摘 要：本文介紹了一種煤礦井下電力監控系統，該系統由井下隔爆配電開關和井上計算機監控系統構成。井下隔爆配電開關以K7M-DR14UE可編程控制器為控制核心，井上計算機監控系統由VC++開發而成，可實時監測井下電網參數，并及時顯示和報警過欠壓、斷相、漏電、過載、短路等故障。 關鍵詞：K7M-DR14UE 隔爆配電開關 監控系統 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 　　隨著我國煤礦企業開采水平的提高，井下礦用隔爆型高壓真空電子配電開關已得到大量應用，但國內此類產品還存在不少問題。針對當前國內礦用隔爆配電開關結構復雜，保護性能差的問題，研制了一種新型礦用隔爆型高壓真空電子配電開關。配以井上計算機監控系統，構成了煤礦井下電力監控系統。 　　利用該系統可在地面管理中心，對井下配電裝置的各種參數進行實時地監視和控制,極大地縮短了井下電力線路問題的發現時間，降低了管理員的工作強度，提高了企業的生產效率。 1 系統結構 　　井上計算機監控系統由地面主站監控設備（工控機）、打印機、PCL—745B雙口隔離485接口卡和通信線路（RS—485總線）構成。打印機負責打印各種報表，接口卡通過通信線路與井下配電開關控制器中PLC 的RS—485接口相連接，完成數據通信。該系統負責對來自井下配電開關的電能信息進行處理和顯示，系統功能結構如圖1所示。 　　使用該系統，地面管理中心人員可觀察到井下所有被監控的電網中的參數。當出現故障時，計算機能及時地發出報警信號，使維修人員能在最短的時間內到達事故現場，排除故障，恢復生產。本系統可完成以下功能： 　　（1）井下電網參數的顯示和記錄，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。 　　（2）故障的報警和定位。當井下設備發生如過壓、欠壓、斷相、漏電、過載、短路等故障時，利用系統的聲光報警功能，可精確顯示故障設備的故障性質和位置。 [align=center] 圖1 計算機監控系統框圖 Fig 1 Computer Monitored Control System Block Diagram[/align] 　　（3）生成每臺配電開關的電能統計日、月、年報表，并可打印，以方便電能消耗的統計。 　　（4）實現多種查詢功能，如井下電網參數的歷史記錄查詢、報表查詢、報警記錄查詢等。 2 井下隔爆配電開關 　　目前國內該類產品一般是由分立元器件或單片機組成的控制核心，結構復雜，安裝調試困難;抗干擾能力差，故障率高，元件的分散性對保護的可靠性和穩定性影響很大;顯示采用普通數碼管或指示燈，不直觀。國外同類產品也普遍采用單片機系統組成，只是工藝水平較國內高。但是，一旦出現故障，維修跟不上，影響生產。另外，國外產品價格極高，是國內同類產品的十倍以上。 　　針對這種情況，研制開發了一種新型礦用隔爆型高壓真空電子配電開關。該裝置核心采用技術先進的進口工業可編程控制器PLC和人機界面GOT（液晶顯示器及設置鍵盤），構成的智能型綜合保護控制器使該配電裝置既可靠又安全。可穩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的三相交流中性點不直接接地的供電系統進行控制、保護、計量，并具有過壓、欠壓、斷相、漏電、過載、短路保護等功能。 　　2.1配電開關工作原理 　　系統原理框圖如圖2。該配電開關的線路保護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，然后經過整流和濾波變成直流信號，進入A/D轉換器，最后進入PLC以控制斷路器的分閘輸出。 [align=center] 圖2 配電開關工作原理 Fig 2 Feed Switch Operation Principle Block Diagram[/align] 　　PLC對進入的電壓信號進行計算，電壓計算結果大于1.2倍額定電壓，顯示過壓，過壓保護10s內動作;電壓計算結果小于0.8倍額定電壓，顯示欠壓，欠壓保護10s內動作;三相不平衡度計算結果大于0.7，顯示斷相，10～20s內保護動作。電流計算結果中任何一相在6～10倍額定電流范圍內，顯示短路，短路保護0.2s內動作;電流計算結果中任何一相在1.2～6倍額定電流范圍內時，顯示過載，過載保護按反時限特性動作。若線路發生漏電故障，根據相敏及電壓信號漏電保護動作，切斷線路。 　　2.2 硬件設計 　　PLC使用LG K7M-DR14UE可編程控制器。K7M-DR14UE是LG公司生產的適合于小型器械的Master-K系列中的一款經濟型PLC，它為直流24V，8點輸入/繼電器6點輸出，電源AC85～264V。其處理速度達到0.4µs/步，無需擴展，主機能夠執行多種功能（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的各種應用場合;（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）內置RS-232C和RS-485端口，可以與電腦或者觸摸屏等設備連接，而且可以在K7M-DR14UE系統之間進行1：N連接。 　　