桑宗其，楊澤進

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，太原 030001）

礦井綜采工作面主要有轉(zhuǎn)載機、破碎機、刮板輸送機、采煤機等大型用電設(shè)備，若配置QJZ-400/1140S、QJZ-300/1140S、KBZ-400/1140 等型號的真空磁力啟動器時存在以下缺點：①設(shè)備數(shù)量多，投資大。②有限空間設(shè)備過于集中，不易管理，不便檢修。③對于雙機雙速輸送機等設(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)解決了上述問題。

1 組合智能開關(guān)的功能特點與PLC

1）功能特點。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)和保護系統(tǒng)均用西門子的PLC對系統(tǒng)監(jiān)控，完成短路、過載、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、保護齊全、智能化高、動作可靠等優(yōu)點。③采用觸摸式全中文液晶顯示屏（西門子），能對開關(guān)的工作參數(shù)、狀態(tài)、故障類型進行記憶和顯示，用戶界面還有良好的人機對話功能，能提高排除故障和判斷故障的效率。④將全部模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，具有信息量大、接線簡捷、抗干擾功能力強、控制準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點。⑤具有良好的自檢、自診斷、故障模擬試驗功能，便于工作人員對故障的檢查與排除。

2）PLC是可編程控制器的簡稱，是通用型自動裝置，能把計算機控制和傳統(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，通過轉(zhuǎn)換器把物理變量轉(zhuǎn)換為電流或電壓等信號，再通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號發(fā)送到PLC微處理；其輸出的信號再經(jīng)PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變成電流或電壓等信號，作為驅(qū)動信號輸出。PLC具有下列特點[2]：①功能強大、編程簡單、可靠性高、體積小、使用方便。②模塊化結(jié)構(gòu)的控制電路，維護更換較方便，還能顯示故障類型。③操作較簡單，信號顯示更加形象和直觀。④性價比較高。⑤編程軟件為應(yīng)用型，基于Windows平臺，可把電腦當(dāng)作編程器開發(fā)用戶程序，并能實時在線監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。

2 電氣工作原理

1)保護系統(tǒng)。①過載與短路保護。采用鑒付式保護原理，通過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)故障時的參數(shù)。②漏電閉鎖：采用附加直流檢測原理，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對漏電信號作檢測。若漏電閉鎖設(shè)定值高于負荷線路上絕緣電阻值，PLC就會閉鎖故障回路，這時啟動操作無法進行，從而實現(xiàn)漏電閉鎖，顯示屏還顯示故障類型，以便工作人員及時排除故障。③過壓與欠壓保護：欠壓與過壓信號是直接經(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)定的過壓與欠壓值，開關(guān)在啟動之前將延時閉鎖全部回路，不能執(zhí)行啟動操作，此時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，開關(guān)將自動解鎖，執(zhí)行啟動操作。啟動后，則過壓與欠壓執(zhí)行機構(gòu)延時跳閘。④斷相保護：利用電流不平衡的原理，通過轉(zhuǎn)換器將分時采樣的信號提供給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)故障回路的保護裝置起動，人機交互界面記憶故障類別及信息。⑤故障(漏電、短路)模擬試驗：漏電繼電器K001、短路繼電器K002的電源回路中串接著六個回路主控制繼電器的常閉接點，若有任意一個回路處于運行狀態(tài)就不進行試驗，見圖1；圖中0表示正常運行，1表示漏電試驗，2表示短路試驗。

圖1 漏電、短路試驗電器原理圖

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行單回路控制方式運行、多回路程序控制方式運行、雙機雙速雙回路控制方式運行、單機雙速雙回路控制方式運行。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，刮板輸送機容易出現(xiàn)被壓死的現(xiàn)象，采用雙機雙速雙回路啟動方式，可在低速條件下啟動以增大啟動力矩，在給定條件下可自動投入到高速運行。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”運行位置，由低速擋向高速擋自動切換過程的控制方式是以電流為主、時間為輔的。④按下設(shè)置在遠方的啟動按鈕，先導(dǎo)電路中的繼電器閉合，同時向PLC執(zhí)行啟動命令，機頭和機尾漏電檢測繼電器被釋放，機頭低速中間繼電器和機頭低速主接觸器閉合，機頭電機投入低速作運行。經(jīng)過一段延時，機尾低速中間繼電器才閉合，機尾低速主接觸器也閉合，機尾的電機正式投入低速運行。⑤低速啟動后，當(dāng)電流降到PLC給定值時，機頭和機尾中間的繼電器被釋放，主接觸器就會斷開，電機低速繞組也被斷開，此時機頭和機尾的高速中間繼電器將閉合，且同時主接觸器閉合，電機轉(zhuǎn)入高速運行狀態(tài)。⑥若低速運行時電流未能降低到PLC給定值時，將一直維持在低速運行狀態(tài)。若啟動后運行電流立即降低到PLC給定值時，通過延時，電機將投入高速運行狀態(tài)。若需在低速條件下長時間運行，則把開關(guān)上的高低速切換開關(guān)置于“低”檔運行位置，即能實現(xiàn)長時間低速運行。⑦按下遠方的停止按鈕，先導(dǎo)繼電器就會失電，且同時會向PLC作出停止命令，機頭和機尾中間的繼電器被釋放，主接觸器將斷開，電機立即停止運行。通過延時，漏電檢測繼電器閉合，投入到漏電檢測狀態(tài)，這就能再次進行啟動操作。⑧電機在上述任意一種控制方式下運行，只要向外拉動對應(yīng)的隔離換向開關(guān)手柄，都可使正在運行的電機立即停止運行，從而實現(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，進行綜合控制與監(jiān)測。實現(xiàn)了起動預(yù)警信號和通信功能，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

由于電氣設(shè)備的存在，尤其是高壓高頻電機啟動時產(chǎn)生沖擊、大電流運行時產(chǎn)生的強電磁場及電網(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采用單獨的專用接地處理。②模擬量輸入信號濾波：對電氣設(shè)備的電流、電源等模擬量信號應(yīng)在輸入PLC模擬量通道之前，先通過信號隔離器去除通道中的串模干擾，在確保有用信號不會衰減的前提下，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，還對電網(wǎng)絕緣電阻監(jiān)測。⑤程序設(shè)計干擾處理：對模擬量輸入信號，通常需用延時濾波技術(shù)消除瞬時干擾。對于數(shù)字量信號的輸入，采用鎖存與指令對比技術(shù)，降低錯誤信號。

4 結(jié)束語

組合智能開關(guān)的優(yōu)點：①實現(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)自動化水平高、性價比高、操作簡單、故障率低、維護量小，達到國內(nèi)先進水平。③能自動及時發(fā)現(xiàn)故障、顯示故障情況，并自動排除故障或中止故障的擴大蔓延，從而提高了安全可靠性。④有多種控制方式運行，并保護與控制系統(tǒng)采用S7-200可編程控制器PLC，對系統(tǒng)進行監(jiān)測監(jiān)控。

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

[2] 劉明超.Siemens PLC在轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制系統(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)場總線的掘進工作面多局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006.