礦用掘進(jìn)機(jī)專用綜合保護(hù)裝置的研究

翟博士

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)公司，山西 忻州 035100）

引言

近些年，一些主要的產(chǎn)煤國(guó)在機(jī)械化開采不斷提高的情況下，加大開采工作面強(qiáng)度，隨著工作面開采速度的大幅提高，對(duì)掘進(jìn)機(jī)性能要求也相應(yīng)提高，然而電氣裝置的狀況直接影響和決定著掘進(jìn)機(jī)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)，故此，開發(fā)和研究掘進(jìn)機(jī)保護(hù)綜合裝置是保護(hù)掘進(jìn)機(jī)的重要舉措[1]。

1 掘進(jìn)機(jī)保護(hù)綜合裝置的一般保護(hù)方式

掘進(jìn)機(jī)保護(hù)綜合裝置的主要保護(hù)對(duì)象是電動(dòng)機(jī)，煤礦業(yè)常用的隔爆型異步三相電動(dòng)機(jī)構(gòu)成掘進(jìn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)中重要部分，結(jié)合液壓控制系統(tǒng)可以完成整機(jī)作業(yè)。電動(dòng)機(jī)作為掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的主設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行，關(guān)系著掘進(jìn)機(jī)的整體性能，需要加以重視，該系統(tǒng)不但可以保護(hù)電機(jī)，還有其他很多保護(hù)功能。掘進(jìn)機(jī)故障及主要保護(hù)方式如下：

1）瓦斯的閉鎖自動(dòng)保護(hù)：是指瓦斯的檢測(cè)結(jié)果顯示其含量到1%的時(shí)候報(bào)警，當(dāng)含量達(dá)到1.5%的時(shí)候，保護(hù)綜合裝置利用程序斷停電源前級(jí)。

2）黏連自動(dòng)保護(hù)：是指開機(jī)之前與停機(jī)之后，掘進(jìn)機(jī)保護(hù)綜合裝置對(duì)真空觸接器的主觸點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，確定是否為斷開狀態(tài)[2]。

3）漏電自動(dòng)閉鎖保護(hù)：是指掘進(jìn)機(jī)的電氣裝置主電路對(duì)地單相絕緣型電阻值低于標(biāo)準(zhǔn)值（AC1140V 標(biāo)準(zhǔn)值是40 kΩ、AC660V 標(biāo)準(zhǔn)值是22 kΩ）時(shí)不可以啟動(dòng)電機(jī)。

4）線路低壓的漏電自動(dòng)保護(hù)：是指在AC120 V、AC24 V 和AC220 V 線路低壓時(shí)地單相絕緣性能下降至標(biāo)準(zhǔn)值（AC220 標(biāo)準(zhǔn)值是5 kΩ、AC120V 標(biāo)準(zhǔn)值是3 kΩ、AC24V 標(biāo)準(zhǔn)值是2 kΩ）時(shí)，系統(tǒng)開啟保護(hù)，顯示24 V 漏電、120 V 漏電、220 V 漏電。

5）電機(jī)的溫度自動(dòng)保護(hù)：是指如果冷卻控制系統(tǒng)發(fā)生故障，或是環(huán)境的溫度特別高，油泵及截割機(jī)的線圈溫度高達(dá)155 ℃，此時(shí)，電機(jī)的定子線圈內(nèi)的繼電器開啟動(dòng)作，保護(hù)電機(jī)裝置根據(jù)程序?qū)τ捅眠M(jìn)行控制或是截割停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，待電機(jī)已經(jīng)冷卻以后自動(dòng)歸位。相對(duì)應(yīng)的電阻熱敏的阻值是1.8～2 kΩ。

6）門閉鎖自動(dòng)保護(hù)：煤炭開采掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的電氣裝置開關(guān)箱的左右門都設(shè)置有門閉鎖自動(dòng)保護(hù)開關(guān)，確保門已關(guān)嚴(yán)之后再送電、開機(jī)，避免在井下進(jìn)行違章式作業(yè)。

