（电力电子与电力传动专业论文）基于plc控制的真空磁力控制站测控系统的研究.pdf

太原理1 。人学硕十学化论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c h p r o j e c t i nt h i s t h e s i si sa p a r to f “s t u d y o n f l a m e p r o o fa n d i n t r i n s i c a l l y s a f e i n t e l l i g e n t v a c u u m m a g n e t i c s w i t c h g e a r ( f i s i v m s ) ” ( n o 2 0 0 0 2 0 1 3 ) ，w h i c hi sa i m e da ts o l v i n gt h ek e yp r o b l e m so f c e n t r a l i z e dc o n t r o la n d i n t e g r a t e dp r o t e c t i o no fh i g h c a p a c i t yn t o l o r si nh i g hy i e l da n de f f i c i e n c ya u t o m a t i o nc o a l f a c e sa n ds p o n s o r e db ye d u c a t i o nc o m m i t t e e ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e eo f s h a n x ip r o v i n c e b ya n a l y z i n gt h el i m i t a l i o n so fm a g n e t i c s w i t c h g e a ra tp r e s e n t ，an o v e l i n t e l l i g e n tc o m b i n e ds w i t c h g e a rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d b a s e do np r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l t e r ( p l c ) m a n yp r o t e c t i v ea n dm o n i t o r i n g f u n c t i o n sa r e i n t e g r a t e d i nt h e s y s t e m ，s u c h a s p i l o t c i r c u i t m o n i t o r i n g ， e a r t h f a u l tm o n i t o r i n g ，s h u r tc i r c u i tp r o t e c t i o n ，o v e r l o a dp r o t e c t i o n ，p h a s e s y m m e t r ya n dp h a s el o s sm o n i t o r i n g ，o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n ，u n d e rv o l t a g e p r o t e c t i o n ，m o t o rt h e r m a lm o n i t o r i n ga n ds oo n a l lm e a s u r i n gr e s u l t s ，f a u l t s t a t e s ，f a u l tp a r a m e t e r sa n de r r o rm e s s a g e so fs i xm o t o r sc o n t r o l l e db yt h e s y s t e ma r es e n tt ot h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l ev i at h ee x i s t i n gs c r i a ld a t a c o n n e c t i o n f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dp r e s e n ts i t u a t i o no ff i s i v m sa r e r e v i e w e d ，t h es i g n i f i c a n c ea n di m p o g a n c et od e v e l o pt h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m ( m c s ) o ff i s i v m sa r ea l s oi n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h ef u n c t i o n s p e c