基于PLC的磁力啟動器遠程集中控制系統

朱明星

(國能神東煤炭集團有限責任公司大柳塔煤礦，陜西 榆林 719315)

0 引言

在井下供電系統中，磁力啟動器主要用于控制電動機，尤其廣泛用于控制水泵；照明信號綜合保障裝置則主要用于控制照明燈[1-4]。它們不僅使用數量多，而且位置也較分散，比如長度為350 m的綜采工作面大約要布置4臺照明信號綜合保障裝置、10臺磁力啟動器，加上鄰近300 m范圍內的兩順槽的布置，總計大約要布置5臺照明信號綜合保障裝置、25臺磁力啟動器。這些設備都由上級移動變電站提供電源，當上級移動變電站跳閘并重新合閘之后，需要對這些在用的磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置逐臺合閘操作，既耗時又耗力，甚至可能造成水災隱患。再者當運行中的磁力啟動器或照明信號綜合保障裝置出現故障時，不能及時被發現，也就不能得到及時地處理，從而影響礦井的安全生產。如果有一套集中控制系統，不但能監控綜采工作面內所有磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的運行狀態，還能在綜采工作面的集控臺就能夠控制這些設備遠程合閘，及時地開啟水泵、照明，則會更加高效便捷。

1 集控系統的設計思想

該系統以神東煤炭集團礦井下常用的型號為QJZ2-30/1140(660)的南京雙京磁力啟動器、型號為ZBZ-10/1140(660)M的南京雙京照明信號綜合保障裝置為例，這種新式開關其保護卡都預留了485通信接口及接線柱。根據其通信規約，利用PLC編程與這些設備建立通信，可以實時獲取設備運行信息，并通過以太網將設備運行信息傳送在人機界面上。由PLC實現的集中控制系統對采煤工作面的所有磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置實現遠程集中管理，由操作員在集控臺直接控制，通過點擊人機顯示屏上的合閘、分閘按鈕即可實現磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的遠程啟停功能，點擊參數可查看設備的實時電流電壓值，可遠程修改設備參數的整定，點擊故障查詢可查看歷史故障記錄，點擊復位可以遠程對設備進行復位操作，幫助我們及時地掌握現場情況和快速排查故障。

2 集控系統的硬件設計

煤礦井下由于環境惡劣，對設備的控制水平要求較高。采用PLC+人機界面等組成工業控制網絡，能夠提高系統的可靠性[5-9]。該集中控制系統是以PLC為中央控制單元，搭配人機界面進行人機交互，圖1為其硬件設計框圖。

圖1 集中控制系統硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of centralized control system

如圖1所示，PLC選用SIEMENS S7-200系列中SMART ST60產品，它是標準化CPU模塊，晶體管輸出，供電電源為直流24 V，擁有36個輸入點及24個輸出點，1個以太網接口，1個RS485自由通信接口，1個集成的 Micro SD卡插槽。人機界面選用SIEMENS SMART 700 IE V3，它是西門子新一代SMART LINE觸摸屏，供電電源為直流24 V，尺寸為7寸，屏幕顏色為64 K色，集成有以太網接口，USB HOST2.0接口，有歸檔記憶功能。電源模塊選用輸入交流127 V、輸出直流24 V/2 A。電源模塊為PLC和人機界面提供24 V直流電源，PLC通過其RS485自由通信口與南京雙京磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置(圖1中統稱為開關)內的485通信接線端子相連接，使用現場總線與各開關建立通信，達到對各個開關的集中控制，此處的通信線纜應選擇為帶屏蔽層的雙絞線。PLC通過其以太網接口與人機界面進行通信，將所有磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的信息在人機界面上展示。人機界面連接鼠標可以進行畫面翻頁、合分閘控制、查看開關信息等。

3 集控系統的程序設計

3.1 PLC的程序設計

在電腦上安裝STEP 7- Micro/WIN SMART軟件，它是 S7-200 SMART的編程軟件，支持Windows 7或 Windows 10，安裝文件小于 300 MB。PLC與磁力啟動器、照明信號綜合保障裝置之間采用Modbus協議進行通信。Modbus是一種串行通信協議，是Modicon公司(現在的施耐德電氣 Schneider Electric)于1979年為使用可編程邏輯控制器(PLC)通信而發表。Modbus已經成為工業領域通信協議的業界標準(De facto)，并且現在是工業電子設備之間常用的連接方式，沒有版權要求。

