礦用隔爆兼本質(zhì)安全型八組合開(kāi)關(guān)的研制

摘 要：礦用隔爆兼本質(zhì)安全型組合開(kāi)關(guān)是一種用來(lái)控制煤礦井下采煤掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)瘸商自O(shè)備的組合電器，由主回路和控制回路組成。主回路電源側(cè)為4路輸入，負(fù)荷側(cè)為8路輸出，一臺(tái)開(kāi)關(guān)能同時(shí)控制8臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止。用PLC實(shí)現(xiàn)本開(kāi)關(guān)對(duì)成套設(shè)備多臺(tái)電機(jī)起停控制與保護(hù)，可對(duì)開(kāi)關(guān)工況、故障類型顯示和記憶，大大提高判斷故障和排除故障效率。該開(kāi)關(guān)控制方式靈活多樣，配件的集成化，互換性好，插接方便，滿足井下快速處理故障的要求。

關(guān)鍵詞：組合開(kāi)關(guān)；礦用隔爆兼本質(zhì)安全型；集中控制；模塊化布局；任意組合；八組合

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2008)1718503

Development of Mining Flame-proof and Intrinsic Combined Switch with 8 Combination

LI Ping

(Electrical Research Institute，Mechnical and Electric Equipment Manufacturing Plant，Yankuang Group，Zoucheng，273500，China)

Abstract：Mining flame-proof and intrinsic combined switch is a kind of combined equipment used for controlling the developing and converying suite in mine.It consists of main circuit and controlling circuit.The main circuit has 4 inputs of supply and 8 outputs for loads. 8 motors can be controlled simultaneously.It uses PLC as the core controlling device to realize the control and protection of the motors.With the status and fault memorized and displayed，it can be maintained conveniently and high efficiently.And it has flexible ways of control.The components are compatible for exchange and fast plug-in is used in all kinds of connections.This makes it meet the requirement of fast solving of problems in mine.

Keywords：combined switch;mining flame-proof and intrinsic;centralized control;modular arrangement;flexible combination;8 combination

1 引 言

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型組合開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)控制煤礦井下采煤掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)瘸商自O(shè)備的組合電器。其特點(diǎn)有利于設(shè)備的頻繁搬遷，加快工作面的推進(jìn)速度，簡(jiǎn)化電纜連接、減少電纜使用量和電氣設(shè)備占地面積。同時(shí)還可減少供電線路的電壓降損耗、減少生產(chǎn)安裝和維護(hù)的工作量，極大地提高了生產(chǎn)效率和供電可靠性，降低采煤成本，方便用戶，適應(yīng)礦區(qū)的各種需要。

一臺(tái)組合開(kāi)關(guān)能控制8個(gè)驅(qū)動(dòng)器，每一驅(qū)動(dòng)器均具備多種保護(hù)，各驅(qū)動(dòng)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)及方便的插接技術(shù)，滿足井下快速處理故障和維護(hù)的要求。該產(chǎn)品通過(guò)液晶顯示及本安鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，具有故障記憶及故障查詢功能，適應(yīng)當(dāng)前及今后煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展。

2 研究中解決的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 控制方式的選擇

為了適應(yīng)煤礦井下的生產(chǎn)工藝，組合開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)有單回路控制方式運(yùn)行、單機(jī)單速控制方式運(yùn)行、多回路程序控制運(yùn)行、雙機(jī)雙速雙回路控制運(yùn)行、單機(jī)雙速控制運(yùn)行、雙機(jī)低速運(yùn)行控制運(yùn)行等多種控制功能，處于程序控制下的中間各回路的本安先導(dǎo)電路受控于前臺(tái)。這種方式滿足煤礦井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)“逆煤流啟車，順煤流停車”的控制要求。設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于：在一次任務(wù)中，既可以存在非程控/單機(jī)控制方式，同時(shí)還可以存在程控/多機(jī)方式，即每一回路既可獨(dú)立于其他回路，又可控制其他回路，還可受控于其他回路或作為備用。可根據(jù)用戶要求增加控制方式，并能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)上述控制功能的自由組合。

2.2 保護(hù)及控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

組合開(kāi)關(guān)的保護(hù)及控制由PLC集中完成。軟件設(shè)計(jì)分主程序、監(jiān)控程序和子程序。在PLC程序設(shè)計(jì)中大量采用子程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。每一個(gè)子程序都是一個(gè)功能模塊，他們完成存放地址的初始化、采樣信號(hào)的處理、故障類型的判別、標(biāo)志位的設(shè)定和液晶屏內(nèi)容的更新等功能。監(jiān)控程序主要完成子程序的調(diào)用、電動(dòng)機(jī)的啟停及故障判斷、液晶屏換屏等功能。監(jiān)控程序采用順序作業(yè)調(diào)度結(jié)構(gòu)進(jìn)行8支路分時(shí)進(jìn)行漏電檢測(cè)，以判斷各回路是否存在漏電事故。電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行后，PLC停止該回路的漏電檢測(cè)，開(kāi)始對(duì)電流、斷相及電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，以判斷電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