i f i c a t i o n s ，c o n t r o lp r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r da n d t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n dm e t h o d so fm c s a r ed r a w nu pi nt h i st h e s i s a c c o r d i n g t ot h es a f e t yr e q u i r e m e n t so fu n d e r g r o u n de l e c t r i c a le q u i p m e n t ， a ne x c e l l e n ti n t r i n s i c a l l ys a f ep i l o tc i r c u i ti sd e s i g n e d ，t h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c s a n dp r o t e c t i o np r i n c i p l eo fa s y n c h r o n o u sm o t o rw i t hs i n g l es p e e da n dd o u b l e s p e e d u s e di n u n d e r g r o u n d a r e s i m u l t a n e o u s l ya n a l y z e d , t h e f u n c t i o n p a r a m e t e r sc o r r e s p o n d i n gt o t h ef a u l tp r o t e c t i o n sf o rh i g hc a p a c i t ym o t o r sa r e d e t e r m i n e d a tt h es a m et i m e ，m o d u l ep r o g r a md e s i g nm e t h o da n dc o m p i l e d m o n i t o r i n gp r o g r a ma n df u n c t i o ns u b p r o g r a m sa r ee m p h a t i c a l l yd e s c r i b e d e s p e c i a l l y ，m o r ea t t e n t i o ni sp a i dt o t h ed e s i g np h i l o s o p h y ，o p e r a t i o np r i n c i p l e ， 太原理1 人学颂十学何沦文 h a r d w a r eb l o c kd i a g r a ma n ds o f t w a r ef l o wc h a r to fm c s f r o mt h ea c t u a lc a s e so fu n d e r g r o u n de l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，t h e i n t e r f e r e n c es o u r c e sa n df e a t u r e so fi n t e r f e r e n c es i g n a l si ni n d u s t r i o u s e n v i r o n m e n ta r ed i s c u s s e d b e s i d e s ，a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sb yu s eo l h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r et a k e nt oe l i m i n a t ei n t e r f e r e n c es i n g l e si nt h i sp a p e r t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l c ，c o m b i n e dw i t hn e w p r o t e c t i v et h e o r ya n ds i g n a l - - s a m p l i n gc i r c u i tc o n s i s t e do fl a r g e 。