探究煤礦井下電氣設(shè)備功能電路模塊的設(shè)計(jì)

高林春

（榆林神華能源責(zé)任有限公司郭家灣煤礦分公司 陜西榆林 719408）

探究煤礦井下電氣設(shè)備功能電路模塊的設(shè)計(jì)

高林春

（榆林神華能源責(zé)任有限公司郭家灣煤礦分公司 陜西榆林 719408）

煤礦的開采環(huán)境非常潮濕，因此在這種潮濕的環(huán)境中，井下電氣設(shè)備極易發(fā)生事故，從而危及煤礦井下的安全生產(chǎn)，甚至引發(fā)嚴(yán)重后果的安全事故。因此，應(yīng)按要求設(shè)計(jì)煤礦井下電氣設(shè)備的硬件電路功能模塊，以實(shí)現(xiàn)其對電氣系統(tǒng)的可靠控制和保護(hù)。在本案，筆者結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，淺析煤礦井下電氣設(shè)備功能電路模塊的設(shè)計(jì)。

煤礦井下；電氣設(shè)備；電路功能模塊

煤礦井下電氣設(shè)備的電氣保護(hù)一般分為接地保護(hù)、漏電保護(hù)和過流保護(hù)三類，而煤礦電氣設(shè)備包括磁力起動器、饋電開關(guān)、移動變電站、高壓防爆配電裝置及一般型高壓開關(guān)柜等，且其電氣保護(hù)裝置在類型和功能上都具有多樣化的特征，其中一般型高壓開關(guān)柜應(yīng)用范圍十分廣泛，比如煤礦井下中央變電所、地面變電所、低瓦斯礦井（進(jìn)風(fēng)巷）、總進(jìn)風(fēng)巷、井底車場中及其主要采用電磁感應(yīng)式繼電保護(hù)裝置等方面。由于這種保護(hù)方式有著結(jié)構(gòu)簡單，且有一定現(xiàn)場維護(hù)能力的特點(diǎn)，過去一直在沿用。但是在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，繼電保護(hù)裝置將向數(shù)字式和微處理器式繼電器的方向發(fā)展。因此，為了適應(yīng)這一發(fā)展需要及實(shí)現(xiàn)煤礦行業(yè)的生產(chǎn)目標(biāo)，應(yīng)重視對煤礦井下電氣設(shè)備功能電路模塊的設(shè)計(jì)研究，具體表現(xiàn)如下：

1 如何設(shè)計(jì)漏電閉鎖模塊

漏電閉鎖模塊主要是對漏電閉鎖保護(hù)，通過附加直流源原理進(jìn)行信號采集，以24V直流電源經(jīng)大地、三相繞阻的方式形成回路，當(dāng)線路對地絕緣電阻出現(xiàn)變化，采樣點(diǎn)電壓就會隨之變化，該法便可監(jiān)測電機(jī)部分對地絕緣電阻，實(shí)現(xiàn)閉鎖效果。漏電閉鎖模塊在煤礦井下電氣設(shè)備中有著十分重要的作用，可對絕緣電阻進(jìn)行檢測，作用原理在于在真空接觸器吸合前，或者斷開后對電機(jī)繞阻處電纜的絕緣情況進(jìn)行測定，當(dāng)檢測值＜動作值，漏電閉鎖模塊則處于保護(hù)狀態(tài)（動作），此時禁止啟動，同時發(fā)出警報信號，而液晶顯示器上可將漏電故障與漏電處絕緣電阻值等顯示出來，這樣對于及時發(fā)現(xiàn)故障有著重要作用。當(dāng)然，主回路的絕緣電阻值可以慢慢恢復(fù)，若達(dá)到動作值1.5倍，漏電閉鎖保護(hù)可自動恢復(fù)，這個時候可進(jìn)行真空接觸器合閘處理；當(dāng)主回路為剛剛斷開狀態(tài)，則漏電閉鎖保護(hù)應(yīng)延長至少10s后再投入。此外，還有一種比較特殊的情況是若啟動前并未發(fā)現(xiàn)漏電故障，系統(tǒng)也可正常啟動，在真空接觸器吸合后這種閉鎖保護(hù)便不會再起效果，該階段漏電保護(hù)可由上機(jī)饋電開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

