西门子6ES7 214-1AG40-0XB0技术参数
针对煤矿通风系统的安全监测问题,提出基于MCGS上位组态软件的在线监测数据的方法,阐述了利用和利时公司的模拟量扩展模块对现场信号进行采集，达到控制矿井主风机实现在线监控，保证安全运行的原理,介绍了系统的总体设计方案。
关键词 矿井通风系统；模拟量扩展模块；在线监控
1 引言
煤矿风机是煤矿生产的重要设备之一 ，其运行情况直接影响到煤矿的安全生产。对风机的工作状态进行实时监视,并根据现场环境的实际情况,有效地控制风机的送风量，这样不仅能为矿井的安全生产提供可靠保证，同时也降低能源消耗。因此研制煤矿主风机监控系统具有重要现实意义。
矿井通风设计的任务：
1）将足够的新鲜空气有效地送到井下工作场所，保证生产和良好的劳动条件；
2 通风系统简单，风流稳定，易于管理，具有抗灾能力；
3）发生事故时，风流易于控制，人员便于撤出；
4）有符合规定的井下环境及安全监测系统或检测措施；
5）通风系统的基建投资省，营运费用低、综合经济效益好。
本文开发出基于PLC的煤矿主风机变频监控系统，实现了对风门，电机全自动操作，运行中稳定可靠，调速平滑方便，与使用单片机，工控机改造等相似项目，可靠性和参数变更的灵活性都具有极大的优越性，充分保证了矿山的通风安全和节能减排。
2 系统设计要求
采用对旋风机，每台风机有两台电机+两个风扇组成，系统结构如下图所示。
2.1 数据采集
（1）模拟量采集
① 温度参数：电机前轴瓦温度、电机后轴瓦温度、绕组温度（每台电机三个温度参数，共12个）RZW 。
② 电气参数：电压、电流、功率GL（每台电机只测一相的电压、电流，共12个）。
③ 风峒参数：压力、温度、湿度、瓦斯浓度（1个风峒，共4个）。
④ 气动参数：全压、静压、动压、风量、风速（两个风道，共10个）。
（2）数字量采集
电机状态（共4个）
风门状态（两道风门，通过接近开关，分别检测每道风门所处的位置（顶端、底端），共4个）
2.2 风机启动控制
风机启动有两种情况：开两台电机；只开一台电机。
（1）开两台电机
① 确定2#风机的风门已放下。
② 提起1#风机风门。
③ 启动1_1电机并监测电流。
④ 1_1电机的电流低于额定电流时，启动1_2电机。
（2）只开一台电机（只开一台电机时，都是开图中左侧的一号电机）
① 确定2#风机的风门已放下。
② 提起1#风机风门。
③ 启动1_1电机。
2.3 风机停止控制
（1）1#风机的两台电机都在运行
① 关1_2电机。
② 当1_2电机的电流等于零时，关1_1电机。
③ 把1#风门放下。
（2）1#风机的两台电机都在运行
① 关1_1电机。
② 把1#风门放下
不论图中右侧的2号电机开不开，风机停机都由图中的x#风机停机按钮控制。
3 控制原理
3.1 PLC自动控制
当接到风机运行指令时，PLC判断系统运行方式控制风机启动。若为变频方式下,系统则进行变频软启动 ,以降低启动电流 ,减小对电网的冲击。当电机由零频率加速启动到设定频率时，PLC 控制风门绞车开启风门 , 为了避免风门在开、关过程中的不到位引起漏风从而降低风机效率，风门的上下端设置了开触点和闭触点，PLC实时采集风门的触点状态**控制风门绞车的运转。风门完全开启后，使风机电机M1进入工作状态，在双机运行方式下，当电机M1的开启电流小于额定电流时开启电机M2。
3.2 风量闭环控制
