郭志強

(山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400)

0 引 言

隨著國家綜合國力的快速發(fā)展，各煤礦企業(yè)加大了對煤礦資源的開采力度，越來越多的煤礦企業(yè)加大了對煤礦設(shè)備的投入，整個煤礦開采區(qū)域的電能耗電量也相對較大，在諸多設(shè)備一起作業(yè)情況下，將會耗用大量的電能，這要求礦井需配備一套安全、可靠、穩(wěn)定的井下供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具備供電過程的遠程監(jiān)控及控制功能，以實現(xiàn)對整個井下設(shè)備的實時供電[1]。當(dāng)前，礦井中一般均實現(xiàn)了對井下設(shè)備的集中供電現(xiàn)象，基本能保證 設(shè)備的用電需求，但整個供電網(wǎng)絡(luò)存在線路老化、整體自動化程度較低等問題，運行時經(jīng)常出現(xiàn)線路短路現(xiàn)象，供電一旦出現(xiàn)短路或火花，將給井下的作業(yè)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。實現(xiàn)礦井工作面中供電系統(tǒng)的智能化、自動化遠程控制，已成為當(dāng)前提升礦井安全的必然趨勢。為此，根據(jù)現(xiàn)有供電系統(tǒng)存在問題，開展了井下遠距離供電系統(tǒng)的升級設(shè)計，并進行了系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用測試，使得新供電控制系統(tǒng)達到了預(yù)期效果。

1 遠距離供電過程中存在的問題

當(dāng)前井下供電系統(tǒng)實際運行過程中仍存在較多問題，下面重點對這些問題進行分析歸納。

(1) 由于當(dāng)前供電系統(tǒng)的接口單一、部分檢測設(shè)備未進行匹配設(shè)計，若在此基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)的升級擴展，存在無法有效兼容問題。

(2) 當(dāng)前供電控制系統(tǒng)僅采用了RS485通訊接口，未設(shè)置多余的通訊接口，若采用其他通訊方式與其通訊連接，則無法進行通訊和數(shù)據(jù)采集[3]。

(3) 由于井下設(shè)備經(jīng)常處于同時作業(yè)狀態(tài)，作業(yè)時的功率相對較高，供電系統(tǒng)作業(yè)時經(jīng)常處于功率超高、變頻器過熱等問題，出現(xiàn)空氣開關(guān)跳閘。

(4) 現(xiàn)有供電系統(tǒng)需人員根據(jù)設(shè)備的實際使用情況進行現(xiàn)場人員操作，且設(shè)備的用電情況無法通過顯示屏進行參數(shù)的實時顯示，整體智能化遠程控制能力相對較弱。

(5) 井下的作業(yè)及維修難度相對較大，供電電纜較長，導(dǎo)致整體的電量消耗較大，企業(yè)有較大的經(jīng)濟損失[4]。

為此，需結(jié)合井下實際情況和當(dāng)前的成熟先進的控制技術(shù)，對井下供電控制系統(tǒng)進行升級改造設(shè)計，以提高井下作業(yè)安全及智能化程度。

2 遠距離供電系統(tǒng)總體設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)有供電系統(tǒng)，對原供電控制系統(tǒng)進行升級改造設(shè)計。所設(shè)計的供電控制系統(tǒng)包括了遠端的配電室、高壓開關(guān)、移動變電站、PLC控制器、采集模塊等組成，可實現(xiàn)對多臺采煤機、轉(zhuǎn)載機、刮板輸送機等高功率設(shè)備的供電過程控制操作，供電系統(tǒng)原理框架圖如圖1所示。

圖1 供電控制系統(tǒng)原理框架圖

其中，通過變電站，可將交流電源轉(zhuǎn)換為3 300 V或1 140 V的動力電源，以供設(shè)備使用。同時，采集模塊包括了電壓傳感器、功率檢測儀、溫度傳感器等，能實時的對井下設(shè)備供電狀態(tài)參數(shù)進行實時檢測[5]。PLC控制器則選用了西門子的S7-300型，能保證整個供電過程中高效穩(wěn)定運行。變頻器則選用了BPJ-315/1140型變頻器主要負責(zé)對設(shè)備及控制電路所需電壓及信號轉(zhuǎn)換。配電室是整個供電控制系統(tǒng)的終端，包括監(jiān)控平臺、工控機等配置，能實現(xiàn)對井下設(shè)備用電狀態(tài)的實時監(jiān)控，并根據(jù)設(shè)備的用電情況作出控制命令的實時調(diào)整。整個系統(tǒng)中的信號則利用RS485和CAN通訊進行信號傳輸，以保證所傳輸信號的穩(wěn)定。