打開STEP 7- Micro/WIN SMART編程軟件，首先進行Modbus協議通信參數初始化寫入，設定好PLC自由通信口的波特率、地址、奇偶校驗方式，此數值要求與磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的通信參數相匹配，然后設計各磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的參數讀取指令和寫入指令，并保證分閘指令優先于其它指令執行，編譯無誤后將寫好的程序下載到PLC上。需要讀取和寫入的參數有以下7方面。①設備上的顯示時間；②設備的控制方式：遠控/近控/程序；③設備的實際電壓、電流值；④設備的漏電電阻值；⑤設備的合分閘狀態、故障代碼；⑥設備的額定電壓、額定電流、欠壓過壓系數、欠壓過壓保護時間、不平衡度、不平衡保護時間；⑦過載、短路、缺相、欠壓、過壓、閉鎖功能等是否投入。

3.2 人機界面的程序設計

在電腦上安裝WinCC Flexible SMART V3軟件，它是人機界面SIEMENS SMART 700 IE V3的組態軟件。由于PLC本身數據顯示不方便，而通過人機交互界面，不僅可以顯示PLC數據，還能夠在人機界面上組態控制PLC。組態畫面主要實現對各磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的合閘、分閘控制，以及設備的運行狀態監視和故障報警、設備的參數整定、歷史記錄和通信狀態顯示。利用變色反映設備的運行狀態，比如合閘狀態顯示一種顏色，分閘狀態顯示一種顏色，故障狀態又是另一種顏色。

打開WinCC Flexible SMART V3軟件，首先選擇要連接的PLC型號、人機界面型號，定義各種變量，然后進行畫面的設計，將畫面中的元素與定義好的變量相連接，畫面設計要遵循簡潔、美觀、功能齊全的原則，最后編譯無誤后將畫面下載到人機界面上。需要設計的畫面需包括以下3方面的內容。①主畫面。包括人機界面與PLC是否通信正常、所有磁力啟動器及照明信號綜合保障裝置等設備與PLC是否通信正常、設備的運行狀態(合閘/分閘/故障)展示、設備的詳細參數入口、設備的緊急分閘按鈕；②設備的詳細參數畫面。包括該設備上的時間、實際電壓電流值、漏電電阻值、設備的運行狀態、故障提示、額定電壓電流值、各種保護功能是否投入、合閘分閘按鈕、復位按鈕、故障記錄入口；③故障記錄畫面。故障發生的時間、故障代碼、故障描述。

3.3 PLC和人機界面的人機交互

PLC和人機界面通過彼此的以太網接口建立通信，此時需要分別設置好PLC和人機界面相應接口的IP地址、子網掩碼、網關，然后用網線將PLC和人機界面連接起來，在顯示屏上查看PLC與人機界面通信是否正常。通信正常后人機界面即可從PLC讀取數據或向PLC寫入數據，具備人機交互條件。依次點擊人機界面上各畫面的功能按鈕，測試按鈕效果是否與設計相符，畫面顯示是否正常、美觀。

4 試驗與應用

此集中控制系統在神東煤炭集團大柳塔煤礦進行地面試驗，按照圖1接入PLC、人機界面、電源模塊、1臺磁力啟動器和1臺照明信號綜合保障裝置，將磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的控制方式撥在“程序控制”之后，接通電源測試。各試驗界面如圖2～4所示。

圖2 集中控制系統主界面Fig.2 Main interface of centralized control system

圖4 故障記錄界面Fig.4 Fault record interface

在主界面上，3條橫線顯示綠色且左上角的方框內數字在變化，表示PLC與人機界面通信正常；1#開關與第1條橫線之間的豎線顯示綠色，表示1#開關與PLC通信正常；小圓內顯示綠色表示分閘狀態、紅色表示合閘狀態、黃色表示故障狀態；點擊“進入”按鈕，可以跳轉至合分閘控制界面。接著點擊“分閘”按鈕可實現緊急分閘；顯示了1#開關的實際電流電壓值、漏電電阻值、故障狀態及各整定參數值；點擊“合閘”“分閘”“復位”按鈕可以實現磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置的合分閘控制及復位操作。點擊“故障記錄”按鈕可以跳轉至故障記錄畫面；點擊“主界面”按鈕，可以回到主界面(圖2)。故障記錄界面上詳細顯示了1#開關的合分閘時間及故障時間、故障描述。

5 結語

基于PLC的磁力啟動器遠程集中控制系統，通過在地面對磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置進行現場測試，實現了遠程集中控制。在人機界面上可直觀顯示各開關的運行狀態，且人機界面友好，操作簡便，符合設計要求。若在井下應用，可以便捷地管理采煤工作面的磁力啟動器和照明信號綜合保障裝置，實現動態管理，助力提升礦井自動化水平，打造“本質安全型”礦井，且能達到減員增效的目的。