7）聯(lián)鎖自動(dòng)保護(hù)：是指只有將掘進(jìn)機(jī)上的油泵式電機(jī)啟動(dòng)之后，才可以進(jìn)行其他電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，在啟動(dòng)油泵式電機(jī)之后，“報(bào)警”即會(huì)被截割的電機(jī)啟動(dòng)，警報(bào)聲響過(guò)5～10 s，截割的電機(jī)被啟動(dòng)[3]。

8）對(duì)稱性故障的保護(hù)：所謂對(duì)稱性故障一般包括堵轉(zhuǎn)、對(duì)稱短路及過(guò)載，這些故障的主要原因是增強(qiáng)的電流引起了熱效應(yīng)及機(jī)械性應(yīng)力，讓線圈發(fā)熱，嚴(yán)重會(huì)造成設(shè)備損壞。

9）不對(duì)稱性故障的保護(hù)：造成電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不對(duì)稱性故障的原因分別是匝間出現(xiàn)短路、斷相、運(yùn)行不平衡、接地型短路、相間型短路等。這些不對(duì)稱性故障給電動(dòng)機(jī)造成損害的不僅是增強(qiáng)的電流導(dǎo)致的發(fā)熱，還因?yàn)檫@些不對(duì)稱故障導(dǎo)致負(fù)序性效應(yīng)使電動(dòng)機(jī)危險(xiǎn)運(yùn)行。所以，電動(dòng)機(jī)隱患問(wèn)題早期發(fā)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)整機(jī)安全至關(guān)重要。

2 保護(hù)綜合裝置相關(guān)硬件的設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)保護(hù)綜合裝置所屬硬件部分就是讓整機(jī)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的承載。要求硬件部分的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，確保工作運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。該保護(hù)綜合裝置使用的是模塊化思維設(shè)計(jì)，其控制中心選用C8051F020單片式微型處理器，外圍裝置電路選取獨(dú)立模塊同控制中心相連，使各模塊功能得以實(shí)現(xiàn)。該保護(hù)綜合裝置選用CYGNAL 美國(guó)公司出產(chǎn)混合型信號(hào)ISPFLASH 微型C8051F020 控制器來(lái)作主CPU，管理模擬量信息采集及計(jì)算、判斷及保護(hù)、開關(guān)量輸進(jìn)及輸出[4]。因?yàn)橄到y(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高，配置的功能也很多，為分擔(dān)其主CPU 處理量，加裝一塊8051，以實(shí)現(xiàn)CPU 人機(jī)的對(duì)話，鍵盤處理掃描、LCD 顯示、同主CPU的通迅等要求實(shí)時(shí)性不高的功能。如此即能滿足該裝置繼電性保護(hù)的可靠性、選擇性、速動(dòng)性要求，又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量的精準(zhǔn)度。本論文在介紹系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)部分之前，要先對(duì)該裝置所屬的硬件系統(tǒng)基本原理進(jìn)行了解，圖1 為硬件工作原理的總框圖。

圖1 保護(hù)綜合裝置的硬件工作原理的總框圖

硬件系統(tǒng)基本原理為：憑借電壓及電流互感器對(duì)電動(dòng)機(jī)自身三相線電流及電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)督檢測(cè)；采用粘連性漏電監(jiān)督檢測(cè)其電路、接觸性是否存在管漏電，觸頭是否存在粘連、電機(jī)是否絕緣等；采用低壓式漏電監(jiān)督檢測(cè)電路、電鈴、照明燈等處是否存在漏電；采用瓦斯類斷電儀及甲烷類傳感器對(duì)井下瓦斯含量監(jiān)督檢測(cè)，同時(shí)對(duì)電機(jī)的液位、溫度、位移、油溫等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，把所有信息通過(guò)調(diào)理器轉(zhuǎn)換以后傳送到單片機(jī)轉(zhuǎn)換器A/D 模擬通道，采用相應(yīng)運(yùn)算法，運(yùn)算得出信號(hào)數(shù)據(jù)，然后把所得信號(hào)數(shù)據(jù)同預(yù)先設(shè)置的整定值對(duì)比判斷，如果在時(shí)限內(nèi)的采樣有效信息值都處于故障的設(shè)定范圍值內(nèi)，就可判斷出現(xiàn)了故障，單片機(jī)C8051F020 則會(huì)生成故障信號(hào)，同時(shí)對(duì)電機(jī)采取斷電跳閘并報(bào)警，切斷所有電鈴及照明電源，完成電控整個(gè)系統(tǒng)的安全保護(hù)。如果沒(méi)有發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)循環(huán)進(jìn)行采樣和顯示、進(jìn)行電壓存儲(chǔ)及電流顯示。全部信息都在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示，個(gè)別信息在操作箱上的液晶屏顯示[5]。

