基于PLC控制與P5000擴展器的安全監(jiān)控系統(tǒng)雙電源改造

毛鑫鑫

（山西晉煤集團晉圣鳳紅煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 引言

鳳紅礦井下瓦斯監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)瞬時失控的現(xiàn)象。缺乏有效的電量供應(yīng)是該平臺的最大短板，極易引發(fā)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(jīng)常因維修、故障或挪動的緣故斷電；（2）個別安全監(jiān)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(jiān)控平臺將會斷電，而且，在充放電次數(shù)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(guān)裝置或照明綜保開關(guān)，但安全監(jiān)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(shè)備重。

對于鳳紅礦存在的問題，國內(nèi)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(jiān)測監(jiān)控體系提供穩(wěn)定的電源，要求設(shè)計的裝置技術(shù)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(jiān)測監(jiān)控體系斷電短板和備用電源續(xù)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(jiān)測監(jiān)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(guān)由兩部分構(gòu)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(huán)境下內(nèi)部組件的安全運行。隔爆外殼內(nèi)部的電氣控制組件示意圖詳見圖2。

圖1 雙電源開關(guān)系統(tǒng)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(zhuǎn)換后的電流輸出到PLC 控制系統(tǒng)5的電源觸點和接入點，程序執(zhí)行后根據(jù)輸出結(jié)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(guān)，9 是SB2 常開觸點，10 是漏電保護開關(guān)（配有旋轉(zhuǎn)手柄）。

2.2 切換裝置性能分析

（1）本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)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(jiān)測平臺負載的電量供應(yīng)提供三重保障，改善了行業(yè)中傳統(tǒng)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(xiàn)控制，裝置具有接線過多、故障率高、運行不穩(wěn)定的缺點。

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

（3）創(chuàng)新點：① 將傳統(tǒng)的物理元器件調(diào)控技術(shù)和先進的PLC 可控制技術(shù)相結(jié)合，用一臺PLC控制設(shè)備實現(xiàn)兩個回路中主、副電源互相切換的可靠性。② 能夠根據(jù)現(xiàn)場情況自由調(diào)整時間間隔和裝置的切換節(jié)點，操作自由、快捷，有極大的擴展空間。③ 該產(chǎn)品的手動操作開關(guān)、旋轉(zhuǎn)手柄功能以及不同線路當前情況在線展示功能是該產(chǎn)品的另一創(chuàng)新點和特性。④ 在確保裝置穩(wěn)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(xiàn)對監(jiān)控分站及線路中其他負荷裝置的停機檢修工作。

（4）通過調(diào)整和切換不同回路主、副變壓器，能夠達到滿足系統(tǒng)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(guān)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(diào)控平臺、電調(diào)節(jié)風門、局部通風等多個裝置。

3 引入擴展器瓦斯監(jiān)控的電源改造與現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 引入P5000擴展器瓦斯監(jiān)控的電源改造

為彌補上述不足，現(xiàn)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(tǒng)供電的平穩(wěn)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(nèi)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(nèi)部構(gòu)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(nèi)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?shù)?60V 電源，為瓦斯調(diào)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(wěn)定性，確保了監(jiān)測平臺的可靠運行。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

圖4 自動切換部件圖

圖5 瓦斯實時監(jiān)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(nèi)對工作面CH4含量的實時監(jiān)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(jiān)控與瓦斯預(yù)警判斷。由于該礦暫未出現(xiàn)瓦斯涌出超量以及報警事件，暫無案例分析可借鑒。

4 結(jié) 語

井下隔爆型雙電源切換設(shè)備把現(xiàn)代的PLC 控制技術(shù)與傳統(tǒng)的元器件進行有效的結(jié)合，在內(nèi)部程序調(diào)節(jié)下，有效彌補了目前井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)頻繁斷電的不足，為安全監(jiān)測監(jiān)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(shù)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(diào)控平臺以及電調(diào)節(jié)風門等。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用的檢驗，該技術(shù)穩(wěn)定可靠，值得廣泛推廣。