組合智能開關(guān)在綜采工作面的應(yīng)用

桑宗其，楊澤進(jìn)

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，太原 030001）

礦井綜采工作面主要有轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等大型用電設(shè)備，若配置QJZ-400/1140S、QJZ-300/1140S、KBZ-400/1140 等型號(hào)的真空磁力啟動(dòng)器時(shí)存在以下缺點(diǎn)：①設(shè)備數(shù)量多，投資大。②有限空間設(shè)備過(guò)于集中，不易管理，不便檢修。③對(duì)于雙機(jī)雙速輸送機(jī)等設(shè)備采用單一開關(guān)控制欠妥[1]。

山西天地王坡煤業(yè)有限公司3101綜采工作面采用HT6L-400/1140型礦用隔爆兼本安型組合式智能開關(guān)解決了上述問(wèn)題。

1 組合智能開關(guān)的功能特點(diǎn)與PLC

1）功能特點(diǎn)。①組合智能開關(guān)內(nèi)嵌有本安型先導(dǎo)模塊，并能有效防止控制線路斷電、短路、接地引發(fā)的開關(guān)自啟發(fā)生。②組合智能開關(guān)控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)均用西門子的PLC對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控，完成短路、過(guò)載、斷相、失壓、欠壓、漏電閉鎖或?qū)ΨQ性與選擇性漏電功能，具有性能穩(wěn)定、保護(hù)齊全、智能化高、動(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)。③采用觸摸式全中文液晶顯示屏（西門子），能對(duì)開關(guān)的工作參數(shù)、狀態(tài)、故障類型進(jìn)行記憶和顯示，用戶界面還有良好的人機(jī)對(duì)話功能，能提高排除故障和判斷故障的效率。④將全部模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，具有信息量大、接線簡(jiǎn)捷、抗干擾功能力強(qiáng)、控制準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)。⑤具有良好的自檢、自診斷、故障模擬試驗(yàn)功能，便于工作人員對(duì)故障的檢查與排除。

2）PLC是可編程控制器的簡(jiǎn)稱，是通用型自動(dòng)裝置，能把計(jì)算機(jī)控制和傳統(tǒng)繼電器控制相結(jié)合。PLC能把連續(xù)物理變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換器把物理變量轉(zhuǎn)換為電流或電壓等信號(hào)，再通過(guò)PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)發(fā)送到PLC微處理；其輸出的信號(hào)再經(jīng)PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變成電流或電壓等信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。PLC具有下列特點(diǎn)[2]：①功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單、可靠性高、體積小、使用方便。②模塊化結(jié)構(gòu)的控制電路，維護(hù)更換較方便，還能顯示故障類型。③操作較簡(jiǎn)單，信號(hào)顯示更加形象和直觀。④性價(jià)比較高。⑤編程軟件為應(yīng)用型，基于Windows平臺(tái)，可把電腦當(dāng)作編程器開發(fā)用戶程序，并能實(shí)時(shí)在線監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。

2 電氣工作原理

1)保護(hù)系統(tǒng)。①過(guò)載與短路保護(hù)。采用鑒付式保護(hù)原理，通過(guò)I/V變換器把電流取樣輸入PLC作處理，且與CPU設(shè)定的電流值作比較，PLC按照比較結(jié)果發(fā)出指令，進(jìn)而斷開相應(yīng)的故障回路，顯示屏還顯示與記憶故障類型及出現(xiàn)故障時(shí)的參數(shù)。②漏電閉鎖：采用附加直流檢測(cè)原理，在接觸器閉合之前，若被控回路設(shè)定的整定值為正確，漏電閉鎖繼電器將閉合，PLC對(duì)漏電信號(hào)作檢測(cè)。若漏電閉鎖設(shè)定值高于負(fù)荷線路上絕緣電阻值，PLC就會(huì)閉鎖故障回路，這時(shí)啟動(dòng)操作無(wú)法進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)漏電閉鎖，顯示屏還顯示故障類型，以便工作人員及時(shí)排除故障。③過(guò)壓與欠壓保護(hù)：欠壓與過(guò)壓信號(hào)是直接經(jīng)PLC采樣，由內(nèi)部整流后與設(shè)定值作比較。若采樣值高于或低于設(shè)定的過(guò)壓與欠壓值，開關(guān)在啟動(dòng)之前將延時(shí)閉鎖全部回路，不能執(zhí)行啟動(dòng)操作，此時(shí)顯示屏顯示故障類型。當(dāng)系統(tǒng)的電壓恢復(fù)到允許值范圍時(shí)，開關(guān)將自動(dòng)解鎖，執(zhí)行啟動(dòng)操作。啟動(dòng)后，則過(guò)壓與欠壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)延時(shí)跳閘。④斷相保護(hù)：利用電流不平衡的原理，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將分時(shí)采樣的信號(hào)提供給PLC，其采樣值和預(yù)先設(shè)定的整定值作比較。如果比較值小于采樣值，則相應(yīng)故障回路的保護(hù)裝置起動(dòng)，人機(jī)交互界面記憶故障類別及信息。⑤故障(漏電、短路)模擬試驗(yàn)：漏電繼電器K001、短路繼電器K002的電源回路中串接著六個(gè)回路主控制繼電器的常閉接點(diǎn)，若有任意一個(gè)回路處于運(yùn)行狀態(tài)就不進(jìn)行試驗(yàn)，見圖1；圖中0表示正常運(yùn)行，1表示漏電試驗(yàn)，2表示短路試驗(yàn)。