2 如何設(shè)計(jì)聯(lián)控模塊

聯(lián)控模塊屬于智能控制單元比較重要的部分，尤其是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化時代，其作用越來越明顯，為此在煤礦井下電器設(shè)備功能電路控制單元中可將這種模塊設(shè)置進(jìn)去。當(dāng)控制單元系統(tǒng)設(shè)定為聯(lián)控模式后，不管何種保護(hù)單元都能從菜單設(shè)置主機(jī)或者從機(jī)，而整個系統(tǒng)則只有主機(jī)一臺，主機(jī)可對其他從機(jī)進(jìn)行控制，經(jīng)聯(lián)網(wǎng)后以延時方式（按照一定先后順序）啟動，而延時時間根據(jù)具體情況設(shè)定，范圍0～99s。如何設(shè)計(jì)聯(lián)控模塊，本文采取的方案如圖1所示。從圖1中可以看出，其聯(lián)控模式以環(huán)型接線非處理，每個控制單元的聯(lián)控接口均設(shè)置2個接口，即上機(jī)位與下機(jī)位。

圖1 聯(lián)控模塊方案圖（上位機(jī)5V/OUT6、下位機(jī)5V/OUT7）

本次研究以三機(jī)聯(lián)控模式（見圖2）進(jìn)行具體分析，因?yàn)槿龣C(jī)聯(lián)控屬于最為常用的聯(lián)機(jī)方式，能對后機(jī)延時時間進(jìn)行設(shè)置，能使從機(jī)按照一定的順序啟動。聯(lián)控系統(tǒng)可經(jīng)主機(jī)操作其啟動及停止，而且每臺均可單獨(dú)啟動及停止。這種模式下當(dāng)聯(lián)控出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)會處于停機(jī)狀態(tài)，故障機(jī)自身會顯示及記錄故障信息，聯(lián)控系統(tǒng)僅僅將編號顯示出來而不會記錄。因此，若聯(lián)控系統(tǒng)發(fā)生故障后，首先要排除故障，使得每臺機(jī)復(fù)位后方可重新運(yùn)作。在三機(jī)聯(lián)控中通過頻率（可見表1）來對應(yīng)相關(guān)的聯(lián)控命令，然后聯(lián)控系統(tǒng)信息則通過頻率脈沖進(jìn)行傳達(dá)，使得每個從機(jī)號與控制命令都有對應(yīng)頻率脈沖，比如當(dāng)某臺機(jī)器往下位機(jī)發(fā)送命令僅僅將相應(yīng)頻率脈沖發(fā)送即可，而下位機(jī)在受到脈沖后會及時解碼，從而將上機(jī)命令識別并執(zhí)行。此外，接收下位機(jī)或者上位機(jī)接收下位機(jī)合閘信號主要以光耦電路實(shí)現(xiàn)，其中ULN2003系列的OUT7、OUT6便是發(fā)送脈沖的。

圖2 三機(jī)聯(lián)控接線示意圖

表1 三機(jī)聯(lián)控通信的相關(guān)頻率情況

3 如何設(shè)計(jì)通信模塊

為了使得網(wǎng)內(nèi)用戶在任意時刻均可瀏覽電氣設(shè)備運(yùn)行狀況，本設(shè)計(jì)中的通信模塊以遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)RS-485為主，可將現(xiàn)場數(shù)據(jù)及時送回煤礦管理處的局域網(wǎng)。通信模塊包括并行與串行通信兩類，前者優(yōu)勢在于傳輸?shù)乃俣葮O快，而缺陷則主要是需同時連接很多線，特別是通信距離較長則會使得傳輸線成本顯著增加；后者優(yōu)勢在于少量傳輸線便可完成操作，對于遠(yuǎn)距離傳輸可明顯降低成本，缺陷則主要在于傳輸?shù)乃俣容^慢。針對數(shù)據(jù)通信、工業(yè)分布式控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等情況，以串行通信為主，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息交換。本設(shè)計(jì)中采取的RS-485串行方式嚴(yán)格按照RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，包括四個方面：①電氣特性。若兩線間電壓差為負(fù)數(shù)2～6V，則用邏輯“0”表示，反之若為正數(shù)2～6V，則用邏輯“1”表示。此時，接口的信號電平比相比RS-232顯著降低，不會對接口電路芯片造成嚴(yán)重?fù)p壞，而且這種電平和TTL兼容，有利于TTL電路的連接。②數(shù)據(jù)。RS-485傳輸其速率最高可達(dá)到10Mbps左右。③接口。RS-485接口通過平衡驅(qū)動器、差分接收器后，有更強(qiáng)的抗共模感染能力，即有著不錯的抗噪聲干擾功能。④最大傳輸距離。從相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)踐中可以知曉RS-485最大傳輸距離可達(dá)到4000英尺，相當(dāng)于3km，總線上也可允許連接收發(fā)器128個之多，有著多站能力，這種情況下用戶可經(jīng)單一RS-485接口建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，操作十分方便簡單。

