北京和利時自動化驅動技術有限公司 徐毓軍 侯愛林 王國鋒

 

摘  要： 組合開關通常使用可編程控制器（PLC）作為其核心控制和保護元件，但通用PLC在組合開關應用時由于無法克服的交流信號直接采樣問題，從而導致產品的保護性能和可靠性無法滿足現場要求。針對以上問題，和利時開發出專用PLC，對組合開關進行了量身定制，在為用戶產品帶來更高性能的同時降低了用戶的使用成本。本文詳細地介紹了和利時組合開關專用PLC的方案和產品。

 

關鍵詞：  組合開關 可編程控制器  交流采集

 

1.引言

礦用組合開關具有簡化電纜連接、減少設備空間、降低線路電壓損耗、使用維護方便等特點，在煤礦有著廣泛的應用。

由于礦用組合開關使用場合復雜、組合種類繁多，而且每種開關的生產量都不夠大，相對于使用固定程序的單片機控制器，組合開關更適合使用可編程控制器（PLC）作為其核心控制和保護元件。PLC在組合開關上的使用，不僅提高了設備的可靠性，更使得用戶可以靈活地改變程序邏輯來適應客戶和現場各種各樣的控制需求。

 

目前國內的主流組合開關廠家在選擇PLC時，主要有兩種選擇：選擇和利時獨創的組合開關專用PLC或選擇通用PLC，比如西門子S7-200系列。

 

和利時專用PLC針對通用PLC的不足，對組合開關進行了量身定制，在為用戶產品帶來更高性能的同時降低了用戶的使用成本，已經成為組合開關的首選控制器。

 

本文詳細地介紹了和利時組合開關專用PLC的方案和產品，并與通用PLC進行了比較。

 

2. 專用方案

組合開關保護與控制系統采用和利時公司可編程控制器，對系統進行監測控制，并完成漏電閉鎖、過載、短路、斷相、欠壓和過壓等保護功能；具有智能化高、性能穩定、動作可靠等特點。人機界面選用和利時HT6000系列觸摸屏，具有良好的人機對話功能。

 

本方案采用和利時LM小型PLC作為控制系統的主控制器。接收先導回路起動信號，及控制方式設定；采集每一個回路的參數并進行保護，各回路工作參數和故障信息；根據設定控制方式采取相應的起動和停止方式；輸出起停信號給操作機構，通過控制中間繼電器的分合來控制真空接觸器的分斷和吸合；接收真空接觸器輔助觸點的反饋信號，實現對多個回路的閉環控制；給人機界面提供顯示信息，包括：工作狀態、故障參數和設定信息。所有參數都可以在觸摸屏上進行顯示和設定， PLC通過以RS-232串口和觸摸屏進行通訊，并預留RS-485通信口和上一級通訊分站進行通訊。

 

系統整體性能具有如下特點：

         控制系統采用先進的LM3316B，LM3313K模塊直接進行交流采樣，省去變送設備，提高采集速度，增加可靠性，降低了成本。

         組合方式靈活，可根據客戶的不同要求編制不同的程序，實現不同的功能，滿足井下各種負荷組合。

         控制系統在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行。系統組件的的設計符合真正的工業等級，滿足國內、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固，抗腐蝕，適應較寬的溫度變化范圍。

         系統具備良好的電磁兼容性，能夠承受工業環境的嚴格要求，平均無故障間隔時間（MTBF） 1×105小時。

 

3. 產品介紹

目前大部分組合開關應用的PLC保護控制系統，雖然可以完成電動機的過載、短路、漏電閉鎖和絕緣監測等保護功能，但是需要在PLC外圍加上由分立元件和小規模集成元件組成的保護電路，不僅增加了空間，而且元件的分散性和對保護的可靠性和穩定性影響很大。主要原因是：

 

        由于普通PLC信號輸入都是直流輸入，組合開關中采集電壓和電流信號都需要轉換成直流信號，這樣增加了成本，而且還降低了可靠性，在使用中也發現，組合開關故障多發生在信號變送裝置；

 

          組合開關一般都是給大功率的三相異步電機供電，對短路保護要求比較靈敏，而要求短路保護時間短，就要求PLC處理速度快，同時減少信號采集時間，普通的直流采集無法滿足保護的時間要求；

 

         在部分需要顯示交流電量（電壓、電流、功率）的場合，用戶無法使用現有的PLC模塊來完成，必須另外購買單獨的電量采集模塊通過串口接入系統，影響了系統的性能和協調性。

 

針對以上問題，和利時公司開發出了6路交流電流直接輸入的模擬量處理模塊LM3316A、7路超前漏電檢測\1路交流電壓輸入模塊LM3313K和LM3317交流電量采集模塊。

 

LM3316A采用交流采集芯片，采集信號時間在毫秒量級，完成6路交流電流的測量與過流判斷，并提供2路繼電器保護輸出。6路交流電流分成2組，每組對應三相交流電流輸入，量程0~8A(有效值)。用戶可分別設定每組的過流門限值，LM3316A模塊采集電流量并與門限值進行比較，若發生過流則完成保護動作，從過流事件發生到模塊完成保護動作完成，響應時間約為100ms。

 

LM3313K在正常8路模擬量輸入模塊的基礎上，7通道超前漏電檢測增加運算放大器，產生一個需要檢測漏電電阻用的附加直流電源，這樣直接在通道上直接加上一個電阻，就可以直接產生一個10V以內的直流電壓供模塊采集計算。1路交流電壓通道用來測量組合開關的系統電壓，系統電壓通過變壓器變成220V以內的交流電壓，這路通道通過半波整流將220V變為0~10V的直流電壓，供模塊采集計算。

 

LM3317可完成三相交流電壓和電流的測量，并可進行過流判斷，提供1路繼電器保護輸出。用戶設定電流信號的過流門限值后，LM3317模塊采集電流并與門限值進行比較，若發生過流則完成保護動作，響應時間約為100ms。

 

以六組合為例，采用和利時PLC為控制系統的核心，完成對主回路的通斷控制，當線路出現漏電、過流、過載、三相不平衡等故障時，由相應的程序進行保護，使啟動器分斷，并給予故障顯示。主回路設三臺隔離換向開關，稱為三個系統。每個系統控制方式可分為單臺控制、延時控制、單回路雙速控制、雙回路雙速控制等，達到了相互組合，混合控制的目的，再將三個系統控制方式進行組合，根據控制方式的不同，PLC控制主回路的通斷，每一回路之間可任意組合。

 

4.結束語

和利時在2010年推出組合開關專用PLC，創造性地把電力保護和可編程技術結合在一起，解決了通用PLC在組合開關應用時無法克服的交流信號直接采樣問題，提高了產品的性能、減少了安裝空間、降低了使用成本。

 

三年多的現場使用使得該產品積累了大量的使用經驗，實踐表明該產品具有良好的抗干擾能力和可靠性，適合于在煤礦井下環境使用。