基于PLC控制與P5000擴展器的安全監控系統雙電源改造

毛鑫鑫

（山西晉煤集團晉圣鳳紅煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 引言

鳳紅礦井下瓦斯監控體系是基于Senturion KJ31N 的總線型平臺，目前雖然采用了雙電源供電，但存在切換延時較長、容易造成整個監控系統瞬時失控的現象。缺乏有效的電量供應是該平臺的最大短板，極易引發安全事故：（1）采取單端供電形式，分站、電動機、總線擴展器、斷路器等電源一般就近就地連接，通常和電燈、水泵、涂布機等其他裝置使用同一電源，經常因維修、故障或挪動的緣故斷電；（2）個別安全監控裝置配備了供電箱，可是備用電源選擇的是蓄電池，僅能維持不超過2h的供電。若停電2h 以上，監控平臺將會斷電，而且，在充放電次數增多后，備用電源容量會逐漸降至2h以下；（3）如今通常使用200A 的成套開關裝置或照明綜保開關，但安全監測平臺的負載是mA 級，這種配置是一種極大的浪費，且占地大，設備重。

對于鳳紅礦存在的問題，國內通常選擇專用供電線路，從地上向井下鋪埋供電線路，可由于距離太長，線徑太粗，成本過高。而且該方法仍屬于單回路供電，頻繁斷電的短板仍未補足。

為了確保給煤礦安全監測監控體系提供穩定的電源，要求設計的裝置技術含量高，功能完備，易于操作，占地小，便于搬運，能在需要的不同電壓等級下運行，從源頭彌補煤礦監測監控體系斷電短板和備用電源續航過短的不足。

2 雙電源切換原理及特點

2.1 控制回路分析

負荷線路（監測監控分站等裝置）屬于雙回路，兩個回路中一個是主電源，一個是副電源，兩個電源交替給負荷供電。若主電源回路被切斷，副電源會自動向負荷供電；若主電源回路重新連接，供電源又重新切換成主電源。流程示意圖詳見圖1。

該雙電源開關由兩部分構成：電氣控制組件、隔爆外殼。其中，電氣控制組件是核心；隔爆外殼是指符合國家標準、具有防爆合格證，并確保一體化有效密封的殼體，可保證在瓦斯環境下內部組件的安全運行。隔爆外殼內部的電氣控制組件示意圖詳見圖2。

圖1 雙電源開關系統示意圖

圖2 電氣控制示意圖

圖2 的主輸入、副輸入分別指代主電源、副電源，兩者分別與1140660G-1（主線路變壓器）、1140660G-2（副線路變壓器）相連。1140660G-1、1140660G-2 分別有一路連接到主線路control relay/contactor-6 和副線路control relay/contactor-7 的接入點；還分別有一路連接到主線路rectifier-3 和副線路rectifier-4。轉換后的電流輸出到PLC 控制系統5的電源觸點和接入點，程序執行后根據輸出結果將信號接入主線路control relay/contactor-6 和副線路control relay/contactor-7。圖中8 是SB1 手動操控電閘開關，9 是SB2 常開觸點，10 是漏電保護開關（配有旋轉手柄）。

2.2 切換裝置性能分析

（1）本裝置能夠實現雙回路中主電源、副電源的自動切換，還有備用充電電池，能夠給安全監測平臺負載的電量供應提供三重保障，改善了行業中傳統平臺僅使用relay 或vacuum ac contactor 等控制的落后方式，簡單利用硬件來實現控制，裝置具有接線過多、故障率高、運行不穩定的缺點。

（2）使用PLC 控制技術，利用該核心部件能夠實時掌握兩個電源的工作狀態，對其進行分析研究，然后控制程序依照當前狀態相應地調整輸出參數，利用當前線路的相關部件來調整和轉換當前狀態，實現兩個電源的互相切換，并且對于不同的負荷裝置，通過調整內部程序參數，能夠調整時間及對線路負荷的最優控制，達成了兩電源間自動有效的互相切換。

