摘 要：本文介紹了一種煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由井下隔爆配電開關(guān)和井上計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。井下隔爆配電開關(guān)以K7M-DR14UE可編程控制器為控制核心，井上計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由VC++開發(fā)而成，可實(shí)時監(jiān)測井下電網(wǎng)參數(shù)，并及時顯示和報警過欠壓、斷相、漏電、過載、短路等故障。 關(guān)鍵詞：K7M-DR14UE 隔爆配電開關(guān) 監(jiān)控系統(tǒng) Cserial類 Abstract: This paper introduces a kind of Power Monitored Control System For Underground Mine, which comprises of underground mine flameproof feed switch and computer monitored control system on the ground. K7M-DR14UE programmable logic controller is used as core of the flameproof feed switch. Computer monitored control system is developed from VC++, which can monitor the underground electric network parameter in real time, find and alarm over voltage、under voltage、open phase、electric leakage、over load、short circuit etc in time. Key word: K7M-DR14UE、Mine Flameproof Feed Switch Controller、Monitored Control System、Cserial Class 0 引言 　　隨著我國煤礦企業(yè)開采水平的提高，井下礦用隔爆型高壓真空電子配電開關(guān)已得到大量應(yīng)用，但國內(nèi)此類產(chǎn)品還存在不少問題。針對當(dāng)前國內(nèi)礦用隔爆配電開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保護(hù)性能差的問題，研制了一種新型礦用隔爆型高壓真空電子配電開關(guān)。配以井上計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)成了煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)。 　　利用該系統(tǒng)可在地面管理中心，對井下配電裝置的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)視和控制,極大地縮短了井下電力線路問題的發(fā)現(xiàn)時間，降低了管理員的工作強(qiáng)度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　井上計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由地面主站監(jiān)控設(shè)備（工控機(jī)）、打印機(jī)、PCL—745B雙口隔離485接口卡和通信線路（RS—485總線）構(gòu)成。打印機(jī)負(fù)責(zé)打印各種報表，接口卡通過通信線路與井下配電開關(guān)控制器中PLC 的RS—485接口相連接，完成數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)對來自井下配電開關(guān)的電能信息進(jìn)行處理和顯示，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。 　　使用該系統(tǒng)，地面管理中心人員可觀察到井下所有被監(jiān)控的電網(wǎng)中的參數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)故障時，計(jì)算機(jī)能及時地發(fā)出報警信號，使維修人員能在最短的時間內(nèi)到達(dá)事故現(xiàn)場，排除故障，恢復(fù)生產(chǎn)。本系統(tǒng)可完成以下功能： 　?。?）井下電網(wǎng)參數(shù)的顯示和記錄，如ABC三相的電流、零序電流、線電壓、零序電壓、絕緣信號和相敏信號。 　?。?）故障的報警和定位。當(dāng)井下設(shè)備發(fā)生如過壓、欠壓、斷相、漏電、過載、短路等故障時，利用系統(tǒng)的聲光報警功能，可精確顯示故障設(shè)備的故障性質(zhì)和位置。 [align=center] 圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框圖 Fig 1 Computer Monitored Control System Block Diagram[/align] 　?。?）生成每臺配電開關(guān)的電能統(tǒng)計(jì)日、月、年報表，并可打印，以方便電能消耗的統(tǒng)計(jì)。 　?。?）實(shí)現(xiàn)多種查詢功能，如井下電網(wǎng)參數(shù)的歷史記錄查詢、報表查詢、報警記錄查詢等。 2 井下隔爆配電開關(guān) 　　目前國內(nèi)該類產(chǎn)品一般是由分立元器件或單片機(jī)組成的控制核心，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy;抗干擾能力差，故障率高，元件的分散性對保護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性影響很大;顯示采用普通數(shù)碼管或指示燈，不直觀。