由于需要進行A/D轉換，因此PLC需要擴展A/D轉換模塊，這里選用兩個G7F-AD2A，它為12位精度、4通道A/D轉換模塊，最大速度1ms/通道，其性能完全能滿足系統要求。八路信號經A/D轉換，結果存放在PLC的內部寄存器中。 　　為了實現三相有功功率的計量，采用了貝嶺BL0952。BL0952是三相有功功率計量芯片，它的線性度高、輸出穩定性好、低功耗及批量一致性好。該芯片24號管腳F1輸出脈沖信號，進入PLC后，經數值轉換得到系統功率后送人機界面顯示。 　　井上計算機監控系統基于系統化、主站一體化的設計思想，以性能可靠的研華工業控制計算機為平臺，利用VC++6.0為開發工具，結合數據庫技術對采集到的電能信息進行處理和顯示，井上和井下的數據通過RS—485總線進行傳輸。目前該監控系統對8個井下配電開關進行了監控（見圖1）。 3 軟件設計 　　軟件分成井下隔爆配電開關控制器的軟件設計和井上計算機監控系統的軟件設計。 　　3.1 配電開關控制器軟件設計 　　控制器軟件部分利用梯形圖語言，采用模塊化設計方法。開關裝置的1.2倍過載保護采樣值取自B相電流，當寄存器內數據大于1.2倍過載整定值時，PLC延時輸出信號控制斷路器跳閘，人機界面顯示過載故障畫面;短路保護采樣值取自A,C兩相電流值，當任一值大于速斷設定值時，保護動作，顯示短路故障;PLC在每個掃描周期內將三相電流值進行比較,找出電流最大值然后分別減去其它兩相數據，當差值大于設定電流值的70%時，經延時15S后控制跳閘，顯示斷相故障畫面;PLC在每個掃描周期內將線電壓采樣保護值與額定值進行比較，當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;漏電故障發生時，PLC檢測到零序電壓信號，經相敏電路后產生相敏信號，故障發生保護動作,跳閘并顯示漏電故障畫面，軟件流程如圖3。 　　3.2 井上計算機監控系統軟件設計 　　監控系統軟件主要由用戶管理界面程序和數據通信軟件程序兩部分構成，管理界面設計得盡量簡單，方便管理人員操作;通信軟件設計除了完成正常數據通信外，還要能夠自動檢測各通信線路的通訊故障和報警信號，以便及時發現和排除故障。 　　實現該程序主要是windows下串行通信的問題，windows系統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操作系統提供的設備驅動程序進行數據交換。 [align=center] 圖3 可編程控制器軟件設計流程圖 Fig.3 Soft Frame Chart of the Programmable Logic Controller[/align] 　　本系統采用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，利用多線程技術封裝而成，使各端口獨立，準確地實現串行通信。為在多任務執行方式下能響應各種事件，要在CserialPort類庫中定義一個線程函數，CserialPort類完成讀、寫和串口的監視，當檢測到串口有相應時，它發送消息通知程序，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 結論 　　該監控系統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，其控制器以我國煤礦電氣設備特性為基礎，吸納了國際先進的智能化技術和結構形式，使用PLC控制系統代替分立電子元器件或單片機，實現了對井下供電系統的控制、保護和計量，具有性能好、可靠性高、穩定性強和開發周期快等特點。經近兩年的現場運行，已經給企業帶來了較好的經濟效益。 　　計算機監控系統利用了K7M-DR14UE可編程控制器上專門的通信接口，該系統通過485總線和地面管理中心主機實現通信，管理中心可對井下配電裝置的各種參數進行實時地監視和控制。由于計算機監控系統剛開發出不久，因此系統有待進一步完善，可靠性還需進一步驗證。 　　本文作者創新點: 井下隔爆配電開關的研制吸納了國際先進的智能化技術和結構形式，使用PLC控制系統代替分立電子元器件或單片機，即縮短了設備的開發周期，又增強了裝置的可靠性。 參考文獻 　　[1]侯書銘，徐德民，許化龍.PLC編程口與上位機之間通信各式的獲取方法[J] .計算機測量與控制，2006（6）：818-820. 　　[2]李鑫，郭鳳儀，王國強等.新型礦用隔爆饋電開關智能保護器德研究[J].電氣應用，2005（11）：53-55. 　　[3]蔣志麗，吳建賓，馬宏.用于隔爆饋電開關的一種智能型低壓真空斷路器[J].煤礦機電，2005（5）：45-50. 　　[4]王國臣.礦井安全綜合視頻監控系統的發展[J].煤炭技術，2006（8）：65-67. 　　[5]詹林.礦用單片機綜合開關保護器[J]. 煤礦機械，2005（11）：119-121. 　　[6] 蔡俊，姚萌. 基于Z8F6423的煤礦安全系統井下智能終端設計[J].微計算機信息，2006（20）:94-96.