关键词：K7M-DR14UE 隔爆配电开关 监控系统 Cserial类
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
随着我国煤矿企业开采水平的提高，井下矿用隔爆型高压真空电子配电开关已得到大量应用，但国内此类产品还存在不少问题。针对当前国内矿用隔爆配电开关结构复杂，保护性能差的问题，研制了一种新型矿用隔爆型高压真空电子配电开关。配以井上计算机监控系统，构成了煤矿井下电力监控系统。
利用该系统可在地面管理中心，对井下配电装置的各种参数进行实时地监视和控制,极大地缩短了井下电力线路问题的发现时间，降低了管理员的工作强度，提高了企业的生产效率。
1 系统结构
井上计算机监控系统由地面主站监控设备（工控机）、打印机、PCL—745B双口隔离485接口卡和通信线路（RS—485总线）构成。打印机负责打印各种报表，接口卡通过通信线路与井下配电开关控制器中PLC 的RS—485接口相连接，完成数据通信。该系统负责对来自井下配电开关的电能信息进行处理和显示，系统功能结构如图1所示。
使用该系统，地面管理中心人员可观察到井下所有被监控的电网中的参数。当出现故障时，计算机能及时地发出报警信号，使维修人员能在最短的时间内到达事故现场，排除故障，恢复生产。本系统可完成以下功能：
（1）井下电网参数的显示和记录，如ABC三相的电流、零序电流、线电压、零序电压、绝缘信号和相敏信号。
（2）故障的报警和定位。当井下设备发生如过压、欠压、断相、漏电、过载、短路等故障时，利用系统的声光报警功能，可精确显示故障设备的故障性质和位置。
图1 计算机监控系统框图
Fig 1 Computer Monitored Control System Block Diagram
（3）生成每台配电开关的电能统计日、月、年报表，并可打印，以方便电能消耗的统计。
（4）实现多种查询功能，如井下电网参数的历史记录查询、报表查询、报警记录查询等。
2 井下隔爆配电开关
目前国内该类产品一般是由分立元器件或单片机组成的控制核心，结构复杂，安装调试困难;抗干扰能力差，故障率高，元件的分散性对保护的可靠性和稳定性影响很大;显示采用普通数码管或指示灯，不直观。国外同类产品也普遍采用单片机系统组成，只是工艺水平较国内高。但是，一旦出现故障，维修跟不上，影响生产。另外，国外产品价格极高，是国内同类产品的十倍以上。
针对这种情况，研制开发了一种新型矿用隔爆型高压真空电子配电开关。该装置核心采用技术先进的进口工业可编程控制器PLC和人机界面GOT（液晶显示器及设置键盘），构成的智能型综合保护控制器使该配电装置既可靠又安全。可稳定工作于条件恶劣的煤矿井下，可对对额定电压6KV/10KV、额定频率50Hz、额定电流50A～800A的三相交流中性点不直接接地的供电系统进行控制、保护、计量，并具有过压、欠压、断相、漏电、过载、短路保护等功能。
2.1配电开关工作原理
系统原理框图如图2。该配电开关的线路保护功能需在高压互感器上采集三相电流、零序电流、一个线电压、零序电压、绝缘以及相敏共八路信号。这八路信号通过低压互感器，然后经过整流和滤波变成直流信号，进入A/D转换器，最后进入PLC以控制断路器的分闸输出。
图2 配电开关工作原理
Fig 2 Feed Switch Operation Principle Block Diagram
PLC对进入的电压信号进行计算，电压计算结果大于1.2倍额定电压，显示过压，过压保护10s内动作;电压计算结果小于0.8倍额定电压，显示欠压，欠压保护10s内动作;三相不平衡度计算结果大于0.7，显示断相，10～20s内保护动作。电流计算结果中任何一相在6～10倍额定电流范围内，显示短路，短路保护0.2s内动作;电流计算结果中任何一相在1.2～6倍额定电流范围内时，显示过载，过载保护按反时限特性动作。若线路发生漏电故障，根据相敏及电压信号漏电保护动作，切断线路。
2.2 硬件设计
PLC使用LG K7M-DR14UE可编程控制器。K7M-DR14UE是LG公司生产的适合于小型器械的Master-K系列中的一款经济型PLC，它为直流24V，8点输入/继电器6点输出，电源AC85～264V。其处理速度达到0.4µs/步，无需扩展，主机能够执行多种功能（1）允许主单元能够捕获脉宽为10µs的脉冲输入，能够接受单相100kHz，两相50kHz的脉冲信号，适用于需要快速响应的各种应用场合;（2）输入带有滤波功能（0～1000ms），可防止由于输入信号波动或外部干扰引起的误动作;（3）内置RS-232C和RS-485端口，可以与电脑或者触摸屏等设备连接，而且可以在K7M-DR14UE系统之间进行1：N连接。