2.3 配件的模塊化設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為獨(dú)立的單元，將接觸器、電流互感器、漏電單元、動(dòng)觸頭等器件均集成在一個(gè)箱體內(nèi)，且將其設(shè)計(jì)為互換性強(qiáng)的插接式安裝方式。

為了實(shí)現(xiàn)組合開(kāi)關(guān)器件安裝的模塊化，在主控制腔內(nèi)設(shè)計(jì)了4個(gè)主芯架，芯架采用3 mm鋼板折彎焊接而成，用螺栓固定在主控制腔內(nèi)，在芯架的后部安裝有主回路靜插頭，以滿足與驅(qū)動(dòng)器的插接。

在整個(gè)的設(shè)計(jì)中主要突出元器件的模塊化及主要配件的可互換性，方便用戶使用及維護(hù)。

2.4 防爆殼體的設(shè)計(jì)

隔爆殼體的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照GB3836.1～2-2000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制作，確保本產(chǎn)品防爆性能。外形圖如圖1所示。

隔爆殼體設(shè)計(jì)為方形結(jié)構(gòu)，整體更加美觀，由優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成。殼體分四個(gè)腔，左右接線腔、隔離開(kāi)關(guān)腔和主控制腔。由于回路較多，進(jìn)出線很多，因此設(shè)左右二個(gè)接線腔，在接線柱一側(cè)設(shè)有端蓋，更便于各回路電纜的連接及維修。主腔上方設(shè)隔離開(kāi)關(guān)腔，布局更加合理，方便隔離開(kāi)關(guān)之間的閉鎖。主控制箱采用兩個(gè)快開(kāi)門結(jié)構(gòu)，開(kāi)啟方便。主控制門上設(shè)有大屏幕液晶顯示窗口和觸摸式鍵盤，可直觀顯示設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，并可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。隔離開(kāi)關(guān)手柄和主控制腔前門間有可靠的機(jī)械閉鎖機(jī)構(gòu)，閉鎖措施確保隔爆箱體打開(kāi)門后無(wú)法操作本產(chǎn)品，而且所有的導(dǎo)電部位均不帶電，并保證開(kāi)門后所有的隔離開(kāi)關(guān)處于分?jǐn)酄顟B(tài)。相反，只有在門蓋正確關(guān)閉后，隔離換向開(kāi)關(guān)以及接觸器才能夠進(jìn)行合閘操作。另外，隔離開(kāi)關(guān)手柄和電氣控制系統(tǒng)之間、和分?jǐn)喟粹o之間也具有可靠的電氣閉鎖。完整的機(jī)械安全連鎖機(jī)構(gòu)及電氣閉鎖設(shè)計(jì)確保本產(chǎn)品有較強(qiáng)的安全性能。

打開(kāi)主控制腔前門，可以看到驅(qū)動(dòng)裝置安裝芯架，8個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置就安裝在芯架的抽拉式隔架上。驅(qū)動(dòng)裝置包括真空接觸器、電流互感器、阻容吸收及漏電保護(hù)單元，當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置插入芯架導(dǎo)軌時(shí)，主電源輸入、輸出插頭可自動(dòng)接上，方便用戶使用及維護(hù)。

2.5 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

由于煤礦井下環(huán)境過(guò)于惡劣，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用有效的軟、硬件抗干擾措施。

(1) 對(duì)數(shù)字量輸入點(diǎn)選擇輸入濾波器，延時(shí)讀取輸入信號(hào)值，有助于濾除輸入噪聲。

(2) 使用模擬濾波器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣處理，通過(guò)多次采樣取平均值的方法來(lái)降低瞬間干擾信號(hào)的影響。

(3) 合理的屏蔽和走線，控制線和測(cè)量信號(hào)線盡量垂直布線并且遠(yuǎn)離主回路。

(4) 增加系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)前后的自檢功能。

(5) 采用軟件陷阱及指令余冗技術(shù)。

3 工作原理及保護(hù)功能

3.1 工作原理

圖2示出了整個(gè)開(kāi)關(guān)的電路原理框圖，從圖中可以看出開(kāi)關(guān)共分4路，第1路三相電源A1、B1、C1經(jīng)隔離換向開(kāi)關(guān)QS1控制兩件接觸器KM1、KM2，第2、3，4路同理經(jīng)過(guò)各自的隔離換向開(kāi)關(guān)分別控制兩件接觸器，8件接觸器的信號(hào)及本安鍵盤JP的信號(hào)均傳送至PLC，并通過(guò)顯示器GOT顯示。8件接觸器的起動(dòng)、停止及保護(hù)也由PLC集中完成。