s c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i t s ，h a sb e e nd e v e l o p e dl a s ty e a r a l lp e r f o r m a n c ea n df e a t u r ep a r a m e t e r s a r ea l ls a t i s f i e dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sp r o p o s e db yr e s e a r c ha p p l i c a t i o n i t h a sb e e np r o v e db yp r e l i m i n a r yf i e l dt e s t st h a tt h es y s t e mw i t hi t sa p p l i c a t i o n p r o g r a m si sm o r eu t i l i z a b l e ，r e l i a b l ea n ds a f e t yt h a no t h e rt r a d i t i o n a lp r o t e c t i v e s y s t e m s k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r v a c u u mm a g n e t i c s w i t c h g e a r m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo v e r - l o a dp r o t e c t i o np h a s e l o s sp r o t e c t i o ne a r t h - f a u l tl o c k - o u t 太原珲1 人学倾十学何沦文 l 绪论 1 1 真空磁力控制站测控系统的发展与现状 磁力起动器足t i l “井供电系统l f 】控制电动机的电控设备，其性能优劣商 接天系着电动机运行的r 叮靠十牛和安令。阽。为避免r u 动机烧损带来严重的纤 济损失，保证生产的连续性，各国都致力于电动机保护装置的j l 发和研制。 在电动机的控制与保护技术方面，各国的发展水甲小一。 随着综采技术的发展，德国在七十年代初就把真空接触器应用；- i , i j f 下 磁力起动器之中1 1 1 ，八t 年代初西j 子和a e g 公司建立了门类齐令的电 动机电子综合保护器。随后义研制开发 h 形式多样的矿崩隔爆型组合磁力 控制站，用丁控制综采t 作面的成套电气设备。尽管它具有r 乜动机所必需 的过载、短路、漏电闭锁和绝缘监视等保护功能，但其中所有保护电路均 采用分直元件和小规模集成r 乜路，e 件的分散性引保护的可靠性和稳定性 影响很人。另外，控制站人机界晤采用指针式电流、电压表和发光二极管 作为故障状态显不力试，这已远远不能满足现代化煤矿控制投术的要求， 而且其价格昂贵。 英罔和澳大利业在几十年代末，研制外发出f 出单片计算机控制的组i 合式磁力控制站，它较原来的- 弘体磁力起动器在保护性能i ：有了较人程度 的提高，但其漏电保护的动作电流比较大，超过了我煤矿井下人身触电 时的安令电流指标。 长期以来我国煤矿井卜低压供电系统t i 使用着空气式磁力起动器，所 配的保护只有熔断器和热继电器两种，保护觞啦，可靠性差，电机烧 ：6 重。八十年代初，j d b 系列电动机电子综合保护器的出现，使得煤矿井下 的生产和安全柯了很人改观，但由于分立元件的分散性和保护原理的简单 化，电机的烧损仍t 分严重。介于此九一年我冈研制卅了z d b 电动机单 片机综合保护器，该保护器4 , j t l j 前片计算机作为。p 央控制单儿，可以完成 电动机的短路、过载、断州、漏电、欠压、过压、过热等保护功能，但可 太原理工大学硕士学位论文 靠性较低，人机界面没有汉化，实时性差。 1 2p l c 的发展与应用 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 简称p l c ，是从早期的 继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机控制技术，使之功能 不断增强，逐渐适合复杂的控制系统。p l c 之所以有较强的生命力，在于 它更加适应工业现场和市场的要求：可靠性高、抗干扰能力强、编程安装 使用方便、价格低寿命长。与单片机相比，它的输入输出端更接近现场设 备，不需添加太多的中间部件，这样就大大节省了用户丌发成本和时间。 自1 8 3 6 年继电器问世以来【3 】，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙 地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制系统。直到6 0 年代术、7 0 年代初可编程控制器才问世。随着微电子技术、计算机技术、数据通信技 术的飞速发展以及微处理器的出现，p l c 产品朝小型和超小型化产生了一 次飞跃，使早期的p l c 从最初的逻辑控制和顺序控制，发展成为具有逻辑 判断、定时、计数、记忆、算术运算、数据处理、联网通信及p i d 回路调 节等功能的现代p l c 。 可编程控制器具有以下主要特点： 1 可靠性高。p l c 的平均无故障工作时间( m t b f ) 一般在4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 h 以上，西门子、a b b 、松下等微小型p l c 可达1 0 万小时以上，而 且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。 