基于PLC的煤矿井下照明保护系统设计.pdf

第 3 期 2 0 1 0年 3月 NO ． 3 M a r ． 2 Ol 0 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 3 0 0 2 5 --0 4 基于P L C的煤矿井下照明保护系统设计 高云广 太原科技大学电子信息工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对基于单片机的煤矿井下照明保护 系统可靠性差的 问题 ， 提 出了一种基 于 P L C的煤矿井下照 明保护 系统的改造方案， 详细介绍 了系统硬件及软件设计， 并给 出了系统可 实现的功 能。试验 结果表 明， 该 系统克服 了基于单片机的煤矿井下照明保护 系统的缺点， 功能完善、 工作稳定、 可靠性高。 关键词 矿 井 ；照明保护 ； P L C；T D 4 0 0 C液 晶显 示屏 中图分 类号 T D 6 2 3 文献标识 码 B 0引言 煤矿井下设备大多数深入到采区工作面和掘进 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 2 5 基金项 目 国家科技支撑计划项 目 2 0 0 7 B A B 1 3 B 0 1 作者简介 高云广 1 9 7 9 一 ， 男 ， 山西大同人 ， 硕士 ， 助教 ， 毕业于 太原理工大学， 主要研究方 向为矿用 电气技 术。E - ma i l g y g u a n g c n y a h o o ． C O I T I ． C D 工作面 ， 照明、 信号等电缆吊挂 比较零乱， 工况恶劣 ， 易发生各种电气事故。传统的基于单片机控制的煤 矿 照明保护 系统 ， 由于井 下 环境 恶 劣 易受 到 强 烈 的 电磁干扰影响， 虽然采取 了各种抗干扰措施 ， 但系统 在井下仍会频繁地发生故障 ， 无法正常工作 。针对 上述 问题 ， 笔 者设 计 了一 种将 主控 单元 改 为 西 门子 P L C控制的煤矿照明保护系统， 并配套使用西门子 的 T D 4 0 0 C液 晶显示 屏 ， 同时对 原 有 系统 的检 测 回 3 结语 图 8 物流子站 系统 主程序流程 本文介绍的物流子站系统由射频卡代替传统的 光电开关组， C P U采用 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机 ， 无线传 输部分采用功率、 频段 、 速率 可调 的数据传输电台 N D一2 5 0 A， 具有抗干扰能力强、 可靠性高、 维护工 作量小等特点。该物流子站系统已在河南风宝炼钢 厂运行 1 a ， 满足了设计要求。 参 考文献 李刚 ， 林 凌． 与 8 0 5 1兼 容 的 高 性 能 、 高 速 单 片 机C 8 O 5 1 F x x x E M] ． 北 京 北 京 航 空 航 天 大 学 出版社 ， 2 0 0 2 ． 莫德举 ， 刘 丽丽． R F I C 卡读 写 器 研 发 [ J ] ． 仪 器 仪 表 学报 ， 2 0 0 3 8 ． 王广涛 ， 杨喜梅． 天车 对位 下料 装 置改 进方 法 的探讨 I- J ] ． 铸造设备研究 ， 2 0 0 7 4 ． 宋汉珍． 微型计算机原理 [ M] ． 北 京 高等 教育出版社 ， 2 0 05 ． 秦宪礼， 刘新蕾 ， 沈斌． 基于无线射频通信 的多功能 瓦斯报警矿灯 的研制I- j ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 8 6 ． 赵松杰 ， 李 兰忖． 基于 AT 8 9 C 5 2的天 车智能遥控 系统 研究与设计[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 8 9 ． 陈光字 ， 刘树勇． 一种新型控制与保护开关在天 车改造 中的应用[ J ] ． 低压电器 ， 2 0 0 8 5 ． 付海 波． 基 于 R F I D的 天车 防 碰 系统 的研 究 与 设计 [ D ] ． 武汉 武汉 理工大学 ， 2 0 0 9 ． 王 峰， 尹 技虎． P L C在天车 加料 系统 中的应用 [ J ] ． 机电工程技术 ， 2 0 0 8 1 ． 化 m 动 舱 自 d 矿 工 ．至 d h ] ] ] ] ] ] ] ] ] 口 2 6 工矿 自动化 2 0 1 0年 3月 路和继电器设备进行改进。