礦井?dāng)?shù)字變電所的設(shè)計(jì)

摘要：選用西門子公司的S7-200系列PLC作為主控制器，設(shè)計(jì)了一套礦井供電自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井中央變電所無(wú)人值守，達(dá)到了提高遠(yuǎn)程監(jiān)控水平、減員增效的目的。主控制器通過(guò)RS-485與井下中央變電所的15臺(tái)高壓開關(guān)柜中ZBT-11K系列綜合保護(hù)器進(jìn)行通信，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各高壓開關(guān)柜的電壓/電流/功率等電量參數(shù)、各斷路器狀態(tài)、保護(hù)壓板狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高壓柜的遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止、保護(hù)定值的遠(yuǎn)程設(shè)定等功能。

關(guān)鍵詞：PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；無(wú)人值守；變電所

中圖分類號(hào)：TM734? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）10-0055-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.015

0? ? 引言

井下供電系統(tǒng)存在很多問(wèn)題，比如電氣供電設(shè)備陳舊老化，經(jīng)常跳閘；供電系統(tǒng)不穩(wěn)定[1]；井下工人帶電作業(yè)，易出現(xiàn)意外情況[2]；無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)井下電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控[3]，井下供電系統(tǒng)元件都很單一化，沒有形成有效的控制系統(tǒng)等。這些問(wèn)題可能會(huì)給井下礦工帶來(lái)巨大的災(zāi)難，所以在現(xiàn)代化生產(chǎn)建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)礦井?dāng)?shù)字自動(dòng)控制勢(shì)在必行。基于此，本文設(shè)計(jì)了一套礦井供電自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井中央變電所無(wú)人值守，達(dá)到了提高遠(yuǎn)程監(jiān)控水平、減員增效的目的。

1? ? 礦井?dāng)?shù)字變電所的總體設(shè)計(jì)

某礦井下中央變電所擁有高壓開關(guān)柜15臺(tái)，每臺(tái)都內(nèi)置ZBT-11K系列綜合保護(hù)器，為了實(shí)現(xiàn)礦井供電綜合控制的需求，需要利用S7-200系列PLC與高壓開關(guān)柜內(nèi)的綜合保護(hù)器進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)“四遙”功能，綜合保護(hù)器支持RS-485通信方式，采用MODBUS通信協(xié)議。

（1）遙測(cè)功能：能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)高壓開關(guān)柜的電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電量參數(shù)。

（2）遙信功能：能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)高壓開關(guān)柜斷路器狀態(tài)、保護(hù)壓板狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等。

（3）遙調(diào)功能：能夠?qū)崿F(xiàn)高壓柜保護(hù)定值的遠(yuǎn)程設(shè)定等。

（4）遙控功能：能夠?qū)崿F(xiàn)高壓柜的遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止。

（5）人機(jī)功能：當(dāng)變電所有人值班時(shí)，后臺(tái)機(jī)完成人機(jī)聯(lián)系功能；當(dāng)變電所無(wú)人值班時(shí)，即可在監(jiān)控中心進(jìn)行人機(jī)聯(lián)系，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)，第一部分為設(shè)備層，即為高壓開關(guān)柜及其內(nèi)部控制測(cè)量元件，開關(guān)柜中的綜合保護(hù)器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓開關(guān)柜的電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等電量參數(shù)以及監(jiān)測(cè)斷路器狀態(tài)、保護(hù)壓板狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等。第二部分為控制層，主要由S7-200系列PLC作為主控制器，可拓展一個(gè)通信模塊，通信模塊與設(shè)備層即高壓開關(guān)柜相連，CPU與上位機(jī)監(jiān)控端相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、控制，進(jìn)而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。最后的數(shù)據(jù)將會(huì)呈現(xiàn)在第三部分，即為數(shù)據(jù)層，該層主要設(shè)備是上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)模擬工程運(yùn)行環(huán)境對(duì)前方的數(shù)據(jù)進(jìn)行程序運(yùn)行和最終的程序測(cè)試。

2? ? 礦井?dāng)?shù)字變電所的硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)控制對(duì)象是礦井下的15臺(tái)高壓開關(guān)柜，井下高壓開關(guān)柜組大體分為進(jìn)線柜、出線柜、PT柜和聯(lián)絡(luò)柜。具體流程為當(dāng)進(jìn)線柜的斷路器閉合時(shí)，聯(lián)絡(luò)柜的斷路器不能閉合，否則會(huì)發(fā)生短路；當(dāng)10臺(tái)出線柜斷路器分開時(shí)，進(jìn)線柜斷路器才可進(jìn)行分合閘操作，不能帶負(fù)載進(jìn)行通斷。本次設(shè)計(jì)的高壓柜內(nèi)電氣元件組成如圖2所示。