2 模块组合灵活。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结 构来完成不同的任务组合。输入输出端口即i o 从8 8 1 9 2 点，有多种机 型、多种功能模板，可灵活组合，结构形式也是多样的。 3 功能强。p l c 应用微电子技术和微计算机，简单型p l c 具有逻辑、 定时、计数等顺序控制功能。基本型p l c 不但具有上述控制功能，还有模 拟i o 、基本算术运算、通信能力等。复杂型p l c 除了具有基本型式的功 能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能i o 、p i d 调节、过程 监视、网络通信能力、多处理器和高速数据处理能力。 4 编程方便。p l c 采用针对工业控制的梯形图( l a d ) 、功能块图 ( f b d ) 、指令表( s t l ) 和顺序功能表图( s f c ) 编程，不需要太多的计 2 算机编程知i = 。新的编程r 作站配有综合软1 n 具包，可存任何兼容的个 人计算机 i 进行程序殴计。 5 适应t 业环境。p l c 的技术条件能存搬高温、振动、冲出和粉 尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠 _ 作，这就显示川p l c 产品的市场生存能力。 6 安装、维修简单。与计算机系统相比，p l c 安装不需要特殊机房 和严格的屏蔽。使用h 寸只要各种器件连接无误，系统便州工作，择个模块 上设有运彳和故障状态指不，便丁状态判别和故障查找，模块可更换使 用户能存最短的时州内查出故障并排除，最大限度地压缩故障停机时间， 使7 e 产迅速恢复，这对大规模生产场合尤为适用。有些p l c 外壳冉町在不 良工作环境下工作的合金制成，结构简单，上面带有荇叟热槽。在高温下该 外壳不像颦料制品那样容易变形，还能抗无线电频率( r f 高频) 电磁二f ：扰 并具有防火功能等。 7 运行速度快。随着微处理器的应用，p l c 的运行速度增快，冈此 更适合处理高速度复杂的控制任务，它与微型汁算机之刚的差别越来越小。 8 总价格低。p l c 的罩龟、体积、功耗和硬件价格直在降低，虽 然软件价格占的比重有所增加，但是各j 商为r 竞争也目应地降低了价格。 另外，采用p l c 还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总丌发费用逊 一步降低。 9 优良的j 1 ：发平台。p l c 系统与f 一业总线计算机和叶 文d c s 系统_ _ | 瓦渗透，7 i 为借鉴，相瓦竞争而发展，促进f j 业的进步。 1 3 研究智能型真空磁力控制站测控系统的意义 随着现代科学技术的飞速发展，煤矿尘“量不断提高，使得用电设备 逐渐向大型化、连续化和自动化的方向发展，这样刈电动机保护系统的要 求愈来愈高。但幽丁电动机工作环境差，保护功能4 i 完善，烧坏现缘比较 严重( 据调查在全国人约有2 0 的电动机被烧毁，带缺陷运行的i 乜动机约 占总装机容量的3 0 ) 1 4 1 ，直接影响工、i k 尘j 、“，造成很大的经济损失。从 前面对磁力起动器的发展现状分析可知，无论是蚓外还是筒内的磁力起动 器都不同程度地存在一定的缺陷。本文针对l | 前电动机保护存在的问题 太原理工大学硕士学位论文 从理论分析入手，结合生产实际情况，提出了技术方案，制定了性能指标， 设计了保护系统。 如何使所设计的保护系统能把安全性、可靠性和快速性更好的协调起 来，保证供电的连续性是矿井电网自动化研究领域的热点问题之一。随着 新器件、新技术的应用，已逐渐为解决这一问题提供了新方法和思路。本 文在文献f 5 7 1 的基础上，以p l c 为中央控制单元，开发研制了矿用隔爆 兼本质安全型智能组合式真空磁力控制站测控系统，其成型产品的外形、 内部布置和接线腔分别见附录2 中附图1 、2 、3 。该控制系统能自动转换 控制方式，具有电动机短路、过载、断相、漏电、欠压、过压、过热等保 护功能。通过大屏幕液晶显示器，可已录并显示磁力控制站的工作状态和 故障参数。这种开关中配有多个接触器，可实现多路控制，彻底取消了单 体磁力起动器之f n j 的联线，只需更改副腔体内的接线，即可方便的实现各 控制回路之间的程序控制。除此之外，它还能对双速双回路电机进行调速 节能控制，实现综采工作面电气控制自动化。由此可见研制这种智能化组 合式磁力控制站对加速我国煤矿现代化建设有着非常重要的意义。 1 4 本文的研究目标及主要内容 本文研究的内容是山西省教委科技开发项目和省科委科技攻关项日 “矿用隔爆兼本质安全型智能化真空磁力控制站的研究”( n o 2 0 0 0 2 0 1 3 ) 。 该项目是针对矿井高产高效综合自动化采煤工作面的集中控制和保护问题 提出的。通过对近年来国际国内矿用隔爆大型电动机控制和保护问题研究 现状的总结和分析可以看出其存在如下不足之处。 1 保护功能不完善，抗干扰能力差。单纯的熔断器及热继电器保护， 远远满足不了短路、过载及断相故障的动作指标；以单片机为中央控制单 元的测控系统，则会受干扰信号的影响而产生误动现象。 2 元件分散性大，易受外部环境的影响，性能不稳定。 