通过改进， 该系统可有 效抑制检测回路 中可能产生的各种电磁干扰， 阻止 其通过交流采样通道侵入后续 的电子电路 ， 从而保 证弱 电电路 的正常运行 。 1 系统 硬件 结构及功 能 基于 P L C的煤矿照 明保护系统结构如图 1所 示， 系统提供 3路 1 3 A馈 电输 出功能 ， 3路各 自独 立， 具有完善的控制保护功能 ， 包括漏 电闭锁 、 漏 电 跳闸、 照明和信号电路短路保护和过载保护、 过压保 护等功能， 同时可进行漏 电和短路试验 ， 还可实时显 示 运行状态 。 第～回路 控制触 点 第二回路 控制触 点 第三 回路 肩停、试验控制 1 2 l S 7 2 0 0 一 几 CP U2 2 2 D 状态显示 T D4 0 0 C 图 1 基于 P L C的煤矿照明保护系统结构 1 ． 1 中央控制 单元 中央控制单元 C P U 的选择对整个系统的可靠 性和稳定性起着决定作用。本 系统 中被控节点较 少 ， 所以选择西门子 s 7 2 0 0系列中的 C P U2 2 2作 为控制核心， 其具有 8 输入、 6输出， 再附加 2块4输 入的 E M2 3 l 模块作为模 拟量采集模块。本系统需 要采集 9 路模拟量信号， 所以其 中 2路 电压信号通 过 多路开关 4 0 5 1选择 实 现采 样 。P I C系统接 线 如 图 2所示 。 I 卜 - 一 l M 1 L l 1 0 ．0 Q0 ． 0 KMl 4 l j 1 垒 1 0 l Qo ．1 1 0 ． 2 Qo ． 2 S K4 1 ／ 竖 1 0 3 2 L KM l 6 l 一 2 M Qo ．3 2 1 0 ．4 QO ．4 S Kl l 1 0 ．5 Qo ．5 S K 2 i 2 I O 6 ① S K 3 1 0 7 M - f 一 M L 2 4V L DC 交流 S 7 2 0 0 C P U2 2 2 图 2 P L C系统接线 图 2中， S K1 、 S K 2 、 S K3 为启停按钮 ， S K4 为系 统 自检 按 钮 ， F R S T 为 系 统 复 位 按 钮 ； K M1 ～ KM6 为保护继电器 ， K1为 自检试验继电器 ， K2为 故障报警继电器。原有系统的保护继电器为接触器 式继电器， 这种继电器不仅体积大、 成本高 ， 而且触 点 长期暴 露在空气 中， 极 易被氧化 ， 因而会 造成继 电 器无法正常吸合 ， 使系统 的保 护功能失去作用。本 系统将保护继电器选择为 P C B板载继电器， 该继电 器 为直流继 电器 ， 触点 可承 受 1 5 A 交流 电流 ， 满 足 系统 要求 。 1 ． 2 自检 功能 自检 功能 就是 检 测保 护 电路工 作正 常 与否 ， 包 括 电流 自检和漏 电 自检 。电流 自检 当用 户按 下 电 流试验按钮后， 电流采集 回路接试验端进行 电流 自 检。若互感器给定信号后 ， 电流采样按比例输出， 则 电路正 常 ， 否则 电路故 障。漏 电 自检 当用 户按下漏 电试验按 钮后 ， 吸合漏 电试验继 电器 ， 使 系统直接接 地 ， 然后根据信号判断电路是否正常。 1 ． 3 漏 电 保 护 漏 电保 护 电路 如 图 3所示 。漏 电保护 电路采用 附加 直流检 测 电路实 现 对地 绝 缘 电阻 的检 测 ， 检测 回路先由变压器将 1 2 7 V 回路电压转换为3 2 V， 再 整 流构成 附加直 流 电源 ， 附加 在 回路 电阻 和对 地绝 缘 电阻上 。 为了满 足P L C 模 拟量测 量范 围的要求 ， 漏 电保 护 电路 最终输 出与绝缘 电阻 成 比例 的 0 ～1 0 V 的电压信号接至 E M2 3 1 。该电路可实现对照明系 统绝缘水平的可靠监测。 T ～ L 7 8 2 4 T 漏电 I N OUT ‘ GND 卜 _ 吐 1 U 1 3 2V s l 上 堡 。 享 C 7 2 图 3漏 电保 护 电 路 1 ． 4 电 流 和 电 压 保 护 电流和 电压保 护是 由 电流检 测 电路 和 电压检测 电路采集到系统中的电流和电压取样值， 通过整定 限幅达 到保 护系 统的 目的 。 电 流和电压 检测 电路 需要将 交流 l 2 7 V的强 电 压信号和交流 1 3 A的强电流信号调理成可供弱电 集成器件和 C P U接受的弱 电压或电流信号。