綜采工作面智能噴霧泵站電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

張敏立

（潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

1 引言

潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)綜采工作面在進(jìn)行粉塵綜合治理時，噴霧系統(tǒng)每個降塵點的電氣控制系統(tǒng)是相互獨立的，需要人工實時操作、監(jiān)控整個運(yùn)行過程，工人工作強(qiáng)度大。不及時開啟噴霧系統(tǒng)會導(dǎo)致綜采工作面粉塵濃度過高，嚴(yán)重?fù)p害井下作業(yè)人員健康，甚至引起煤塵爆炸；噴霧系統(tǒng)關(guān)閉延遲，造成水資源浪費(fèi)和煤質(zhì)變差，對礦井的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響[1]。為了解決此技術(shù)難題，借鑒現(xiàn)有的PLC智能控制技術(shù)，對孟家窯煤業(yè)噴霧站電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究。

2 噴霧站電氣控制系統(tǒng)簡介

綜采工作面采用一套智能化、自動化噴霧泵站，電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化調(diào)控噴霧泵站防塵工作。泵站工作電源為50Hz，電壓為兩個等級，分別為660V 和1140V，其他一些元器件采用380V 以及更小的電壓等級。電氣控制系統(tǒng)的核心控制元件為PLC 控制器，PLC 通過編寫程序代碼用于命令各個執(zhí)行元件執(zhí)行相應(yīng)的動作，在控制柜設(shè)置有人機(jī)界面的顯示端。該顯示端能夠?qū)崟r監(jiān)控噴霧泵站運(yùn)行的各項參數(shù)，PLC 控制器根據(jù)參數(shù)變化智能地做出實時修正，以確保智能噴霧站運(yùn)行穩(wěn)定。

3 電氣控制系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 主回路設(shè)計

潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)智能噴霧泵站電氣控制系統(tǒng)主回路采用的是暫態(tài)電壓[2]，但是暫態(tài)電壓是高電壓脈沖快速攀升而疊加引起電壓節(jié)節(jié)升高，在噴霧站電機(jī)啟動瞬間，嚴(yán)重危害電機(jī)使用壽命。為了抑制電壓瞬時攀升，采用RC 阻容電路來吸收升高的電壓，從而實現(xiàn)穩(wěn)定電壓啟動噴霧站電機(jī)的目的[3]。主回路中的阻容吸壓電路設(shè)計如圖1 所示，在電路中，壓敏電阻和無感電容采用并聯(lián)方式，真空接觸器與阻容相連，位于電機(jī)一側(cè)。

圖1 主回路中的阻容吸收電路

主回路為實現(xiàn)吸收電壓的目的，壓敏電阻阻值選擇考慮到衰減速度因素，經(jīng)過多次試驗，壓敏電阻阻值適宜范圍為200～500Ω；電容值則應(yīng)考慮浪涌和負(fù)載因素，若電機(jī)帶動的負(fù)載產(chǎn)生的電流小于150A 時，電容的適應(yīng)范圍為0.02～0.2μF。當(dāng)KM真空接觸器閉合瞬間，電氣控制系統(tǒng)主回路會產(chǎn)生高頻率的過電壓，阻容吸收電路中的電容則表現(xiàn)為低阻抗，高頻波被阻容吸收，吸收的能量通過電阻將其消耗掉，進(jìn)而達(dá)到降壓抑壓的目的，從而確保了電機(jī)穩(wěn)定電壓啟動。

3.2 保護(hù)電路設(shè)計

（1）漏電閉鎖保護(hù)

潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)工作面噴霧站出現(xiàn)過漏電事故，經(jīng)常燒壞電氣設(shè)備，若不采取有效的保護(hù)措施，極有可能引發(fā)觸電事故和瓦斯、煤塵爆炸。智能噴霧站電氣控制系統(tǒng)漏電閉鎖保護(hù)電路設(shè)計如圖2 所示，漏電保護(hù)電路中的故障繼電器監(jiān)測用電設(shè)備以及電纜是否存在漏電，真空接觸器是用來開停噴霧站電機(jī)的。若無漏電情況，則故障繼電器處于斷開，回路的觸點則為閉合狀態(tài)，電路中的電流由控制電源提供，真空接觸器通電閉合，電機(jī)平穩(wěn)啟動工作；若檢測到漏電故障時，漏電電流則會經(jīng)過真空接觸器的輔助觸點，進(jìn)而流經(jīng)故障繼電器的整個線圈，從線圈出來后經(jīng)過直流電源最終流經(jīng)大地，對地電阻（R1、R2、R3）因與大地相連，電流通過對地電阻流入到主回路，一旦電流數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時，故障繼電器帶電觸發(fā)常閉觸點斷開，此時真空接觸器斷電從而主觸點斷開，電路被斷開，進(jìn)而實現(xiàn)閉鎖保護(hù)的功能。表1 為漏電閉鎖電路中各個電阻在不同電壓下動作發(fā)生值和所用時間。維修人員經(jīng)過對漏電故障處理后，絕緣電阻值升高，達(dá)到解鎖電阻值，整個電路恢復(fù)正常。

圖2 漏電閉鎖保護(hù)電路工作原理

表1 保護(hù)電路中的漏電電阻動作發(fā)生值

（2）過載保護(hù)