在高壓開關(guān)柜中，綜合保護(hù)器起著決定性的作用，參數(shù)監(jiān)控和綜合保護(hù)功能都是由它來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜合保護(hù)器主要實(shí)現(xiàn)三段式過(guò)流保護(hù)、絕緣監(jiān)視保護(hù)、兩相電流測(cè)量、功率因數(shù)與功率測(cè)量、頻率測(cè)量、級(jí)聯(lián)差動(dòng)、后備電源、故障錄波、時(shí)鐘及SOE事件等功能，所以在本系統(tǒng)中，各測(cè)控分站內(nèi)的高壓開關(guān)柜中均裝設(shè)綜合保護(hù)裝置ZBT-11K。ZBT-11K系列綜合保護(hù)器一般作業(yè)在井下無(wú)瓦斯與粉塵爆炸的井底車場(chǎng)、總通風(fēng)道和主要通風(fēng)道的供電系統(tǒng)中，它對(duì)礦用高壓配電裝置起著監(jiān)控和保護(hù)的作用。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)置綜合保護(hù)器的高壓開關(guān)柜如圖3所示。

3? ? 礦井?dāng)?shù)字變電所的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的是STEP7編程軟件，全面實(shí)現(xiàn)所需要的功能。本系統(tǒng)中有15臺(tái)高壓開關(guān)柜，包括2臺(tái)進(jìn)線柜、10臺(tái)出線柜、1臺(tái)聯(lián)絡(luò)柜、2臺(tái)PT柜。進(jìn)線柜包含1個(gè)斷路器、1個(gè)接觸器；出線柜包含1個(gè)斷路器、1個(gè)接觸器；聯(lián)絡(luò)柜包含1個(gè)斷路器，無(wú)接觸器；PT柜無(wú)斷路器、接觸器。點(diǎn)位表如表1所示。

由S7-200系列PLC作為本系統(tǒng)的主控制器，在整個(gè)系統(tǒng)中起通信作用，PLC外擴(kuò)一個(gè)通信模塊，用來(lái)與15臺(tái)高壓開關(guān)柜相連，使用MODBUS通信協(xié)議，CPU則與上位機(jī)相連，進(jìn)行控制，使用以太網(wǎng)通信協(xié)議。

由于本設(shè)計(jì)是PLC與綜合保護(hù)器之間進(jìn)行RS-485通信，采用MODBUS通信協(xié)議，本設(shè)計(jì)中PLC和綜保之間采用CP341通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CP341通信模塊是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、快速、功能強(qiáng)大的串行通信模塊[4]，具有一個(gè)D型串行傳送口，支持RS-485、RS-422、RS-232C等通信標(biāo)準(zhǔn)，可以使用的通信協(xié)議有RK512、MODBUS主站協(xié)議、MODBUS從站協(xié)議等，使用該模塊可以讓PLC與綜保之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[5]。

PLC拓展模塊CP341通信圖如圖4所示。

4? ? 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件是可以在屏幕上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的控制軟件。它可以監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，在監(jiān)控界面上就能顯示各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，例如正常、故障、報(bào)警等。高壓開關(guān)柜控制主界面如圖5所示。

1#高壓柜操作界面如圖6所示，2#高壓柜操作界面如圖7所示，3#～15#高壓柜界面與2#高壓柜界面一樣，不再一一表述。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)主要采取了分層設(shè)計(jì)的理念，先對(duì)變電所進(jìn)行了總體概況分析，然后對(duì)變電所的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括高壓開關(guān)柜、綜合保護(hù)器，最后對(duì)變電所的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括運(yùn)用STEP7軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程、系統(tǒng)通信部分和上位機(jī)測(cè)試部分。井下電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試成功后，將會(huì)對(duì)15個(gè)高壓開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)際的操作控制。井下高壓供電系統(tǒng)應(yīng)用該技術(shù)后，其可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、高效性和快速性將得到極大的提高。通過(guò)與地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下變電所的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在監(jiān)控主站顯示屏上顯示出井下采區(qū)變電所高壓開關(guān)柜的所有電氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信、遙調(diào)，真正達(dá)到井下無(wú)人值守的目標(biāo)。

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收稿日期：2023-01-16

作者簡(jiǎn)介：顏海鷗（1996—），女，江蘇連云港人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：煤礦智能變電所選型、設(shè)計(jì)。