调理 的目的在于尽可能地过滤掉各种干扰信号 ， 尤其是 高频干扰， 只将检测电路需要的工频信号传输过去， 再进行转换。为此采样通道采用隔离变换、 整流、 低 通 滤波 等环节对 电流 和 电压进 行采样 。 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一蝴 一蚯 一 一掀 一蚯 一釉 一蝴 一蚯 2 0 1 0年第 3 期 高云广 基 于 P L C的煤矿 井下照 明保 护 系统设 计 2 7 1 ． 4 ． 1 隔离变换环节 隔离变换环节 由精密电流互感器或 电压互感器 以及二次输出典型变换电路组成 ， 如图 4所示 ， 用以 隔离输入输出信号 ， 并将 电流或 电压信号转换成小 电压信号， 供后续电路采样 接至 E M2 3 1 。 图 4隔 离 变 换环 节 电路 电流互感器或电压互感器一方面可将二次回路 中的交流 1 2 7 V 的强电压信号和交流 1 3 A的强 电 流信号转换成可供弱 电集成器件接受的弱电压信 号， 另一方面互感器还 可起到电一磁 一电的隔离作 用， 将强 、 弱电信号隔离开。 互感 器按额 定 电压 、 额 定 电 流 、 变 比 、 容 量 和 线 性变换范围等选取主要参数。本系统分别选择变 比 为 1 mA／ 1 mA 和 5 A／ 2 ． 5 mA 的互感 器 实现 电压 和电流 的转 换 。 煤矿照明保护系统的输入为 3路交流信号， 需 要集 中布置多个互感器 ， 这样各个互感器之间的磁 场会 出现交链 情况 ， 从而 产生相互 干扰 。因此 ， 互感 器 布置时应 使铁心 互 相 垂直 ， 最 大 可 能地 避 免 彼此 之 间的磁场 交链 。此 外应将 电流互感器 和 电压 互感 器用镀锌薄钢板罩屏蔽起来 ， 以限制其 电磁干扰 向 周围空间辐射 ， 干扰系统控制回路 。 1 ． 4 ． 2 整流 环节 整流环 节 采用 精 密全 波整 流 电路 ， 该 电路 主要 由运放 和二极 管构成 ， 如 图 5所示 。 图 5整 流 环 节 电 路 普通的二极管半波整流或全波整流 电流， 由于 二极管存在 0 ． 5 V左右的正向导通 电压 ， 当输入电 压 小于 1 V 时 ， 输 出误 差 会很 大 ， 而且 二 极 管很 容 易受 到温度 的影 响 ， 具有 非 线性 特性 。而 精 密 全波 整流电路将二极管置于运算放大器的反馈回路 中， 能极 大削弱上 述影 响 ， 提高 电路 的精度 。 1 ． 4 ． 3 低通滤 波环节 低通滤波环节由有源积分比例电路组成。采用 低通滤波器可以限制高频信号， 将整流环节输出的 脉动直流转换为直流信号 ， 而且可以通过调节 比例 部分的电阻使输出信号 电压满足 P L C要求 。 1 ． 4 ． 4 电源 由于 电流检测电路和电压检测电路由运放电路 构成 ， 所以需要外部 电源。本系统采用 TO P系列 三端 单 片 开关 电源 芯 片 构成 了 1 2 V／ 1 0 W 小 功 率的精密开关电源电路 。该电路先由交流整流稳压 后得到直流电压， 然后再经过 D C ／ D C变换 ， 输出隔 离的1 2 V电压， 使输 出与输入完全隔离 。该电源 的设计， 进一步隔离了电流和电压检测 电路与交流 的通道， 有效抑制了干扰信号。 1 ． 5显示 功能 该 系 统 采 用 L E D 状 态 指 示 和 L C D 液 晶 显 示 2 种手段检测系统的运行状态、 相关参数 、 分合 闸情 况以及 3个 回路的正常与故 障等 。L C D液 晶显示 屏采用 西 门子 的 T D 4 0 0 C完 成 运 行 状 态 监 视 和 报 警功能 ， 增强了抗干扰能力 。 TD 4 0 0 C是西门子推出的文本编辑显示设备 ， 具有低成本、 操作简便 、 不易出错等特点； 与西门子 8 7 2 0 0 C P U连接时不需额外 电源 即可通过串 口 同时实现数据传送和背光显示功能； 用户通过组态 可实现用 户菜单 显示或 触发报 警 ， 监视 、 查看 和更改 应 用程序 的过程 变量 。 使用 T D 4 0 0 C时， 首先在 S TE P 7 一V4 ． 0 S P 6版 本 中通过 T D文 本显示 向导 ， 组 态 T D 4 0 0 C画面 ， 然 后再 调用 T D 向导所生 成 的子 程序编辑 画面 的触 发 动作。本 系统共 组态 了 9个 画面， 可 以滚 动显示 3路信号的运行状态， 并在故 障时弹出报警 画面等 待处理。