在变频启运行方式下，风机风量由设定信号控制。设定信号与风量传感器采集通风机的风量信号，经过变送器后送给 PLC的 A/D转换器，PLC 将电信号变换成相应的风压数字信号存储在内存中，程序采用复合滤波算法，能有效消除或减少各种干扰和噪音。风机正常运行过程中，随着井下用风量的变化，风机电机的工作状态就要发生相应的转换 ，如果风量需求较大，PLC采集到的风量值小于系统设定值，经过比较后将误差送给PID控制模块行处理，然后调用模糊控制模块,并将输出量转化为 4～20 mA 电流信号 ，送给变频器频率设定电流输入端，控制变频器频率变化，实现对通风机风量系统的闭环控制。
为了增强系统的自适应能力，PLC的控制添加了模糊控制器。模糊控制器是根据过程参数的变化自动在线修改控制规则，从而取得好的控制效果。
4 控制系统结构及特点
如图所示，煤矿主风机控制系统综合利用现代自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术，实现对煤矿主风机运行参数的实时监测。
系统以和利时公司 LM系列小型PLC为核心，采用24点CPU模块LM3109， 辅以高性能模拟、数字输入/输出模块，配置网络化的嵌入式触摸屏，实现就地自动控制。
4.1 可编程控制器配置
1）CPU模块：LM3109模块的额定工作电压为AC220V，自带40点I/O，提供24路DC24V输入/16路继电器输出处理。具有1个RS232和1个RS485通讯接口，支持专有协议（仅RS232）/Modbus RTU协议/自由协议。
2）热电阻输入模块：LM3312模块是4路热电阻输入模块，提供了与Cu50、Pt100两种热电阻一次测温元件进行连接的接口，用于采集并处理从现场来的热电阻的电阻值输入信号。
3）模拟量扩展模块：LM3313模块提供8通道模拟量输入通道，输入范围-10V-10V、-20mA-20mA可选，精度可达0.5%FS。主要完成现场模拟量的输入、采集与处理工作。
4.2 嵌入式触摸屏
软件采用国内品牌北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的MCGS 嵌入式组态软件。嵌入式触摸屏过网关接入矿端工控WWW服务器上，在矿端工控WWW服务器上运行通用WEB组态软件，把采集到的主风机监控系统生产安全数据，通过Intranet发布出去。矿端工控WWW服务器采用双网卡，从物理上将监控系统与企业Intranet进行隔离，保证监控系统的安全和可靠运行。
4.3 系统功能特点及使用效果
1) PLC控制和检测变频器的运行状态 ,利用变频器控制风机启停及正常运转 ,可使风机电机连续调速 ,并可根据要求的**调节转速获得佳速度 ,节约大量的电能。
2) 系统数据监测：实现通主风机气动参数，风峒参数，电气参数，温度参数，振动参数的实时监测。
3) 监测参数能够通过嵌入式触摸屏和远程终端，完成实时显示，存储、查询（通过表格、曲线等实时查询和历史查询）、报警、打印功能；完成日报，月报的自动生成、存储、查询和打印；实时显示风量-静压的全特征曲线，标注主风机的工作区域，风机处于瑞压区和低效区时语音报警；具有丰富的工况画面，界面友好，图表功能强大，操作快捷方便。系统的组态界面如图3，4所示。
4) 现场控制：通过触摸屏预制矿井通风参数，操作人员经用户名和密码确认后才能操作相应区域，可以实现风机的无级调速，实现风机的自动切换、应急反风、单风机单电机启动运行、单风机双电机启动运行、单风机单（双）电机变频启动运行等多种控制模式。具备自动控制切除功能，实现现场的完全手动控制。
5 结束语
给予和利时LM系列PLC可编程控制器的风机变频监控系统，实现了基于和利时LM系列PLC可编程控制器的风机变频监控系统，实现了对主风机系统化管理，**了主扇风机运转的可靠性。系统在实际使用过程中取得了良好效果，其性能稳定，运行可靠，节能效果明显，为整个矿井安全生产奠定了良好的基础。
1 引言