4 如何設(shè)計(jì)電源模塊

煤礦井下電器設(shè)備多以智能保護(hù)單元模式，所用電源電路有兩種形式：①電網(wǎng)供電；②電池供電，具體操作期間可經(jīng)撥檔開關(guān)切換。如果在電網(wǎng)上供電，控制單元空點(diǎn)為中繼開關(guān)電源，若停止運(yùn)行，則需整定系統(tǒng)參數(shù)，而且要按照相關(guān)安全操作規(guī)范實(shí)施，尤其是井下禁止在帶電情況下打開隔爆外殼，而應(yīng)當(dāng)先將供電方式進(jìn)行切換，將其切換成電池供電模式，此時控制單元供電為外置蓄電池。此外，為了避免蓄電池出現(xiàn)電機(jī)短路現(xiàn)象，應(yīng)將蓄電池電極密封，且近極端串聯(lián)200mA快速熔斷絲，避免蓄電池電極短路。這里可以由圖3所示來進(jìn)一步分析，從圖3中可以看出，12V蓄電池經(jīng)7805后電壓為穩(wěn)定+5V，當(dāng)切換為電池供電后，雙路撥檔開關(guān)S1可產(chǎn)生返回信號，此信號能使得系統(tǒng)識別當(dāng)前的電池供電模式，以便將不必要服務(wù)程序關(guān)閉，確保參數(shù)準(zhǔn)確整定。

圖3 電池供電示意圖

5 如何設(shè)計(jì)故障存儲模塊

煤礦井下電器設(shè)備中故障存儲模塊在本次設(shè)計(jì)中采取的是鐵電存儲器FM24C64芯片，這種芯片是一種非易失性記憶體，接口是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，而邏輯結(jié)構(gòu)為8192×8位。因?yàn)殍F電存儲器有著極強(qiáng)的持久保存數(shù)據(jù)功能與快速存儲等優(yōu)勢，其在保存存儲數(shù)據(jù)上年限可超過10年。此外，普通EEPROM存儲速率以毫秒為單位，而鐵電存儲器則以微秒為單位，普通EEPROM還會受到噪聲與電源波動等影響，而FRAM速度極快，不會受到噪聲與電源波動影響?；谶@些優(yōu)勢，可高效、快速及準(zhǔn)確記錄各種電壓、漏電及電流等故障，經(jīng)軟件設(shè)計(jì)查詢算法，用戶便可便捷查詢歷史故障信息，從而為設(shè)備維護(hù)提供可靠信息。

6 結(jié)語

煤礦井下電氣設(shè)備若出現(xiàn)故障后則會給煤礦生產(chǎn)帶來巨大危害，并對員工生命安全造成威脅，為此需加強(qiáng)煤礦井下電氣設(shè)備功能電路模塊的設(shè)計(jì)研究。本文通過對漏電閉鎖模塊、聯(lián)控模塊、通信模塊、電源模塊、故障存儲模塊等方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，盡量保障相關(guān)設(shè)計(jì)達(dá)到實(shí)際操作的規(guī)范要求，從而更好地避免相關(guān)的故障發(fā)生，保障員工的安全，改善效益。

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TD684

A

1004-7344（2016）20-0158-02

2016-6-25

高林春（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事煤礦井供電工作。