國外同類產(chǎn)品也普遍采用單片機(jī)系統(tǒng)組成，只是工藝水平較國內(nèi)高。但是，一旦出現(xiàn)故障，維修跟不上，影響生產(chǎn)。另外，國外產(chǎn)品價格極高，是國內(nèi)同類產(chǎn)品的十倍以上。 　　針對這種情況，研制開發(fā)了一種新型礦用隔爆型高壓真空電子配電開關(guān)。該裝置核心采用技術(shù)先進(jìn)的進(jìn)口工業(yè)可編程控制器PLC和人機(jī)界面GOT（液晶顯示器及設(shè)置鍵盤），構(gòu)成的智能型綜合保護(hù)控制器使該配電裝置既可靠又安全。可穩(wěn)定工作于條件惡劣的煤礦井下，可對對額定電壓6KV/10KV、額定頻率50Hz、額定電流50A～800A的三相交流中性點(diǎn)不直接接地的供電系統(tǒng)進(jìn)行控制、保護(hù)、計(jì)量，并具有過壓、欠壓、斷相、漏電、過載、短路保護(hù)等功能。 　　2.1配電開關(guān)工作原理 　　系統(tǒng)原理框圖如圖2。該配電開關(guān)的線路保護(hù)功能需在高壓互感器上采集三相電流、零序電流、一個線電壓、零序電壓、絕緣以及相敏共八路信號。這八路信號通過低壓互感器，然后經(jīng)過整流和濾波變成直流信號，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，最后進(jìn)入PLC以控制斷路器的分閘輸出。 [align=center] 圖2 配電開關(guān)工作原理 Fig 2 Feed Switch Operation Principle Block Diagram[/align] 　　PLC對進(jìn)入的電壓信號進(jìn)行計(jì)算，電壓計(jì)算結(jié)果大于1.2倍額定電壓，顯示過壓，過壓保護(hù)10s內(nèi)動作;電壓計(jì)算結(jié)果小于0.8倍額定電壓，顯示欠壓，欠壓保護(hù)10s內(nèi)動作;三相不平衡度計(jì)算結(jié)果大于0.7，顯示斷相，10～20s內(nèi)保護(hù)動作。電流計(jì)算結(jié)果中任何一相在6～10倍額定電流范圍內(nèi)，顯示短路，短路保護(hù)0.2s內(nèi)動作;電流計(jì)算結(jié)果中任何一相在1.2～6倍額定電流范圍內(nèi)時，顯示過載，過載保護(hù)按反時限特性動作。若線路發(fā)生漏電故障，根據(jù)相敏及電壓信號漏電保護(hù)動作，切斷線路。 　　2.2 硬件設(shè)計(jì) 　　PLC使用LG K7M-DR14UE可編程控制器。K7M-DR14UE是LG公司生產(chǎn)的適合于小型器械的Master-K系列中的一款經(jīng)濟(jì)型PLC，它為直流24V，8點(diǎn)輸入/繼電器6點(diǎn)輸出，電源AC85～264V。其處理速度達(dá)到0.4µs/步，無需擴(kuò)展，主機(jī)能夠執(zhí)行多種功能（1）允許主單元能夠捕獲脈寬為10µs的脈沖輸入，能夠接受單相100kHz，兩相50kHz的脈沖信號，適用于需要快速響應(yīng)的各種應(yīng)用場合;（2）輸入帶有濾波功能（0～1000ms），可防止由于輸入信號波動或外部干擾引起的誤動作;（3）內(nèi)置RS-232C和RS-485端口，可以與電腦或者觸摸屏等設(shè)備連接，而且可以在K7M-DR14UE系統(tǒng)之間進(jìn)行1：N連接。 　　由于需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此PLC需要擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換模塊，這里選用兩個G7F-AD2A，它為12位精度、4通道A/D轉(zhuǎn)換模塊，最大速度1ms/通道，其性能完全能滿足系統(tǒng)要求。八路信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)果存放在PLC的內(nèi)部寄存器中。 　　為了實(shí)現(xiàn)三相有功功率的計(jì)量，采用了貝嶺BL0952。BL0952是三相有功功率計(jì)量芯片，它的線性度高、輸出穩(wěn)定性好、低功耗及批量一致性好。該芯片24號管腳F1輸出脈沖信號，進(jìn)入PLC后，經(jīng)數(shù)值轉(zhuǎn)換得到系統(tǒng)功率后送人機(jī)界面顯示。 　　井上計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基于系統(tǒng)化、主站一體化的設(shè)計(jì)思想，以性能可靠的研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為平臺，利用VC++6.0為開發(fā)工具，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)對采集到的電能信息進(jìn)行處理和顯示，井上和井下的數(shù)據(jù)通過RS—485總線進(jìn)行傳輸。目前該監(jiān)控系統(tǒng)對8個井下配電開關(guān)進(jìn)行了監(jiān)控（見圖1）。 3 軟件設(shè)計(jì) 　　軟件分成井下隔爆配電開關(guān)控制器的軟件設(shè)計(jì)和井上計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 　　3.1 配電開關(guān)控制器軟件設(shè)計(jì) 　　控制器軟件部分利用梯形圖語言，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。