3 人机交互功能差。故障状态通过发光二极管或数码管显示，没有 实现汉化。 4 价格昂贵。德国六组合控制站每台售价6 3 万元，英国的销售价格 较德国同类型开关还要高。 太原理1 人硕十学何论文 针对上述存在的问题，本课题旨在研究一手| l j | 生能可靠、抗f 扰能力强、 操作方便、人机界面良好的智能化测控系统。通过查阅人量国内外文献， 存分析国内外磁力起动器控制系统的基础上，结合现场实际情况，以y f f - 而运输系统的电动机为控制和保护对象，围绕所提出n 勺研究h 标，本文研 究内容如f 。 1 针对煤矿井卜供电系统电气设备的实际情况，通过实验研究测控 系统各种特征参量的检测方法和检测技术。 2 根据g b 3 8 3 6 1 的要求，研究能满足安全供电要求的本质安仝型先 导乜路。 3 根据供电系统q i 的故障状态进行仿真实验，提山本质安全型磁力 控制站的控制策略和控制方法。 4 开发以p l c 为核心的测控系统，建立以大屏幕为界面的液晶冠示 系统和通讯系统。 5 对煤矿井卜- 恶劣环境卜的各种干扰源进行仿真实验提出针对性 的抗t 扰措施，以提高磁力控制站测控系统的t 作可靠性。 6 研究能满足p l cu j 编程控制器输入要求的r n 流和l _ ! 胍传感器。 太原理工大学硕士学位论文 2 测控系统总体设计 随着矿井综采技术的发展，电气设备要求集中控制和保护。针对现场 的生产环境和立项任务书的要求，借鉴国外的先进经验，本文确定了磁力 控制站测控系统的技术方案和控制方式，制定了测控系统应完成的保护功 能和动作指标，选择了测控系统所需的计算机控制单元和外围控制模块， 绘出了测控系统框图，提出了测控系统的总体设计方案。现场运行结果表 明所提出的总体设计方案是合理的、可行的。 2 1 控制方式的确定 矿用隔爆兼本质安全型真空磁力控制站内设六组独立控制回路，根据 副腔体内的不同接线，每一回路既可独立于其他回路、又可控制其他回路， 还可受控于其他回路或作为备用。为了适应煤矿井下供电系统中不同负荷 的特殊控制要求，确保其安全可靠地运行，隔爆兼本质安全型智能组合式 磁力控制站测控系统应有合理的技术方案和测控要求【8 】。 根据煤矿井下的特殊环境以及刮板运输机的实际运行情况，该测控系 统设计有手动自动，单机双机多种控制方式。这些控制方式可以进行组 合来满足现场控制的特殊要求，组合方式如下： 1 单机手动控制，在该方式下，控制站内的六组控制回路相互独立， 可以单独控制六路负荷。这种控制方式是煤矿井下供电系统中常用的控制 方式。为了保证煤矿生产的安全性，远方控制采用耦合器进行，它与测控 系统之间采用本安先导电路连接，以保证在远控回路发生短路故障时，短 路电流足够小而不至于引起瓦斯和煤尘爆炸。 2 双机自动控制方式是针对采煤工作面驱动刮板运输机的双速双回 路电机而设计的。机头、机尾的两台双速电机要求协调工作，低速起动前 由于链条处于松弛状态，需要在首台电机起动后延时o 5 s 再发出起动末台 电机的信号，以便紧链，平滑起动。此后必须在两台电机的起动电流均达 到0 8 5 倍额定电流时，才能发出转换高速的起动信号，转换为高速时，必 须保证两台电机的i j 步性。只要有一台电机在：3 0 si j , j 没有阡到其0 8 5 倍额 定电流以下，应同时停止起动操作，显示过负荷敞障并实行闭锁。 3 双机手动控制方式是指两高速回路的投入受控于某高速叫路中 的起动按钮。机又、机尾的曲台双速电机的低速起动过程如双机自动摔制 力式，当两低速回路投入7 s 后，尤论曲台电机的起动电流足否降到【】8 5 倍额定电流，都可手动投入高速，有利于操作人员根据现场实际情况进行 渊节控制。 4 煤矿井f 的胶带运输系统要求按逆煤流起_ 午、顺煤流停午的顺序 进行控制，即程序摔制。多, j k 6 t 动控制方式可以满足这种控制要求，j 要 将进行程序控制的电机按先后顺序以一定的方式联接，在起动时，当第 回路起动后，其他回路按各拨码盘设定的时问矧隔按逆煤流方向依次起动。 正常停车时，姐要操作停i l 按钮，各路负荷会按顺煤流方向依次间隔7 s 自动停机。若存运行过程中，中间任意一台发乍故障时，故障台逆煤流方 i 柚的所有负荷会立即停机，故障台顺煤流方向的所有负荷依次| , j j i i n7 s 自动 停机。 2 2 测控系统保护功能及动作指标的确定 1 先导电路是为防止远方控制时远控电缆因被砸或被挤压而发牛短 路或断线故障产生自起动现象而设计的。它足控制t 电路闭合、断j r - n f 砬 先接受指令信号的控制电路，其性能的优劣关系到整个测控系统能甭按照 预定的方式i f 确动作。在煤矿井下，随着采掘功率的增大，控制方式越来 越趋向集叶 化，起动器的远控距离越来越长，致使远控电缆发生短接、断 路及接地故障的概率增人，因此对本质安全，弘先导电路的l 发计在符合本质 安全火花电路要求的同时，还必须保证在控制线路发生故障时，能自动停 牟，而且不产生自起动现象。 2 整定电流匹配保护确保，电流互感器良好的线性度。根掘所带电 动机额定电流的大小分为两挡：低档电流整定范吲为3 0 1 9 9 a ，高档电流 整定范围为2 0 0 4 0 0 a 。不同档位对应不同的计算力程，只有整定电流值 l j 对应档位相匹配时，- d 能正确计算出保护整定值，电流保护j 会起作用。 