3 供電系統(tǒng)中關(guān)鍵部分設(shè)計

3.1 電流檢測電路

電流采集電路是整個供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵，通過電路中的檢測模塊，能對電機中的三相定子進行檢測，所檢測信號經(jīng)過電流信號調(diào)理和AD信號轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，以供PLC控制器進行信號的分析處理。因此，整個電路中選用了TBC06DS型霍爾電流傳感器，利用內(nèi)部 OPO7算法來實現(xiàn)電路信號的分析處理[6]。在該電路中，U1是電路的反向電路，U2為電流反向加法器，U3為電流與過零檢測電路。另外，在電路中將IOPBO與LPC2131通過管腳29號進行連接，以此來彌補系統(tǒng)中逆變器的死區(qū)補償問題。電路檢測電路圖如圖2所示。

圖2 電流檢測電路設(shè)計

3.2 PLC控制器選型設(shè)計

PLC控制器中整個遠程供電控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵，能實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的信號轉(zhuǎn)換、分析、處理及對各類執(zhí)行部件發(fā)送相關(guān)的控制命令等控制操作。為此，結(jié)合市場上成熟的PLC控制器，選用了西門子的S7-300型PLC控制器，該控制器主要由CPU模塊(416-2DP)、電源模塊，網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊等組成，具有2個1 000M以上的冗余光接口，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)能通過RS485接口進行通訊連接，能適用于超過16個以上的RJ45接口，PLC控制器需要接受各類傳感器的數(shù)據(jù)輸入并進行分析處理，然后對不同分部的變頻器進行控制。S7-300型PLC控制器如圖3所示。

3.3 變頻器的選型

在井下供電控制系統(tǒng)中，由于輸入系統(tǒng)的電壓為AC220V，而供電系統(tǒng)所需的電壓平臺則為直流電源。故需采用專門的變頻器將電壓轉(zhuǎn)換為直流電源。為此，選用了市場上成熟的青島公司研發(fā)的BPJ-315/1140型變頻器，其實物圖如圖4所示。該變頻器采用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，能將交流電轉(zhuǎn)化為直流的DC24V、DC12V、DC5V等不同等級的電壓值，并能將轉(zhuǎn)換時間控制在0.5s范圍內(nèi)。同時，能對輸入電壓信號進行濾波和整流處理。另外，通過該變頻器，能實現(xiàn)對供電系統(tǒng)中的過流、過壓、過載等方面進行實時保護。

圖3 PLC控制器實物圖 圖4 BPJ-315/1140型變頻器

4 遠距離供電系統(tǒng)的應(yīng)用

為進一步驗證升級后的井下遠距離供電控制系統(tǒng)的綜合性能，對該系統(tǒng)進行了為期6個月的實際應(yīng)用測試，主要與帶式輸送機、刮板輸送機、采煤機、通風(fēng)機等設(shè)備進行了集成化供電，檢測內(nèi)容包括電壓檢測、功率檢測、溫度檢測、耗電量等方面進行了應(yīng)用測試。在測試過程中，該系統(tǒng)運行良好，能較好的實現(xiàn)對各類設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進行精準(zhǔn)采集，并將采集數(shù)據(jù)通過配電室中的顯示屏進行全面顯示。當(dāng)某設(shè)備出現(xiàn)功率過高時，該系統(tǒng)能及時發(fā)出相應(yīng)的報警提示，并將超高功率設(shè)備的名稱及耗電狀態(tài)進行實時顯示，并執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)備用電控制，整個過程無需人員進行控制，大大提高了人員的作業(yè)安全。據(jù)估算，通過該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，井下供電過程的故障率降低了將近50%，為企業(yè)節(jié)約超過50萬/年的電費支出，所帶來的經(jīng)濟效益巨大，也得到了人員的一致認(rèn)可。由此，說明該系統(tǒng)具有更高的可靠性及實際應(yīng)用價值。

5 結(jié) 語

將當(dāng)前先進的控制技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下供電系統(tǒng)中，實現(xiàn)井下供電系統(tǒng)的升級設(shè)計，是有效保證井下供電安全的重要方向。同時，在供電系統(tǒng)運行過程中，不斷對其運行情況進行實時排查，能有效保障井下供電系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性。為此，結(jié)合當(dāng)前供電系統(tǒng)存在問題，開展了井下遠距離供電系統(tǒng)的總體設(shè)計及關(guān)鍵分系統(tǒng)研究，并對該系統(tǒng)進行了實際應(yīng)用測試，結(jié)果表明：該供電控制系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，能更加全面的對井下設(shè)備耗電狀態(tài)進行參數(shù)實時采集及耗電狀態(tài)顯示，實現(xiàn)了對設(shè)備供電過程的遠程控制，也大大降低了人員的勞動強度，為企業(yè)節(jié)約超過50萬/年的電費支出，達到了預(yù)期效果，實際應(yīng)用價值較大。