矿用隔爆型真空馈电开关（以下简称馈电开关），适用于煤矿井下和其它周围介质中含有爆炸性气体的环境中，在中性点不接地的三相电网中，作为配电总开关或分支开关之用。本文介绍开关采用智能型保护器，性能可靠，动作准确，具有欠压、过载、短路、漏电闭锁、选择性漏电保护功能，并可外接远方分励脱扣按钮。
目前国内馈电开关产品一般是由分立元器件或单片机组成的控制核心，结构复杂，安装调试困难；抗干扰能力差，故障率高，元件的分散性对保护的可靠性和稳定性影响很大；显示采用普通数码管或指示灯，不直观。国外同类产品也普遍采用PLC系统组成，工艺水平较国内高。但是，一旦出现故障，维修跟不上，影响生产。另外，国外产品价格极高，是国内同类产品的十倍以上。
针对这种情况，某电器有限公司开发了一种新型智能矿用隔爆型高压真空电子馈电开关。该装置核心采用技术**的工业可编程控制器PLC 和人机界面（文本显示器及设置键盘），构成的智能型综合保护控制器，使配电装置既可靠又安全。
2 馈电开关结构及保护原理
馈电开关的隔爆外壳呈长方形，用4只M12的螺栓与撬形底座相连，隔爆外壳上、下两个空腔，分别为接线腔与主腔。接线腔在主腔的上方，它集中了全部主回路与控制回路的进出线端子。主回路电源进线端子上罩有防护板。接线腔两侧各有两个主回路进出线喇叭口，可引入电缆外径为φ68～φ78的电缆。主腔由主腔壳体与前门包容组成，主要装有主体芯架和千伏级电源控制开关，前门采用快开门结构。
交流真空断路器安装在主体芯架左侧上方，三根进线直接接在断路器的进线端子上，三根出线则接在芯架反面的出线端子上。千伏级电源控制开关安装在主腔右侧壁上方，由连接套与主腔外的操作手把相连。过电压吸收装置安装在断路器的下方，控制变压器、电流互感器、零序互感器安装在主体芯架的反面，芯架正面还装有中间继电器、熔断器、电抗器、变压器，及两个插接件用以连接前门、接线腔七芯接线端子过来的插头和插座。
前门上装有观察窗、按钮、试验按钮、保护器整定按钮、保护器、保护器电源、PLC及显示屏等。 前门与外壳之间有可靠的机械联锁，当需要打开馈电开关前门时，首先须将右侧壁上的电源控制开关的手把打至断开位置（中间位置），断开控制电源，断路器因控制电路失电而自动分闸，然后拧进闭锁杆，使其里端进入电源开关手把的闭锁孔内，将电源开关闭锁与断开位置，其外端才能脱离前门上的限位块解除前门闭锁，此时方能打开前门，前门闭合的方法与打开的程序相反，从而实现了馈电开关前门闭锁后才能进行合闸操作。
系统原理框图如图1。该配电开关的线路保护功能需在高压互感器上采集三相电流、零序电流、一个线电压、零序电压、绝缘以及相敏共八路信号。这八路信号通过低压互感器，然后经过整流和滤波变成直流的标准信号，后进入PLC 以控制断路器的分闸输出。
PLC 对进入的电压信号进行计算，电压计算结果大于1.2 倍额定电压，显示过压，过压保护5s 内动作；电压计算结果小于0.8 倍额定电压，显示欠压，欠压保护5s 内动作；三相不平衡度计算结果大于0.7，显示断相，10～20s 内保护动作。电流计算结果中任何一相在6～10 倍额定电流范围内，显示短路，短路保护0.08s 内动作；电流计算结果中任何一相在1.2～6 倍额定电流范围内时，显示过载，过载保护按反时限特性动作。若线路发生漏电故障，根据相敏及电压信号漏电保护动作，切断线路。
3 控制系统
PLC使用和利时公司LM系列可编程控制器，LM系列PLC是和利时公司生产的小型一体化PLC。本应用中CPU模块选择本体上集成14 点输入/10点继电器输出的LM3107模块，模拟量输入选择和利时公司特有的电量采集模块LM3315模块，它为12 位精度，完成电压和电流采集的同时，完成功率计算。本模块能够满足井下比较恶劣环境，能够满足中性点不接地的供配电系统供电保护要求。系统中显示部件选用了和利时公司四行蓝色文本屏，通过串口以Modbus RTU协议与PLC通讯，实时显示采集值。控制系统配置图见图2。
