流值、各种保护功能是否投入、合闸分闸按钮、复位按钮、故障记录入口；③故障记录画面。故障发生的时间、故障代码、故障描述。

3.3 PLC和人机界面的人机交互

PLC和人机界面通过彼此的以太网接口建立通信，此时需要分别设置好PLC和人机界面相应接口的IP地址、子网掩码、网关，然后用网线将PLC和人机界面连接起来，在显示屏上查看PLC与人机界面通信是否正常。通信正常后人机界面即可从PLC读取数据或向PLC写入数据，具备人机交互条件。依次点击人机界面上各画面的功能按钮，测试按钮效果是否与设计相符，画面显示是否正常、美观。

4 试验与应用

此集中控制系统在神东煤炭集团大柳塔煤矿进行地面试验，按照图1接入PLC、人机界面、电源模块、1台磁力启动器和1台照明信号综合保障装置，将磁力启动器和照明信号综合保障装置的控制方式拨在“程序控制”之后，接通电源测试。各试验界面如图2～4所示。

图2 集中控制系统主界面Fig.2 Main interface of centralized control system

图4 故障记录界面Fig.4 Fault record interface

在主界面上，3条横线显示绿色且左上角的方框内数字在变化，表示PLC与人机界面通信正常；1#开关与第1条横线之间的竖线显示绿色，表示1#开关与PLC通信正常；小圆内显示绿色表示分闸状态、红色表示合闸状态、黄色表示故障状态；点击“进入”按钮，可以跳转至合分闸控制界面。接着点击“分闸”按钮可实现紧急分闸；显示了1#开关的实际电流电压值、漏电电阻值、故障状态及各整定参数值；点击“合闸”“分闸”“复位”按钮可以实现磁力启动器和照明信号综合保障装置的合分闸控制及复位操作。点击“故障记录”按钮可以跳转至故障记录画面；点击“主界面”按钮，可以回到主界面(图2)。故障记录界面上详细显示了1#开关的合分闸时间及故障时间、故障描述。

5 结语

基于PLC的磁力启动器远程集中控制系统，通过在地面对磁力启动器和照明信号综合保障装置进行现场测试，实现了远程集中控制。在人机界面上可直观显示各开关的运行状态，且人机界面友好，操作简便，符合设计要求。若在井下应用，可以便捷地管理采煤工作面的磁力启动器和照明信号综合保障装置，实现动态管理，助力提升矿井自动化水平，打造“本质安全型”矿井，且能达到减员增效的目的。