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

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213125)

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

李瑞

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213125)

針對盾構(gòu)機的輔助電機數(shù)量多的問題，設(shè)計了一種1140V電壓等級的礦用組合開關(guān)的電氣系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成，詳細介紹了各構(gòu)成部分的電氣原理。測試和聯(lián)合調(diào)試表明，該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場運行的要求。

煤礦；組合開關(guān)；電氣系統(tǒng)

1 引言

我國煤礦高效掘進技術(shù)有多種[1]：懸臂式掘進機、連續(xù)采煤機、掘錨一體化機組、盾構(gòu)機等。盾構(gòu)機使巷道全斷面一次形成。盾構(gòu)機作業(yè)線的成功試驗運行，對我國煤礦井下巖巷掘進具有里程碑意義[2]盾構(gòu)機的電機包括刀盤電機、刮板機電機、泵站電機、水泵電機、潤滑泵電機、油脂泵電機等。本文開發(fā)設(shè)計的組合開關(guān)對除刀盤電機外的輔助電機進行保護和控制。輔助電機的功率相對較小，一般采用1140V等級的電壓供電。因為輔助電機的數(shù)量比較多，所以設(shè)計了組合開關(guān)對其進行保護和控制。

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、保護器、電機溫度檢測電路、主回路等幾部分構(gòu)成。

多個保護器分別對主回路的每一個回路進行各種保護和啟?？刂疲欢鄠€電機溫度檢測電路檢測盾構(gòu)機的各個輔助電機的溫度；控制器通過CAN總線與多個保護器和多個電機溫度檢測電路交換數(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對外通信。

圖1 組合開關(guān)構(gòu)成

2.1 主回路

主回路設(shè)計了12回路，其中2回路作可逆起動器，供刮板機使用。其他8回路控制水泵、潤滑泵等各類電機，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，帶有機械和電氣閉鎖。TA1-TA12是電流互感器，其數(shù)據(jù)接入保護器。

圖2 主回路原理圖

2.2 鍵顯

鍵顯是組合開關(guān)的人機界面，實現(xiàn)整個組合開關(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， DC24V供電。采用鍵盤或鼠標操作實現(xiàn)人機對話，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，檢查各回路試驗功能、本機控制各回路啟停，顯示各回路監(jiān)控數(shù)據(jù)、報警日志等。

2.3 控制器

控制器是整個組合開關(guān)的大腦,對內(nèi)負責接收和處理各個模塊上傳的數(shù)據(jù)，控制各個回路的啟停。作為人機操作界面的數(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總線與保護器通信，實現(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)遠控信號和邏輯控制信號，實現(xiàn)通訊控制、順序控制、雙速順序混合控制等[3]。對外作為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 保護器

每4個回路設(shè)置一個，共設(shè)置3個。負責接收和執(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和試驗，如漏電閉鎖、過載、短路、缺相、欠壓、過壓、粘連等保護和空載、短路、漏電閉鎖等模擬試驗。

控制器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計量芯片(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量芯片IC3作為采集處理核心計量芯片,負責采集處理組合開關(guān)的三相電壓信號、三相電流信號的模擬信號，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負責IC3數(shù)據(jù)的運算，主回路的絕緣監(jiān)視，CAN通訊，接觸器CKJ的吸合與分斷控制。與采用AD+MCU模式，即單片機外部擴展模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換芯片的方式相比，具有功能多樣、單片機外圍擴展器件少、軟件程序算法簡單、測量精度高等優(yōu)點，同時，由于簡化了硬件電路和軟件電路設(shè)計，極大地提高了開關(guān)的可靠性。

圖3 保護器原理框圖

2.5 電機溫度檢測電路

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

2.6 通信模塊

PM-160是一款實現(xiàn)串口與PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)關(guān)，可以實現(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)計的盾構(gòu)機用1140V組合開關(guān)的電氣系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和測試，總線通信過程數(shù)據(jù)誤碼率低，響應(yīng)速度快，可以動態(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)機上，通過聯(lián)合調(diào)試，運行比較穩(wěn)定、可靠。該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場運行的要求。

[1] 李軍良.煤礦高效掘進技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[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)機作業(yè)線在張集煤礦成功試運行[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[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[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)自動化股份有限公司研發(fā)項目(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)計與開發(fā)工作。