圖1 漏電、短路試驗(yàn)電器原理圖

2）控制步驟及方式。①組合智能開關(guān)能按井下綜采面的工況實(shí)行單回路控制方式運(yùn)行、多回路程序控制方式運(yùn)行、雙機(jī)雙速雙回路控制方式運(yùn)行、單機(jī)雙速雙回路控制方式運(yùn)行。②當(dāng)工作面的工作條件較惡劣、片幫嚴(yán)重、浮煤浮矸較多時(shí)，刮板輸送機(jī)容易出現(xiàn)被壓死的現(xiàn)象，采用雙機(jī)雙速雙回路啟動(dòng)方式，可在低速條件下啟動(dòng)以增大啟動(dòng)力矩，在給定條件下可自動(dòng)投入到高速運(yùn)行。具體控制步驟如下。③先將組合智能開關(guān)的高低速切換開關(guān)置于“高速”運(yùn)行位置，由低速擋向高速擋自動(dòng)切換過(guò)程的控制方式是以電流為主、時(shí)間為輔的。④按下設(shè)置在遠(yuǎn)方的啟動(dòng)按鈕，先導(dǎo)電路中的繼電器閉合，同時(shí)向PLC執(zhí)行啟動(dòng)命令，機(jī)頭和機(jī)尾漏電檢測(cè)繼電器被釋放，機(jī)頭低速中間繼電器和機(jī)頭低速主接觸器閉合，機(jī)頭電機(jī)投入低速作運(yùn)行。經(jīng)過(guò)一段延時(shí)，機(jī)尾低速中間繼電器才閉合，機(jī)尾低速主接觸器也閉合，機(jī)尾的電機(jī)正式投入低速運(yùn)行。⑤低速啟動(dòng)后，當(dāng)電流降到PLC給定值時(shí)，機(jī)頭和機(jī)尾中間的繼電器被釋放，主接觸器就會(huì)斷開，電機(jī)低速繞組也被斷開，此時(shí)機(jī)頭和機(jī)尾的高速中間繼電器將閉合，且同時(shí)主接觸器閉合，電機(jī)轉(zhuǎn)入高速運(yùn)行狀態(tài)。⑥若低速運(yùn)行時(shí)電流未能降低到PLC給定值時(shí)，將一直維持在低速運(yùn)行狀態(tài)。若啟動(dòng)后運(yùn)行電流立即降低到PLC給定值時(shí)，通過(guò)延時(shí)，電機(jī)將投入高速運(yùn)行狀態(tài)。若需在低速條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，則把開關(guān)上的高低速切換開關(guān)置于“低”檔運(yùn)行位置，即能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行。⑦按下遠(yuǎn)方的停止按鈕，先導(dǎo)繼電器就會(huì)失電，且同時(shí)會(huì)向PLC作出停止命令，機(jī)頭和機(jī)尾中間的繼電器被釋放，主接觸器將斷開，電機(jī)立即停止運(yùn)行。通過(guò)延時(shí)，漏電檢測(cè)繼電器閉合，投入到漏電檢測(cè)狀態(tài)，這就能再次進(jìn)行啟動(dòng)操作。⑧電機(jī)在上述任意一種控制方式下運(yùn)行，只要向外拉動(dòng)對(duì)應(yīng)的隔離換向開關(guān)手柄，都可使正在運(yùn)行的電機(jī)立即停止運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)就地停止功能。⑨本礦井在綜采工作面把各回路的先導(dǎo)線路接入到TK200通訊控制一體化系統(tǒng)中，進(jìn)行綜合控制與監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)預(yù)警信號(hào)和通信功能，保證安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

3 組合智能開關(guān)抗干擾功能的設(shè)計(jì)

由于電氣設(shè)備的存在，尤其是高壓高頻電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沖擊、大電流運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)及電網(wǎng)諧波等干擾因素的存在，將威脅到控制系統(tǒng)的運(yùn)行和通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、安全、暢通。故按各干擾源情況采取如下措施[3]：①接地處理：PLC采用單獨(dú)的專用接地處理。②模擬量輸入信號(hào)濾波：對(duì)電氣設(shè)備的電流、電源等模擬量信號(hào)應(yīng)在輸入PLC模擬量通道之前，先通過(guò)信號(hào)隔離器去除通道中的串模干擾，在確保有用信號(hào)不會(huì)衰減的前提下，最大限度衰減高頻干擾，提高通道中的信噪比。③模擬量通道的屏蔽：模擬量信號(hào)的輸入導(dǎo)線，采用有屏蔽的雙絞線電纜，以降低電磁耦合干擾與輻射干擾。④工作電源：工作電源為先導(dǎo)回路二次隔離后供給PLC；在隔離大功率設(shè)備電位基礎(chǔ)的同時(shí)，還對(duì)電網(wǎng)絕緣電阻監(jiān)測(cè)。⑤程序設(shè)計(jì)干擾處理：對(duì)模擬量輸入信號(hào)，通常需用延時(shí)濾波技術(shù)消除瞬時(shí)干擾。對(duì)于數(shù)字量信號(hào)的輸入，采用鎖存與指令對(duì)比技術(shù)，降低錯(cuò)誤信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

組合智能開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)了集中控制，減少了冗余設(shè)備，提高了生產(chǎn)效率。②組合智能開關(guān)自動(dòng)化水平高、性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)單、故障率低、維護(hù)量小，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。③能自動(dòng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、顯示故障情況，并自動(dòng)排除故障或中止故障的擴(kuò)大蔓延，從而提高了安全可靠性。④有多種控制方式運(yùn)行，并保護(hù)與控制系統(tǒng)采用S7-200可編程控制器PLC，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

[1] 于成龍.攀鋼加熱爐電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)研制[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22(4):109-113.

[2] 劉明超.Siemens PLC在轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].甘肅冶金，2010，32(2):92-95.

[3] 孫一奇.基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的掘進(jìn)工作面多局部通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006.