否则c p u 会闭锁本回路的启动，并显示该回路整定错误，以警示操作人员 太原理r 大学硕士学位论文 重新整定。 3 漏电闭锁是为防止主回路在起动前发生漏电而设计的，它采用附 加直流电源的检钡4 原理工作，在1 1 4 0 v 和6 6 0 v 系统中漏电闭锁动作值分 别为4 0 k q 和2 2 k q 。 4 电流故障保护包括三相短路、过载、负序和断相保护。前两种属 于对称故障，后两种属于不对称故障。故障类型不同，故障信号的检测电 路也不同，但都采用鉴幅式保护原理。短路保护和负序保护的动作时间为 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。 5 电压保护有暂态过电压、稳态过电压及欠压保护。暂态过电压由 阻容吸收装置来完成保护任务，稳态过电压和欠电压保护采用鉴幅式保护 原理，动作时间均为6 m i n 。 6 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，系 统内设计了触摸屏液晶显示系统。合闸前显示每一回路的整定电流、高低 档匹配情况及电网对地绝缘状况；丁e 常工作时显示系统的工作电压、各路 负荷的工作电流及运转状态；若某回路因故障跳闸时，屏幕中对应位置显 示故障状态和故障参数。 2 3c p u 及扩展模块的选择 为实现上面不同控制方式下电动机的起停及各种保护功能，对输入输 出信号进行分类统计，以便选择相应型号的控制模块，使资源得到最大程 度的利用。 1 输入输出端口数量 ( 1 ) 开关量输入信号包括6 回路电动机的启动信号、高低档选择信 号、电动机投切的返回信号、控制方式选择信号、拨码盘读取信号、电动 旋转方向信号、漏电试验和短路试验信号等共3 4 路直流输入信号。 ( 2 ) 模拟量输入信号包括6 回路电动机的漏电检测信号、过载信号、 断相信号及系统的电压信号，共1 9 路。 ( 3 ) 该测控系统控制6 回路的漏电检测继电器、跳合闸继电器及程 控继电器，因此共需1 6 个继电器输出端口。 太原理工犬学硕十学位沦文 ( 4 ) 该测挖系统要进行3 0 片拨码盘的选通控制及多路选择歼关的选 通控制，共需占用1 1 个直流输出端口。 2 模块选型卜“) j 由匕述提供的输入i o 口数量，考虑系统的二次扩展，c p u 及扩展模 块的选型如下： ( 1 ) c p u 选用了具有人容量存储器、适合外围设备扩展容量大的两 门了s 7 2 2 6 a c ，d c r e l a y 模块( 2 4 路直流输入、1 6 路继电器输出) 。它 有8 k 字肖的程序存储器、5 k 字节的数据存储器、还可通过插入存储器 来存储c p u 程序，并提供个超级电容器，对r a m 中的数抛块进行备份。 ( 2 ) 直流扩展模块选用端口经过光电隔离及r c 滤波的 e m 2 2 3 1 6 1 1 6 0 ( 1 6 路直流输入、1 6 路直流输出) 。 ( 3 ) 测控系统对模拟信号的采样选用价格适中、高速1 2 位a d 模拟 量输入模块e m 2 3 1 a 1 4 1 2 b i t s ( 4 路模拟量输入) 。它既带有模拟量输 入滤波器，又能提供未经处理的数字值，可根据信号处理的实际需要选择 数亨或模拟滤波器。 ( 4 ) 人机界面选用t p 7 触摸屏。它通过p c p p i 电缆完成与p l c 之n 1 j 的通讯，其内容的疑示及画面的更新受控于p l c 内部存储单元的值，测控 系统在不同运行时刻，有不同画面与之相对应。 2 4 测控系统框图 图2 1 是测控系统的总体设计方案框图。由图可知该测控系统的硬t 部分包括：电流、漏电检测信号电路、本安先导电路、电源模块、驱动电 路及外部参数设定电路。各电路模块的功能如下： 1 c s s 为电流信号转换模块。它根据鉴幅检测原理将电流传感器 c t l 一c t 6 的输出信号s r s 6 转换成p l cu t 以进行故障判断的直流模拟量。 c p u 通过气d 转换模块对六路电流模拟量进行检测、计算、判断和处理， 从而实现电动机的过载和短路保护功能。 2 d s i c 为数字信号输入电路。操作人员通过它可以输入被控负荷的 额定电流、短路电流整定倍数和程序控制延时时问。 3 l t c 和s c t 分别为漏电和短路试验电路。操作人员在合闸前u ，以 太原理工大学硕士学位论文 进行漏电和短路试验，以检测漏电检测回路、电流保护回路及程序的运行 正常与否。 c 1 c 2 c 3 c d c 5 幽2 1 测控系统框幽 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 4 l d c 为漏电检测电路。通过它可以在起动前检测被控线路和电动机 的绝缘水平。d p c 、e l l 、c s t 和v s t 分别为漏电信号处理电路、电流信 号转换电路、电压信号转换电路和本安先导驱动电路，这四种电路位于同 一个模块内。漏电信号、电流信号和电压信号转换电路分别完成漏电、过 流、过压和欠压故障的信号转换，并向测控系统提供所需的故障信息。本 安先导驱动电路是起动停止按钮和测控系统之间的桥梁，它采用双电源供 电形式，其中本安电源回路能够配合起动停止按钮的状态产生起停信号， 另一个电源回路根据起，停信号来控制中问继电器。 5 s p u 和d c u 分别为信号处理和直流电源电路。