系统正常运行和故障时的显示 画面如图 6 所示 。 图 6 系统正常运行和故障时的显示 画面 2系统软件设 计 基 于 P L C的煤 矿 照 明保 护 系 统 软件 主 要 包括 设备启停程序、 保护程序和显示程序 。启停程序通 过 软件控 制各 回路 的启停 ， 减少 了硬 件 开 销 。当运 行中系统发生故障时， 保 护程序通过模拟量数据的 2 8 工矿 自动化 2 0 1 0年 3月 判断， 断开相应回路的保护继电器 ， 同时由故障报警 继电器 K2指示故 障， 实现保护功能。显示程序为 系统主程序， 正常工作状态下 T D 4 0 0 C滚动显示系 统各回路运行状态， 当出现故障或进行 自检试验时 弹出相应的报警界面， 等待故障处理， 在故障复位后 T D4 0 0 C重新进入正常显示画面。系统软件程序流 程如图 7 所示 。 图 7 基于 P L C的煤 矿照 明保护系统软件程序流程 3试验 过程 系统 主 回路接 人前 ， 先 按动 S K4对 系统进 行 自 检试验， 这时 K1吸合 ， 通过 T D 4 0 0 C判断系统漏电 状况以及电流检测 回路和电压检测回路工作状况是 否 良好。然后按动 S KI 、 S K2 、 S K3 使保护继电器吸 合 ， 接通主回路对设备供 电， T D 4 0 0 C显示 当前各路 正 常状态 和数据 ， 运 行 一段 时 间后 人为 使 系统 分别 出现漏电和短路故障， 这时保护继电器掉电， 故障报 警继电器 K2吸合， 闭锁保 护继 电器， 并发出报警。 整个试验过程中 TD 4 0 0 C实时显示 当前故障状态， 这时再人为撤除故障， 则系统故障解除 ， T D 4 0 0 C显 示各 路处 于正常状 态 。 4 结语 本 文介 绍的基 于 P L C 的煤 矿 照 明保 护 系统 通 过采用 P L C控制 ， 增加了保护系统 的可靠性 ， 克服 了基于单片机的煤矿照明保护系统和普通显示器抗 干扰性能差的缺点 。试验结果表明， 该系统可以对 煤矿井 下照 明电路 的各 种 故 障进 行 可靠 的监 测 ， 并 实时显示 正常运 行及故 障状态 。 该系统虽然在价格上要高于基于单片机的煤矿 照明保护系统 ， 但在可靠性方面有很大优势， 在井下 要求比较高的场合具有很大的实用价值 。 参考文献 [ 1 ] 兀鹏越 ， 俞霄靓， 甘江华． 电测装置交流输入通道设计 及其抗干扰研究[ J ] ． 电气应用 ， 2 0 0 7 ， 2 6 1 o ． [ 2 ] 郑丽君． 3 ． 3 k V 矿 用智 能 型 负荷 控 制 中 心 的研 究 f D ] ． 太原 太原理工大学， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 王虹桥． 附加直流 电源 的电缆 绝缘 在线 检测 新方 法 l J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 0 ， 2 8 4 1 9 2 1 ． [4 ] 李海英． 基于 P L C控制 的真空磁力 控制 站测控 系统 的研究[ D ] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 0 2 ． [5 ] 梁 培清 ， 孟 庆坤 ． B B M一2 ． 5 ／ 6 6 0 A 型煤 矿 照 明信号 综合保护装置E J ] ． 煤炭科学技术 ， 1 9 9 2 6 ． [6 ] 丁明勇 ， 李昔华 ， 代 晓红． 基 于 L E D技术 的煤矿照 明 与安全监控 系统 [ J ] ． 重庆 工商 大学学 报 自然 科学 版 ， 2 0 0 7 5 ． [ 7] 魏幼平 ， 岳云涛 ， 郭永生． 煤矿井下照明中节能策略 的 探讨[ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 0 9 1 ． [ 8] 许丹． 新型井下照明微机保护装 置研究[ D] ． 焦作 河南理工大学， 2 0 0 5 ． [ 9] 徐国强． 基于仿真模 型的矿井附加直流电源漏 电保护 研究[ J ] ． 山西焦煤科技 ， 2 0 0 8 1 1 ． [ 1 O ] 张传 书 ， 武 浩． 远 距离 照 明信 号综 合保 护 装置 的 研制[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 5 4 ．