（3）創新點：① 將傳統的物理元器件調控技術和先進的PLC 可控制技術相結合，用一臺PLC控制設備實現兩個回路中主、副電源互相切換的可靠性。② 能夠根據現場情況自由調整時間間隔和裝置的切換節點，操作自由、快捷，有極大的擴展空間。③ 該產品的手動操作開關、旋轉手柄功能以及不同線路當前情況在線展示功能是該產品的另一創新點和特性。④ 在確保裝置穩定工作的同時，極大簡化了裝置的雜亂接線。⑤ 能夠在不干擾其他負荷運作的情況下，方便實現對監控分站及線路中其他負荷裝置的停機檢修工作。

（4）通過調整和切換不同回路主、副變壓器，能夠達到滿足系統對各種電壓等級的要求。不同等級電壓輸出能夠滿足交流1140V、660V、220V、127V、0~36V 等不同電壓等級。

（5）該電源開關同樣能適用于實時定位裝置、綜合自動化裝置、無軌膠輪車遠程調控平臺、電調節風門、局部通風等多個裝置。

3 引入擴展器瓦斯監控的電源改造與現場應用

3.1 引入P5000擴展器瓦斯監控的電源改造

為彌補上述不足，現詳述該雙電源切換方案的有效性，通過把主、副電源接入擴展器的電源箱，提高該系統供電的平穩性。往擴展器的電源箱接入雙電源切換部件的接線示意圖詳見圖3（a）。

圖3 接線示意及內部原理圖

雙電源切換裝置運行的電氣原理詳見圖3（b）。其內部構成如下：通過660V/200A4 通接線盒或者老式的KDD-2 型斷電器，在裝置內部接入2 個660V/36V、20W 變壓器1 個，36V 接觸器1 個（660V，10A），把兩路660V 輸入電源分別與接觸器上2 對常開觸點及常閉觸點連接，然后將兩觸點下方并連后輸到660V 電源，為瓦斯調控裝置分站或交換機供電。AC 接觸器繞線電阻和常開觸點與660V 回路1 的相電源線連接，充當主電源，另一路660V 電源與660V 回路2 兩相線連接，充當副電源。工作時，回路1 電源供電，接觸器KM1 閉合，常開回路2電源由于常閉觸點KM2 開路，回路1 電源向P5000擴展器的電源箱輸入電量，回路2 電源處于開路，不進行供電。當回路1 電源開路但回路2 電源接通時，KM1 繞線電阻不接通，KM2 閉合，KM1 常開觸點開路，P5000 的電源箱通過回路2 電源供電，僅在兩回路電源一同斷電時P5000 的電源箱才有可能切斷交流供電。所以，該方案有效增強了P5000電源箱供電的穩定性，確保了監測平臺的可靠運行。

3.2 現場應用分析

圖4 自動切換部件圖

圖5 瓦斯實時監測曲線

圖4 為圣鳳礦實際的自動切換裝置，如圖5 所示為該礦在投入自動切換裝置情況下，2019 年1 月18 日至19 日內對工作面CH4含量的實時監測界面，該上位機對其最大值、最小值、平均值進行了量化，通過間隔采樣形成圖5 的變化曲線，方便運行人員進行監控與瓦斯預警判斷。由于該礦暫未出現瓦斯涌出超量以及報警事件，暫無案例分析可借鑒。

4 結 語

井下隔爆型雙電源切換設備把現代的PLC 控制技術與傳統的元器件進行有效的結合，在內部程序調節下，有效彌補了目前井下監測監控系統頻繁斷電的不足，為安全監測監控平臺提供了安全有效的電源。同時，不同等級電壓輸出使該技術能夠廣泛適用在實時定位裝置、煤礦綜合自動化裝置、無軌膠輪車遠程調控平臺以及電調節風門等。經過現場應用的檢驗，該技術穩定可靠，值得廣泛推廣。