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盾構(gòu)機(jī)用1140V礦用組合開關(guān)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李瑞

(天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213125)

針對(duì)盾構(gòu)機(jī)的輔助電機(jī)數(shù)量多的問題，設(shè)計(jì)了一種1140V電壓等級(jí)的礦用組合開關(guān)的電氣系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成，詳細(xì)介紹了各構(gòu)成部分的電氣原理。測(cè)試和聯(lián)合調(diào)試表明，該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求。

煤礦；組合開關(guān)；電氣系統(tǒng)

1 引言

我國(guó)煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)有多種[1]：懸臂式掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)、掘錨一體化機(jī)組、盾構(gòu)機(jī)等。盾構(gòu)機(jī)使巷道全斷面一次形成。盾構(gòu)機(jī)作業(yè)線的成功試驗(yàn)運(yùn)行，對(duì)我國(guó)煤礦井下巖巷掘進(jìn)具有里程碑意義[2]盾構(gòu)機(jī)的電機(jī)包括刀盤電機(jī)、刮板機(jī)電機(jī)、泵站電機(jī)、水泵電機(jī)、潤(rùn)滑泵電機(jī)、油脂泵電機(jī)等。本文開發(fā)設(shè)計(jì)的組合開關(guān)對(duì)除刀盤電機(jī)外的輔助電機(jī)進(jìn)行保護(hù)和控制。輔助電機(jī)的功率相對(duì)較小，一般采用1140V等級(jí)的電壓供電。因?yàn)檩o助電機(jī)的數(shù)量比較多，所以設(shè)計(jì)了組合開關(guān)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)和控制。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，組合開關(guān)的電氣系統(tǒng)由鍵顯、控制器、通信模塊、保護(hù)器、電機(jī)溫度檢測(cè)電路、主回路等幾部分構(gòu)成。

多個(gè)保護(hù)器分別對(duì)主回路的每一個(gè)回路進(jìn)行各種保護(hù)和啟?？刂?；多個(gè)電機(jī)溫度檢測(cè)電路檢測(cè)盾構(gòu)機(jī)的各個(gè)輔助電機(jī)的溫度；控制器通過CAN總線與多個(gè)保護(hù)器和多個(gè)電機(jī)溫度檢測(cè)電路交換數(shù)據(jù)；控制器通過RS485與通信模塊交換數(shù)據(jù)，通信模塊支持PROFIBUS-DP對(duì)外通信。

圖1 組合開關(guān)構(gòu)成

2.1 主回路

主回路設(shè)計(jì)了12回路，其中2回路作可逆起動(dòng)器，供刮板機(jī)使用。其他8回路控制水泵、潤(rùn)滑泵等各類電機(jī)，2路作為備用回路。主回路原理如圖2所示。主回路主要由隔離開關(guān)QS1、交流真空接觸器KM1-KM12、阻容吸收裝置RC1-RC12組成。KM1和KM2構(gòu)成可逆回路，帶有機(jī)械和電氣閉鎖。TA1-TA12是電流互感器，其數(shù)據(jù)接入保護(hù)器。

圖2 主回路原理圖

2.2 鍵顯

鍵顯是組合開關(guān)的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)整個(gè)組合開關(guān)的參數(shù)配置、狀態(tài)顯示。顯示器采用TPC1062K 4線電阻觸摸組態(tài)屏，通過以太網(wǎng)與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其中包含1路RJ45 10M/100M以太網(wǎng)接口、1路RS485接口、1路RS232接口和USB主/從口各一個(gè)， DC24V供電。采用鍵盤或鼠標(biāo)操作實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，主要包括設(shè)置各回路相關(guān)參數(shù)及順序控制等邏輯控制方式，檢查各回路試驗(yàn)功能、本機(jī)控制各回路啟停，顯示各回路監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、報(bào)警日志等。

2.3 控制器

控制器是整個(gè)組合開關(guān)的大腦,對(duì)內(nèi)負(fù)責(zé)接收和處理各個(gè)模塊上傳的數(shù)據(jù)，控制各個(gè)回路的啟停。作為人機(jī)操作界面的數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過Modbus TCP協(xié)議與之交換數(shù)據(jù)；通過CAN總線與保護(hù)器通信，實(shí)現(xiàn)組合開關(guān)狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置，接收和處理先導(dǎo)遠(yuǎn)控信號(hào)和邏輯控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)通訊控制、順序控制、雙速順序混合控制等[3]。對(duì)外作為Modbus Rtu服務(wù)器，為其它設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)提供開放的通用協(xié)議數(shù)據(jù)。