由于需要进行A/D转换，因此PLC需要扩展A/D转换模块，这里选用两个G7F-AD2A，它为12位精度、4通道A/D转换模块，最大速度1ms/通道，其性能完全能满足系统要求。八路信号经A/D转换，结果存放在PLC的内部寄存器中。
为了实现三相有功功率的计量，采用了贝岭BL0952。BL0952是三相有功功率计量芯片，它的线性度高、输出稳定性好、低功耗及批量一致性好。该芯片24号管脚F1输出脉冲信号，进入PLC后，经数值转换得到系统功率后送人机界面显示。
井上计算机监控系统基于系统化、主站一体化的设计思想，以性能可靠的研华工业控制计算机为平台，利用VC++6.0为开发工具，结合数据库技术对采集到的电能信息进行处理和显示，井上和井下的数据通过RS—485总线进行传输。目前该监控系统对8个井下配电开关进行了监控（见图1）。
3 软件设计
软件分成井下隔爆配电开关控制器的软件设计和井上计算机监控系统的软件设计。
3.1 配电开关控制器软件设计
控制器软件部分利用梯形图语言，采用模块化设计方法。开关装置的1.2倍过载保护采样值取自B相电流，当寄存器内数据大于1.2倍过载整定值时，PLC延时输出信号控制断路器跳闸，人机界面显示过载故障画面;短路保护采样值取自A,C两相电流值，当任一值大于速断设定值时，保护动作，显示短路故障;PLC在每个扫描周期内将三相电流值进行比较,找出电流最大值然后分别减去其它两相数据，当差值大于设定电流值的70%时，经延时15S后控制跳闸，显示断相故障画面;PLC在每个扫描周期内将线电压采样保护值与额定值进行比较，当采样值低于额定电压值的80%，或者高于额定电压值的120%时控制断路器跳闸，显示欠过压故障画面;漏电故障发生时，PLC检测到零序电压信号，经相敏电路后产生相敏信号，故障发生保护动作,跳闸并显示漏电故障画面，软件流程如图3。
3.2 井上计算机监控系统软件设计
监控系统软件主要由用户管理界面程序和数据通信软件程序两部分构成，管理界面设计得尽量简单，方便管理人员操作;通信软件设计除了完成正常数据通信外，还要能够自动检测各通信线路的通讯故障和报警信号，以便及时发现和排除故障。
实现该程序主要是windows下串行通信的问题，windows系统完全接管了硬件资源，不允许用户直接控制串口的中断，而要通过windows操作系统提供的设备驱动程序进行数据交换。
图3 可编程控制器软件设计流程图
Fig.3 Soft Frame Chart of the Programmable Logic Controller
本系统采用VC++的多线程串口编程工具Cserial类来解决这个问题。Cserial类是由第三方提供的，其基本原理是VC类库中低层通信函数，利用多线程技术封装而成，使各端口独立，准确地实现串行通信。为在多任务执行方式下能响应各种事件，要在CserialPort类库中定义一个线程函数，CserialPort类完成读、写和串口的监视，当检测到串口有相应时，它发送消息通知程序，利用它编写出的线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 结论
该监控系统由地上和地下两部分组成，其研制也分两步。首先研制出配电开关，其控制器以我国煤矿电气设备特性为基础，吸纳了国际先进的智能化技术和结构形式，使用PLC控制系统代替分立电子元器件或单片机，实现了对井下供电系统的控制、保护和计量，具有性能好、可靠性高、稳定性强和开发周期快等特点。经近两年的现场运行，已经给企业带来了较好的经济效益。
计算机监控系统利用了K7M-DR14UE可编程控制器上专门的通信接口，该系统通过485总线和地面管理中心主机实现通信，管理中心可对井下配电装置的各种参数进行实时地监视和控制。由于计算机监控系统刚开发出不久，因此系统有待进一步完善，可靠性还需进一步验证。
本文作者创新点: 井下隔爆配电开关的研制吸纳了国际先进的智能化技术和结构形式，使用PLC控制系统代替分立电子元器件或单片机，即缩短了设备的开发周期，又增强了装置的可靠性。
参考文献
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