S7-1200可編程控制器在礦用組合開關控制系統中的應用研究

陳 彥

（甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207）

隨著我國煤炭開采技術的快速發展，開采工作面大型機械得到了廣泛應用，其供用電功率成倍增加，且基于井下工作條件限制，供電安全、可靠、效能、體積等要求也越來越高。為減少供電設備空間占用、線路電壓損耗、簡化線纜連接、便于日常維修維護等現場實實際需求，礦用組合開關替代單體開關在煤礦井下供電系統中得到了廣泛應用。為保證組合開關的工作可靠性、穩定性和各項保護功能的完備性，并且為用戶提供良好的人機交互環境，為礦用組合開關設計制作一套功能完備的控制系統尤為重要。西門子S7-1200作為一種可靠性很高的PLC控制器，以其為核心控制器構建礦用組合開關控制系統，是一種可行很高的解決方案。

1 S7-1200PLC概述

S7-1200PLC是德國西門子推出的新一代可編程控制器，它基于模塊化設計，CPU可完成從簡單到高級的邏輯控制任務，集成內部電源和PROFINET總線接口，支持運動控制和過程控制高級功能，可擴展性強，靈活性高，基于Portal TIA平臺開發，在小型自動化控制系統中得到了廣泛應用。典型S7-1200PLC系統主要包括CPU模塊、信號板、信號模塊等部件。

2 礦用組合開關的功能要求

礦用隔爆兼本質安全型多回路真空電磁啟動器簡稱組合開關，其主要作用是代替綜采工作面傳統的單體磁力啟動器，給工作面主要設備供送電能、控制工作的開關設備，其除具備單體啟動器基本的運行控制和安全保護功能外，還具備多臺設備的集控和聯控功能，在大大減小井下設備占地面積的情況下，提高設備用電和運行的可靠性、安全性，以及聯動設備之間快速、實時的響應。其主要控制與保護應包括如下功能要求。

2.1 組合開關應具備的控制功能

按照采煤工作面綜合機械化采煤主要設備，如刮板輸送機、采煤機、液壓泵站、碎煤機、轉載機等工作方式和電機配置的實際情況，運行控制方式包括單機單速、單機雙速、雙機雙速、順序控制四種工作方式。

2.2 組合開關應具備的保護功能

①過載保護。按照反時限保護要求，跳閘時間與工作電器過載倍數成相同趨勢的曲線規律，根據電機發、散熱曲線模型，確定反時限保護時間，控制主接觸器分斷主回路工作電流，并在人機界面顯示故障信息。②短路保護。供電負荷側中發生短路（電流大于設定的短路電流倍數）時，控制主接觸器立即分斷主回路工作電流，并在人機界面顯示故障信息。③過電壓及欠電壓保護。系統供電電壓低于（或高于）額定電壓設定倍數且持續時間達到設定時限時，判定為欠壓（或過壓）故障，控制主接觸器分斷電路，并在人機界面顯示故障信息。④缺相保護。回路三相電流有效值中，任意兩項相差超過相應設定值且持續一定的時間時，判定為缺相故障，控制主接觸器分斷電路，并在人機界面顯示故障信息。⑤漏電閉鎖。主接觸器閉合之前，檢測到負荷側絕緣能力低于設定的阻值時，對該回路進行閉鎖保護，禁止主回路合閘工作，并在人機界面顯示故障信息。⑥漏電保護。通過附加直流法，檢測到零序電流大于設定值時，判定為漏電故障，控制主接觸器分斷電路，并在人機界面顯示故障信息。

3 系統外圍硬件電路的設計

3.1 信號檢測電路

（1）電流的檢測與判斷。系統中的短路保護、過載保護、缺相保護都是通過對系統主回路中電流的實際值和設定值的比較運算來進行判斷的處理的。電流的測量通過電流互感器和電流信號預處理電路將其轉化為0-10V的標準電壓信號，接入S7-1200的模擬量輸入通道，經A/D轉化后與預設值進行運算、比較，從而判斷是否短路、過載或缺相。

圖1 電流采樣電路原理圖

圖2 電壓采樣電路原理圖

（2）電壓的檢測與判斷。系統中的欠壓保護和過壓保護都是通過對系統主回路中電流的實際值和設定值的比較運算來進行判斷處理的。電壓的測量通過電壓互感器和電壓信號預處理電路將其轉化為0-10V的標準電壓信號，接入S7-1200的模擬量輸入通道，經A/D轉化后與預設值進行比較，判斷是否欠壓或過壓。

（3）絕緣的檢測與判斷。采用附加直流電壓檢測的方法，如圖3所示，外加直流電壓U，由R02、R01、SK、對地絕緣電阻RA//RB//RC構成回路，從采樣電阻R02上獲得回路的電流值，當電網絕緣變差時，檢測到的電流值會有較大的變化，通過計算就可以判定是否發生漏電故障。

圖3 附加直流電壓檢測原理圖

3.2 網絡通訊電路

利用S7-1214C自帶的PROFINET工業以太網端口，和上位機進行網絡連接，實現遠程監視、遠程控制等應用功能。

3.3 人機交互電路

采用工控屏器件，通過PROFINET總線與S7-1214C以100HZ的頻率進行數據通信，實時顯示PLC控制系統運行數據，將系統工作電壓、各路工作電流、運行時間以及運行故障等信息。并完成系統保護電流、保護電壓、額定載荷等工作參數的設定工作。

3.4 PLC系統

（1）PLC的I/O需求統計。系統需要的數字量輸入點數包括6路先導反饋量、6路主接觸器反饋量、4路隔離開關反饋量、1路瓦斯電閉鎖量、1路漏電反饋量、1路短路試驗檢測量、12路控制按鍵量、1路復位按鍵量等共30位。系統需要的數字量輸出點數包括：6路中間繼電器控制量、6路漏電閉鎖繼電器控制量、6路程控繼電器控制量等共18位。系統需要的模擬量輸入包括1路電壓檢測信號、18路電流檢測信號、6路漏電檢測信號等共有25路。

（2）PLC器件的選型。可編程控制器選用CPU選用S7-1214C DC/DC/RLY，信號模塊選擇1組SM1223 DC/RLY，3組SM1231 AI 8×13BIT。

（3）PLC控制系統的構成。按照組合開關控制和保護功能需求，以西門子S7-1214C型PLC及其相關控制模塊為核心器件，將系統涉及的檢測信號、控制對象、人機界面等設備組建起來，構成組合開關的控制系統，其構成框圖如圖4所示。

圖4 基于S7-1200的開關控制系統框圖

4 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括HMI人機界面的程序的編寫和PLC控制程序的編寫兩部分。基于博途Portal TIA平臺，進行設備組態、網絡連接、HMI界面繪制和程序編寫工作。系統的主要程序框架包括主程序、單機運行控制子程序、聯動運行控制子程序、組合運行控制程序、參數設定子程序、數據采集與處理子程序、故障保護子程序、通訊子程序等構成。

5 結語

本文討論了組合開關控制系統的功能任務需求，并基于西門子-1200PLC，設計搭建了控制系統的硬件和軟件系統，實現了礦用組合開關的各項控制功能需求和保護功能要求。系統采用西門子最新的可編程控制器件進行控制，體積小、功能強、運行可靠性高，是礦用組合開關控制系統的較好解決方案。