2.4 保護(hù)器

每4個(gè)回路設(shè)置一個(gè)，共設(shè)置3個(gè)。負(fù)責(zé)接收和執(zhí)行控制器的設(shè)置及命令，回路參數(shù)及狀態(tài)監(jiān)控上傳，完成回路的各種保護(hù)和試驗(yàn)，如漏電閉鎖、過載、短路、缺相、欠壓、過壓、粘連等保護(hù)和空載、短路、漏電閉鎖等模擬試驗(yàn)。

控制器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計(jì)量芯片(DSP)+MCU的模式，原理框圖如圖3所示。選用以Cortex-M3為內(nèi)核的微處理器作為主控芯片，多功能高精度的三相電能專用計(jì)量芯片IC3作為采集處理核心計(jì)量芯片,負(fù)責(zé)采集處理組合開關(guān)的三相電壓信號(hào)、三相電流信號(hào)的模擬信號(hào)，獲得電壓和電流的有效值、有功功率、無功功率、頻率、相位等信息。主控芯片M3負(fù)責(zé)IC3數(shù)據(jù)的運(yùn)算，主回路的絕緣監(jiān)視，CAN通訊，接觸器CKJ的吸合與分?jǐn)嗫刂啤Ｅc采用AD+MCU模式，即單片機(jī)外部擴(kuò)展模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換芯片的方式相比，具有功能多樣、單片機(jī)外圍擴(kuò)展器件少、軟件程序算法簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于簡(jiǎn)化了硬件電路和軟件電路設(shè)計(jì)，極大地提高了開關(guān)的可靠性。

圖3 保護(hù)器原理框圖

2.5 電機(jī)溫度檢測(cè)電路

每4個(gè)回路設(shè)置一個(gè)，共設(shè)置3個(gè)。每個(gè)回路可以同時(shí)檢測(cè)PT100和溫度繼電器信號(hào)。該模塊采用DC24V供電，通過CAN總線把電機(jī)溫度信號(hào)傳送給控制器。

2.6 通信模塊

PM-160是一款實(shí)現(xiàn)串口與PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)Modbus/RS-485接口轉(zhuǎn)換為PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[4]。 該模塊采用DC24V供電，通過RS-485總線與控制器連接，并把控制器信息轉(zhuǎn)為PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)，把接收到的PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳送給控制器。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的盾構(gòu)機(jī)用1140V組合開關(guān)的電氣系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和測(cè)試，總線通信過程數(shù)據(jù)誤碼率低，響應(yīng)速度快，可以動(dòng)態(tài)增加和減少分立模塊的數(shù)目。該系統(tǒng)應(yīng)用到盾構(gòu)機(jī)上，通過聯(lián)合調(diào)試，運(yùn)行比較穩(wěn)定、可靠。該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求。

[1] 李軍良.煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015(11):75.

[2] 建信.世界首條豎井高瓦斯煤礦盾構(gòu)機(jī)作業(yè)線在張集煤礦成功試運(yùn)行[J].建井技術(shù)，2015(2)：24.

[3] 李瑞.礦用組合開關(guān)綜保接口模塊的設(shè)計(jì)[J].電氣開關(guān)，2013(3)：41.

[4] SiboTech.Serial/PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PM-160產(chǎn)品手冊(cè)[EB/OL].[2017-01-03].http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp.

ElectricSystemDesignof1140VMineAssembledSwitchforaShieldMachine

LIRui

(Tiandi(Changzhou)Automation Co.,Ltd.,Changzhou 213125,China)

In view of problem of numerous shield machine auxiliary motor,an electric system design of 1140V mine assembled witch was designed.The system structure was introduced,and electric principle of each parts were introduced in details.The result of test and debug showed that the system can meet the requirements of field operation.

coal mine;assembled switch;electric system

1004-289X(2017)03-0011-03

天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司研發(fā)項(xiàng)目(2015H004)

TD611

B

2017-01-04

李瑞(1983-)，男，山東棗莊人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事煤礦電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。