本開(kāi)關(guān)各回路相對(duì)獨(dú)立，主回路可以同時(shí)輸入1 140 V和660 V，通過(guò)如下途徑實(shí)現(xiàn)：四個(gè)回路互相獨(dú)立，有各自的隔離換向開(kāi)關(guān)控制電源的通斷，互相不受影響。各回路均有一個(gè)采樣變壓器，采樣值因各回路電壓值的不同而不同，再經(jīng)各自的電量變送器輸出后，送至各自的A/D轉(zhuǎn)換模塊，PLC根據(jù)不同回路的值進(jìn)行運(yùn)算處理，判斷各回路的實(shí)際電壓情況及故障情況。

3.2 保護(hù)功能

3.2.1 過(guò)壓、欠壓保護(hù)

電壓保護(hù)有暫態(tài)過(guò)電壓、穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓及欠壓保護(hù)。暫態(tài)過(guò)電壓由阻容吸收裝置來(lái)完成保護(hù)任務(wù)，穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)采用鑒幅式保護(hù)原理，有效防止了電壓長(zhǎng)期過(guò)高損壞電機(jī)絕緣，電壓過(guò)低燒壞電機(jī)的事故發(fā)生。當(dāng)電網(wǎng)電壓高于額定電壓的120%時(shí)，過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作；電網(wǎng)電壓低于額定電壓的75%時(shí)，欠壓保護(hù)動(dòng)作。

3.2.2 過(guò)載保護(hù)

過(guò)載和短路保護(hù)采用鑒幅式保護(hù)原理。將電流采樣后經(jīng)電流變送器送入PLC進(jìn)行處理，并與CPU存放的整定電流值進(jìn)行比較，PLC按比較結(jié)果發(fā)出指令斷開(kāi)相應(yīng)的故障回路，并顯示和記憶故障類型以及故障時(shí)的參數(shù)。組合開(kāi)關(guān)過(guò)載保護(hù)見(jiàn)表1。

3.2.3 短路保護(hù)

短路電流的整定值以被控制電機(jī)額定電流的8～10倍來(lái)整定，一旦電路電流大于該整定值時(shí)，短路保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間0.2～0.4 s。

3.2.4 斷相/不平衡保護(hù)

組合開(kāi)關(guān)斷相及相不平衡保護(hù)見(jiàn)表2。

3.2.5 主回路漏電閉鎖

漏電閉鎖檢測(cè)部分仍采用附加直流電源的原理。在隔離開(kāi)關(guān)閉合后，PLC即對(duì)本支路的對(duì)地絕緣狀況進(jìn)行檢測(cè)，若本支路對(duì)地絕緣電阻小于漏電閉鎖電阻設(shè)定值，PLC則閉鎖故障回路，此時(shí)，無(wú)法進(jìn)行起動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)漏電閉鎖，同時(shí)顯示故障類型。當(dāng)本支路對(duì)地絕緣電阻大于漏電閉鎖電阻設(shè)定值，接觸器方可合閘送電。接觸器合閘的同時(shí)，斷開(kāi)漏電閉鎖檢測(cè)回路。組合開(kāi)關(guān)主回路對(duì)地絕緣電阻閉鎖值符合表3的規(guī)定，當(dāng)絕緣電阻上升到1.5倍閉鎖值時(shí)，解除漏電閉鎖。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 組合開(kāi)關(guān)集多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制與保護(hù)于一體，元器件模塊化，配件采用方便的插接技術(shù)，各驅(qū)動(dòng)器具有互換性，滿足井下快速處理故障和維護(hù)的要求。

(2) 電動(dòng)機(jī)工作參數(shù)由本安鍵盤設(shè)定，而無(wú)須專業(yè)人員去修改程序中的參數(shù)，具有實(shí)用性。

(3) 液晶屏的使用，使系統(tǒng)具有直觀性。通過(guò)故障記憶可查看運(yùn)行期間線路中出現(xiàn)的故障，從而準(zhǔn)確地掌握運(yùn)行工況。

(4) 主回路電纜的引入和引出，可根據(jù)用戶的具體要求，采用電纜連接器或傳統(tǒng)喇叭口接線方式。

(5) 控制方式靈活，可根據(jù)用戶要求改變。

工業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)行情況表明，該組合開(kāi)關(guān)性能可靠，對(duì)各回路電機(jī)起到了良好的保護(hù)作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］三菱電機(jī)公司.Q系列CPU模塊用戶手冊(cè).

［2］何衍慶，戴自祥，俞金壽.可編程序控制器原理及應(yīng)用技巧［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］孫同景，徐德.可編程序控制器(PC)應(yīng)用基礎(chǔ)［M］. 山東：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

作者簡(jiǎn)介 李 萍 女，1970年出生，工程師。現(xiàn)任職于兗礦集團(tuán)有限公司機(jī)電設(shè)備制造廠電氣研究所，主要從事新產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制工作。