4 控制功能
馈电开关控制系统通过软件编程主要完成功能为：
a) 参数设定
额定电流：额定电流的整定范围为100A－－－－630A。
供电电压：供电电压的整定范围为660V和1140V二挡。
短路倍数：整定范围为3－－－－10倍连续可调。
b) 漏电保护
漏电闭锁：1140V系统42K闭锁,50K恢复，660V系统 23K闭锁,28K恢复。
漏电故障：1140V系统23K保护，660V系统12.2K保护。
c) 过电流保护
按照煤炭行业标准要求，根据不同实际电流/额定电流的比值确定不同的动作时间，为了**保护准确性和灵敏性，B相与A、C相使用不同精度互感器。
d) 短路保护
在短路故障发生时，PLC得到的是一个缓慢上升的电压信号，因为从它发出切断指令到开关真正动作，存在一个故有的“机械动作延时”，为了使动作值准确，同时满足不大于100 mS的时间要求，PLC的判定值一定要超前要求的动作值，从而弥补了“机械动作延时”所带来的不良后果。
e) 模块自检保护
本程序具有模块自检功能，当PLC出现故障时，本装置具有如下保护：
PLC自诊断：当扩展模块出现故障时， 有“模块故障”报警画面。
模块供电电源丢失时，有“模拟量模块一无电源”和“模拟量模块二无电源”的报警画面。
f) 性能试验功能
漏电试验：是利用继电器外接1K电阻实现的。
短路试验：模拟电流是“额定电流”与“短路倍数”的积送内存单元。
过载试验：为1.9Ie，动作时间为60秒，因为动作时间较长，为此在程序中设置了显示。
g) 故障记忆功能：
装置能对近50次故障进行记忆，并可分别报出十四种故障，包括动作时间和动作值。进入故障记忆画面和在内进行上下翻页时具有人性化风格，改变了过去的车轱轳转方式。
h) 开机时间记忆功能：
本装置能记忆“累计带电时间”和“累计吸合时间”
除了上面罗列的基本功能本馈电开关还有漏电电阻、电压、电流以及功率显示功能，移动变压器温度超限、瓦斯超限、高压据动、低压据动等功能。
5 结束语
本配电开关的控制系统以我国煤矿电气设备特性为基础，吸纳了国际**的智能化技术和结构形式，使用PLC控制系统代替分立电子元器件或单片机，实现了对井下供电系统的控制、保护和计量，具有性能好、可靠性高、稳定性强和开发周期快等特点。
另外值得注意的是LM3315模块的特点，本模块非常适合应用到馈电开关系统，完全可以满足在井下苛刻工作环境中的配电系统电量采集和保护要求。主要体现2个特点：
1、电量计算的功能
本模块可以通过采集三相电的电流、电压及各相电流之间的相位差，准确地计算出配电系统的总有用功率和总无功功率以及功率因数。
2、过流保护
LM3315模块对输入电流瞬时值进行监测，过流时直接通过模块芯片上硬件中断控制继电器动作，切断电流通路。
过流保护时间由以下3部分组成：T1：从过流信号加到输入端子，到该信号传输到AD输入端子，这部分时间主要为互感器的延时（互感器之后没有容性滤波电路），互感器延时约为15微秒，因此这部分延时不超过0.02ms。T2：从过流信号加载到AD芯片IN+、IN-端子到该电流值被采集之后芯片引脚上输出保护控制信号，这段时间在5ms左右（程序里面每隔4.2ms查询一次）。T3：继电器动作时间。在上电后正常工作时继电器闭合，出现过流时，继电器再次释放（release），继电器释放时间为2ms（典型值）。
所以模块过流保护时间为T1+T2+T3<10ms，这在其它品牌的PLC中是不可能实现的，利用此模块的馈电开关过流保护到真空断路器动作时间完全可以控制在30ms的时间内，大大**馈电开关的性能。