s p u 将各路负荷的 电流、漏电、断相、电压等信号分时传送给e m 2 3 1 模块。d c u 向测控系 统提供所需的部分直流电源。p s t 为交流电源，它将供电系统电压 ( 1 1 4 0 6 6 0 v ) 转换成测控系统所需的各种电压等级，除了向p l c 提供2 2 0 v 太原理一i 人学硕士学位论文 交流电源外，还向测控系统提供各种电压等级的交流电源。 6 s m t c 为控制模式转换电路，通过该电路，可以对被控负荷的j 卒制 方式进行转换。o h d 、c h d 分别为过热信号和瓦斯超限信号检测电路， 通过该电路分别向s p u 提供判断过热和瓦斯超限的信号。d c c 为驱动拧 制单元，将p l c 的控制信号转换为直接驱动交流接触器的大功率信号 c i - c 6 。 7 t p 7 为单色液品显示器，显示尺寸为4 7 ”，具有1 p 6 5 保护等级， 用于显示测控系统各路负荷的整定参数、工作参数与状态、故障参数与状 态以及系统工作时叫等信息，存系统和操作人员问建立了良好的人机界向。 2 5 测控系统的应用 根据测控系统总体设计方案研制出的h t 6 l 1 4 0 0 z 1 1 4 0 矿用隔爆兼本 掣 蕊 _ t | 争( 抖 世 收 皿 k 刮板输送机刮板输送机 乳化液泵 3 ( 1 0 1 5 0 k w3 0 0 i s o k w t 2 5 k w 图2 2 常村矿s 2 3 综采_ _ ：作面供电系统图 f i g2 2p o w e rs u p p l yn e t w o r ko fs 2 3s y n t h e t i c a l l y e x c a v a t i n gc o a lf a c ei nz h a n g c u nm i n c 太原理工大学硕士学位论文 质安全型组合式智能真空磁力控制站于2 0 0 1 年8 月分别用于潞安矿务局王 庄矿、漳村矿、常村矿及平顶山矿务局等。其中常村矿的两台磁力控制站 分别用来控制刮板输送机和乳化泵，其供电系统如图2 2 所示。经过八个 多月的工业运行，表明该控制系统性能稳定、动作可靠、操作简单、维护 方便。良好的人机界面不但可以显示电机的j f 常工作状态和参数，而且还 可以显示故障状态和故障参数值，大大缩短了判断故障和排除故障的时间， 提高了生产效率，深受用户好评。 2 6 本章小结 本章根据生产现场的控制要求，确定了测控系统的控制方式；在分析 井下异步电动机故障原因的基础上，制定了电动机的保护方案和动作指标； 鉴于测控系统控制方式复杂及工作环境比较恶劣的因素，选用了与外围接 口方便、抗干扰性能强的可编程控制器作为中央控制单元。半年多的工业 运行试验证明：测控系统性能稳定、操作方便、人机界面良好，同时也证 明了总体设计方案的正确性。 太原理t 大学硕士学位论文 3 测控系统硬件电路设计 硬件电路是保证测控系统正常工作的基础，它的性能优劣直接影响整 个测控系统的工作可靠性、安全性和连续性。本章根据煤矿安全规程【1 5 】设 计了性能优良的本质安全型先导电路和外部额定参数读取电路，分析了大 型电动机的各种故障特征和保护原理，确定了每种故障保护的动作指标。 实验表明：本章所设计的先导电路不但能向c p u 提供起动信号，而且不论 在先导控制电源回路发生短路、开路还是接地故障，均能起到保护作用， 每种故障的各项保护指标均达到设计要求。 3 1 本质安全型先导电路 随着我国煤矿自动化程度的提高，越来越多的煤矿机电设备客观上要 求采用微机系统对其实行自动控制和保护，但煤矿井下特殊工作环境对微 机保护系统提出了严格的要求。煤矿井下最大的特点就是空间狭小、潮湿， 存在瓦斯和煤尘，而微机保护系统在继电器正常动作或控制线路发生短路 和接地故障时所产生的电火花或电弧是煤矿井下引起瓦斯和煤尘爆炸的火 源之一，因此对于井下电气设备及其控制系统必须采取严格的防爆措施以 防止瓦斯和煤尘爆炸。其中安全火花电路是电气控制系统中采用的一种防 爆措施，它可使外露电火花能量小于点燃瓦斯和煤尘的最低能量j 。因此 煤矿安全规程规定：“对于煤矿井下信号通讯、测量仪表、遥控和电气设备 等的自动控制系统必须采用本质安全型火花电路l l 圳”。 矿用隔爆型电磁起动器是三相鼠笼型感应电动机的电控装配，它可完 成电动机的直接起动、停止及故障判别和保护。控制系统j i 作于远方控制、 程序控制羽i 自动控制方式叫它与远方控制按钮之恻的联接n 路称先皆i 也 路。它足控制主电路闭合或断丌时最先接受指令信0 的控制电路，其性能 优劣直接关系到整个保护系统的1 作可靠性。存煤矿井卜，随着采掘机械 功率的增大，控制方式越来越趋向集中化，起动器的远控距离越柬越长， 致使远控f 包缆放短接、断路及接地的概率增人，暇此州本质发个火花l t 爵 太原理上人学硕士学位论史 的设计要求越来越高。由于在_ t 作面电磁起动器使j 鞍多，升i 起动： 人 都工作于全压起动方式下，这样控制系统的自起动现象往往会导致机械和 电气故障造成人身伤亡事故，因此在设计先导电j i l 时必须克服每个不u 靠因素，既能保证在先导控制电路发生故障州起动信。0f i 动消火，又能确 保不会因先导电路接地而产生自起动现象，以保证整个煤矿井下供电系统 的可靠运行。