開關(guān)裝置的1.2倍過載保護(hù)采樣值取自B相電流，當(dāng)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)大于1.2倍過載整定值時，PLC延時輸出信號控制斷路器跳閘，人機(jī)界面顯示過載故障畫面;短路保護(hù)采樣值取自A,C兩相電流值，當(dāng)任一值大于速斷設(shè)定值時，保護(hù)動作，顯示短路故障;PLC在每個掃描周期內(nèi)將三相電流值進(jìn)行比較,找出電流最大值然后分別減去其它兩相數(shù)據(jù)，當(dāng)差值大于設(shè)定電流值的70%時，經(jīng)延時15S后控制跳閘，顯示斷相故障畫面;PLC在每個掃描周期內(nèi)將線電壓采樣保護(hù)值與額定值進(jìn)行比較，當(dāng)采樣值低于額定電壓值的80%，或者高于額定電壓值的120%時控制斷路器跳閘，顯示欠過壓故障畫面;漏電故障發(fā)生時，PLC檢測到零序電壓信號，經(jīng)相敏電路后產(chǎn)生相敏信號，故障發(fā)生保護(hù)動作,跳閘并顯示漏電故障畫面，軟件流程如圖3。 　　3.2 井上計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由用戶管理界面程序和數(shù)據(jù)通信軟件程序兩部分構(gòu)成，管理界面設(shè)計(jì)得盡量簡單，方便管理人員操作;通信軟件設(shè)計(jì)除了完成正常數(shù)據(jù)通信外，還要能夠自動檢測各通信線路的通訊故障和報警信號，以便及時發(fā)現(xiàn)和排除故障。 　　實(shí)現(xiàn)該程序主要是windows下串行通信的問題，windows系統(tǒng)完全接管了硬件資源，不允許用戶直接控制串口的中斷，而要通過windows操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 [align=center] 圖3 可編程控制器軟件設(shè)計(jì)流程圖 Fig.3 Soft Frame Chart of the Programmable Logic Controller[/align] 　　本系統(tǒng)采用VC++的多線程串口編程工具Cserial類來解決這個問題。Cserial類是由第三方提供的，其基本原理是VC類庫中低層通信函數(shù)，利用多線程技術(shù)封裝而成，使各端口獨(dú)立，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)串行通信。為在多任務(wù)執(zhí)行方式下能響應(yīng)各種事件，要在CserialPort類庫中定義一個線程函數(shù)，CserialPort類完成讀、寫和串口的監(jiān)視，當(dāng)檢測到串口有相應(yīng)時，它發(fā)送消息通知程序，利用它編寫出的線程可以避免主程序堵塞。 　　UINT CserialPort :: Comm Thread（L PVOID p Param） 　?。?CserialPort ＊port=（ CserialPort ＊） p Param; 　　port->m_bThreadAlive=True; 　　if（port->m_hComm） PurgeComm（port->m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | PURGE_TXABORT）; 　　return 0; 　?。? 4 結(jié)論 　　該監(jiān)控系統(tǒng)由地上和地下兩部分組成，其研制也分兩步。首先研制出配電開關(guān)，其控制器以我國煤礦電氣設(shè)備特性為基礎(chǔ)，吸納了國際先進(jìn)的智能化技術(shù)和結(jié)構(gòu)形式，使用PLC控制系統(tǒng)代替分立電子元器件或單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對井下供電系統(tǒng)的控制、保護(hù)和計(jì)量，具有性能好、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)和開發(fā)周期快等特點(diǎn)。經(jīng)近兩年的現(xiàn)場運(yùn)行，已經(jīng)給企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。 　　計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用了K7M-DR14UE可編程控制器上專門的通信接口，該系統(tǒng)通過485總線和地面管理中心主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，管理中心可對井下配電裝置的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)視和控制。由于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)剛開發(fā)出不久，因此系統(tǒng)有待進(jìn)一步完善，可靠性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 井下隔爆配電開關(guān)的研制吸納了國際先進(jìn)的智能化技術(shù)和結(jié)構(gòu)形式，使用PLC控制系統(tǒng)代替分立電子元器件或單片機(jī)，即縮短了設(shè)備的開發(fā)周期，又增強(qiáng)了裝置的可靠性。 參考文獻(xiàn) 　　[1]侯書銘，徐德民，許化龍.PLC編程口與上位機(jī)之間通信各式的獲取方法[J] .計(jì)算機(jī)測量與控制，2006（6）：818-820. 　　[2]李鑫，郭鳳儀，王國強(qiáng)等.新型礦用隔爆饋電開關(guān)智能保護(hù)器德研究[J].電氣應(yīng)用，2005（11）：53-55. 　　[3]蔣志麗，吳建賓，馬宏.用于隔爆饋電開關(guān)的一種智能型低壓真空斷路器[J].煤礦機(jī)電，2005（5）：45-50. 　　[4]王國臣.礦井安全綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展[J].煤炭技術(shù)，2006（8）：65-67. 　　[5]詹林.礦用單片機(jī)綜合開關(guān)保護(hù)器[J]. 煤礦機(jī)械，2005（11）：119-121. 　　[6] 蔡俊，姚萌. 基于Z8F6423的煤礦安全系統(tǒng)井下智能終端設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（20）:94-96.