3 保護(hù)綜合裝置系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

保護(hù)綜合裝置系統(tǒng)軟件包括保護(hù)控制軟件、人機(jī)交互接口應(yīng)用軟件構(gòu)成。其中保護(hù)用模件選取8051F020型芯片設(shè)計(jì)，人機(jī)交互接口的模件選取8051型單片機(jī)，系統(tǒng)軟件選用的是A51 和C51 語(yǔ)言。

3.1 保護(hù)控制軟件的設(shè)計(jì)

保護(hù)控制軟件部分的構(gòu)成主要包括主程序管理模塊、采樣中斷模塊、輸出繼電器模塊。系統(tǒng)通過(guò)所有模塊的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量信息采集、處理、換算及各項(xiàng)保護(hù)與輸出。

3.2 人機(jī)交互接口軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互接口軟件部分主要負(fù)責(zé)完成鍵盤錄入、顯示器屏顯、上位機(jī)等通信任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)定值定整、故障排查、信息采樣、上位機(jī)的信息傳遞等項(xiàng)功能。

3.3 主程序的相關(guān)模塊

綜合保護(hù)裝置主程序應(yīng)用模塊包括初始化數(shù)據(jù)模、循環(huán)自檢模塊、處理信息模塊、障礙處理及保護(hù)模塊構(gòu)成。該裝置初始化分為：轉(zhuǎn)換器A/D 初始化、功能中斷初始化、所有標(biāo)志位及內(nèi)存數(shù)據(jù)初始化；其中自檢功能模塊完成的主要是硬件的功能自檢，涵蓋片內(nèi)RAM 區(qū)的讀寫功能檢查，通過(guò)對(duì)開口下達(dá)跳閘斷電指令，對(duì)光耦的輸出回路反饋電平情況，完成開出的回路檢測(cè)。采集電壓及電流信號(hào)是在程序中斷的狀況下完成，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行絕緣及溫度的檢測(cè)是通過(guò)電壓及電流采樣數(shù)據(jù)運(yùn)用溫升及阻值計(jì)算得出。采用各通道的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)預(yù)設(shè)保護(hù)程序完成計(jì)算，在出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入保護(hù)自動(dòng)程序，在沒(méi)有出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入循環(huán)保護(hù)檢測(cè)程序。

4 礦用專用保護(hù)綜合裝置電磁的兼容性

礦用綜合保護(hù)裝置由于系統(tǒng)電磁的環(huán)境比較復(fù)雜，內(nèi)部及外部干擾都較多，要想保證裝置能夠可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，需要在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、零部件的選用、裝配、工藝、外部的環(huán)境等各方面影響因素加以考慮。本論文在充分考慮各種因素后，對(duì)系統(tǒng)軟、硬件抗干擾功能設(shè)計(jì)做了著重介紹，實(shí)現(xiàn)降低和減少因不良環(huán)境影響到專用煤礦掘進(jìn)機(jī)電機(jī)保護(hù)綜合裝置的正常生產(chǎn)和安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

由于掘進(jìn)機(jī)專用保護(hù)綜合裝置采用了綜合集成設(shè)計(jì)，具有體積小、功耗低、操作簡(jiǎn)單、使用方便、節(jié)約成本等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭掘進(jìn)機(jī)全方位、綜合性自動(dòng)保護(hù)，有效保障了煤炭生產(chǎn)的安全穩(wěn)定，其應(yīng)用和發(fā)展前景廣闊。