f l 前，国产起动器中采用的先导电路均存在自起动和非完全 本质安全等缺点，运行效果不理想。本文通过试验研究分析了常用先导电 路的工作原理，并在试验基础上设计了适用于微机保护用的本质安全型先 导电路。 3 1 1 本质安全火花电路 1 本质安全火花电路的基本原理 安令火化电路是指电路在正常丌、闭及发生短路、断路、接地及电源 故障时，所产生的火花能量和温度都不能点燃爆炸性混和物。影响本质安 全型火花电路的因素很多，但最主要的是火花能量。住煤矿井下，当6 l 斯 浓度达剑5 1 6 的范幽，其叶，浓度为8 5 时最功引起爆，9 5 时爆炸压 力最大，此时遇到0 5 焦耳能量的火花即可引发瓦斯爆炸：当煤尘粒度在 lum l m m 范围内，其挥发指数超过1 0 ，在空气中的含量为3 0 3 0 0 9 m 时，遇到o 5 焦耳能量的火花即能引发瓦斯爆炸，其中以1 1 2 9 m 3 爆炸最 强烈。因此安全火花电路所产生的火花能量，必须低于某一安全值， 般 认为o 2 5 毫焦耳的电火花能量是安全的，它不能引爆瓦斯和煤尘。 电火花分为电阻性、电容性及电感性三利，。住断丌电感电路时，火花 放电过程如图3l 所示。 图中，i i 1 2 段为弧光放电阶段，经历h , j i 刚为t i ；1 2 i 。段为辉光放电 阶段经历时嵋j 为t 2 ：最后为衰减振荡过程。辉光放电阶段，温度低，侄电 极1 ：分柿面大，不能使能量高度集中在火花间隙内，因而它不能点燃瓦斯。 弧光放电阶段却相反，其特点是温度高，能量集中丑：f 邑灏尖端很小的范围 内，容易点燃瓦斯。 根掘9 & 光放r 巳波彤鲻，弧光放；乜的火花能茧町 奠h 1 、i t 算、 太原埋一j ：人学硕一 j 学位论文 r l ： l 八 t 。 tz l 。t 图3 - 1 电感电路中断路火花波形图 f i g3 、1w a v e f o r mo fs p a r kd i s c h a r g ei ni n d u c t i o nc i r c u i t a = f o u i d f ( 3 1 ) 式中，“为放电电压，i 为放f 乜回路电流，在断路时 “：e la g i r( 3 2 ) 矗f 放电电流 浮，+ 坐f( 3 3 ) d f 综合式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 和( 3 3 ) 可得 = 三工( ，? - 1 2 ) + l ，。+ ，：皿r 。一z ，；只r c ，一a ， 式中l 一电路的r 乜l 感量，h ： 正一电源电压，v ； 月一回路电阻，q ； t l 一口& 光放电时问，s 。 山式( 3 4 ) 可以看出弧光放电的火花能量由两部分组成，一部分是磁 路能量，即线路中电感l 贮存的能量。另一部分来自电源能量，即电源放 电产生的能量。实际上电火花能量除取决于上述因素外，还与电源频率、 太原理工人学硕+ 学位论文 断路速度以及接点形状和材料等因素有关。 2 安全电火花特性 电火花能量大小与电路参数有关，电路类型不同，参数大小对火花能 量的影响程度也不同。因此对于不同类型的电路，应分别讨论。下面以无 感电路为例来定量分析电路参数与火花能量的关系。 为了本安电路设计的需要，引入最小点燃电流和最小点燃电压的概 念。所谓最小引爆电流( 电压) 是根据一定电路参数和点燃概率定出的点 燃瓦斯的最小引爆电流( 电压) 。附录1 中附图1 为规定试验条件下，用标 准试验装置测得的无感电路最小引爆电流与电路参数的关系曲线。 由图可见，对于无感电路，最小引爆电流与电源电压近似线性关系。 一般当回路中电感三0 0 0 1 h 时，并有电阻分路，特别是有整流器分路时， 可视为无感电路。在无感电路中，火花能量主要来自电源，当最小引爆能 量一定时，最小引爆电流取决于电源电压，二者成反比。该曲线为无感安 全火花电路提供了设计依据i j “。 3 1 2 本安先导电路的设计 隔爆兼本质安全型磁力起动器微机保护系统的传统先导电路，由于存 图3 - 2 本质安全先导电路 f i e 3 2 i n t r i n s i c a l l ys a f ep i l o tc i r c u i t 太原理i 犬学硕士学位论文 验，从本安变压器及本安电源电压的选择到各个电子元器件的确定，参考 有失文献设计r 适用于矿用隔爆兼本安型磁力起动器微机保护系统的本安 先导电路，如图3 - 2 所示。 图中本安先导电路出两部分组成，其中卜半部分为本安先导信号产生 r 乜路，下半部分为先导信号处理电路。本安先导信号产生电路中t ，为先导 电源变压器，它将2 2 0 v 交流转换为本安电路所要求的电压，f u 为变压器 二次测网路中的熔断器，s a 、s b 分别为远方起动删停止按钮，v d l 为远 控二极管，r 1 、r 2 、r 3 为信号取样电阻，k 1 、k 2 、k 3 为远控按钮的连接端 子，k m 为主电路接触器的常开辅助触点，作先导电路的自保接点。在先 导信号处理电路中，a ，是集成电路运算放大器，作为先导信号的判断单元。 r 8 、r 9 、r 】o 组成分压器，向a 1 提供比较电压。r 。、c 1 和r 5 组成信号电 ! e 二级滤波电路，通过它向a 。提供先导信号。k 】为直流小型大功率继电 器，是先导电路的执行元件，v d 2 为续流二极管。运算放大器的吲相输