孟家窯煤業(yè)噴霧站出現(xiàn)過載將會燒壞電機(jī)，為了保護(hù)電機(jī)等設(shè)備，對電氣控制系統(tǒng)設(shè)計了過載保護(hù)電路，如圖3 所示。電路中電流互感器的作用是實時收集電路中電流信號，并在互感器二次側(cè)的電阻R1 上實現(xiàn)對電壓的降低。通過二極管橋式整流器整流，交流則可以轉(zhuǎn)換為直流。濾波電路（R2、C）的作用為降整流出來的脈動電流轉(zhuǎn)為平滑的直流電，通過與設(shè)計電流值作比較，并且對其進(jìn)行時間調(diào)控，若測得電流大于設(shè)計電流，且產(chǎn)生時間超過規(guī)定時間，在PLC 控制器調(diào)控下，立即命令執(zhí)行元件執(zhí)行相應(yīng)斷開電路動作，從而完成對智能噴霧站電機(jī)等電氣設(shè)備實施過載保護(hù)。智能噴霧站電氣控制系統(tǒng)短路保護(hù)電路[4]工作原理與過載保護(hù)基本一致。

圖3 保護(hù)電路中的過載保護(hù)

（3）綜保

孟家窯煤業(yè)綜采工作面智能噴霧站選擇ZBQP-200T 型綜合保護(hù)電機(jī)，而散熱風(fēng)機(jī)選擇型號為ZBQP-80T 綜合保護(hù)噴霧泵和變頻器，電氣控制系統(tǒng)的主回路漏電監(jiān)測以及保護(hù)選用ZBK-3TE 型綜保。這些綜合保護(hù)裝置能與不同電壓等級以及頻率為50Hz 的交流電磁啟動器相互配合。綜保裝置設(shè)計有RS-586 接口，起通訊作用，并將信息與PLC控制器進(jìn)行交換。整個綜保裝置功能完善，綜合保護(hù)精準(zhǔn)，動作執(zhí)行相應(yīng)速度敏捷，能夠保障綜采工作面智能噴霧站需求。

3.3 控制回路設(shè)計

孟家窯煤業(yè)綜采工作面工況復(fù)雜，外部環(huán)境會對控制器、動力電纜、變頻器等產(chǎn)生一定的干擾，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)調(diào)控效果，需要設(shè)計抗干擾控制回路。抗干擾的控制回路主要由電源隔離、繼電器隔離為PLC 控制器提供電能[5]，隔離開關(guān)與變壓器相連接，變壓器與兩相電源線接入之前，需經(jīng)過熔斷器調(diào)控，促使主回路電壓等級確定為1140V，經(jīng)過變壓器作用后，分出來的36V、127V 和220V 分別用于綜保、照明和其他元器件供電。控制回路中的PLC 供電電壓為220V，此電壓等級正好也為交流接觸器供電，有利確?？刂苹芈饭╇娕c其他設(shè)備供電隔離開來?？刂苹芈吩O(shè)計了三種調(diào)控模式，分別為應(yīng)急模式、手動模式和智能模式，在控制回路調(diào)控下，噴霧站良好的實現(xiàn)智能化和自動化。

4 電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行效果

為了驗證潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)智能噴霧站電控系統(tǒng)的可靠性，監(jiān)控系統(tǒng)對智能噴霧站的電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)中顯示的電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)界面之一，如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)中的智能噴霧站電氣控制界面

以綜保為例作闡述，為測試電控系統(tǒng)中的綜保性能，驗證了噴霧站電控下的故障綜合保護(hù)功能，如圖5 所示。試驗中對電壓故障、電流故障進(jìn)行了測試，測試結(jié)果顯示智能噴霧站電氣控制系統(tǒng)的綜保均能在第一時間主動做出跳閘反應(yīng)，自動切斷主回路電路連接，保護(hù)了電氣設(shè)備免遭受損害，有效地遏制了事故的進(jìn)一步發(fā)展。

圖5 智能噴霧站電氣控制系統(tǒng)綜保測試

進(jìn)一步查看綜保對電機(jī)的保護(hù)情況，綜保在電氣控制下對電機(jī)的保護(hù)測試結(jié)果如圖6 所示。從測試結(jié)果曲線看出，在6s 內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行幅值在不斷上升，且上升變化趨勢較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常情況；在8s 時給定不同的工況，幅值出現(xiàn)了變化，但是在綜合保護(hù)作用下，經(jīng)過2s 反應(yīng)時間，迅速恢復(fù)原狀，說明智能噴霧站電機(jī)在電氣控制下能夠起到良好的綜合保護(hù)效果。

圖6 智能噴霧站在電氣控制下對電機(jī)保護(hù)的測試結(jié)果

5 結(jié)論

利用現(xiàn)今較為成熟的PLC 控制技術(shù)，對噴霧站電控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）智能噴霧泵站電控系統(tǒng)采用的是暫態(tài)電壓，為了抑制電壓瞬時攀升，采用RC 阻容電路來吸收升高的電壓，確保主回路電壓穩(wěn)定，電機(jī)實現(xiàn)平穩(wěn)啟動。

（2）為了有效保護(hù)噴霧站系統(tǒng)，在電控系統(tǒng)設(shè)計了漏電閉鎖保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)和綜合保護(hù)等眾多保護(hù)電路。

（3）防止外界環(huán)境干擾控制精準(zhǔn)度，電控系統(tǒng)采用控制電路來實現(xiàn)應(yīng)急、手動和智能三種智能調(diào)控模式。

（4）為驗證智能噴霧站電控系統(tǒng)的可靠性，觀測了智能噴霧站的電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，測試了智能噴霧站電控系統(tǒng)運(yùn)行性能。測試結(jié)果表明，智能噴霧站在電氣控制下運(yùn)行效果理想，達(dá)到了孟家窯煤業(yè)生產(chǎn)所需。