綜采工作面中遠(yuǎn)距離供電控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì) *

郭志強(qiáng)

(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(guó)家綜合國(guó)力的快速發(fā)展，各煤礦企業(yè)加大了對(duì)煤礦資源的開(kāi)采力度，越來(lái)越多的煤礦企業(yè)加大了對(duì)煤礦設(shè)備的投入，整個(gè)煤礦開(kāi)采區(qū)域的電能耗電量也相對(duì)較大，在諸多設(shè)備一起作業(yè)情況下，將會(huì)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(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)井下設(shè)備的實(shí)時(shí)供電[1]。當(dāng)前，礦井中一般均實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gè)供電網(wǎng)絡(luò)存在線路老化、整體自動(dòng)化程度較低等問(wèn)題，運(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)礦井工作面中供電系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，已成為當(dāng)前提升礦井安全的必然趨勢(shì)。為此，根據(jù)現(xiàn)有供電系統(tǒng)存在問(wèn)題，開(kāi)展了井下遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，使得新供電控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。

1 遠(yuǎn)距離供電過(guò)程中存在的問(wèn)題

當(dāng)前井下供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中仍存在較多問(wèn)題，下面重點(diǎn)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)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(cè)設(shè)備未進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，若在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)展，存在無(wú)法有效兼容問(wèn)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(wú)法進(jìn)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(shí)作業(yè)狀態(tài)，作業(yè)時(shí)的功率相對(duì)較高，供電系統(tǒng)作業(yè)時(shí)經(jīng)常處于功率超高、變頻器過(guò)熱等問(wèn)題，出現(xiàn)空氣開(kāi)關(guān)跳閘。

(4) 現(xiàn)有供電系統(tǒng)需人員根據(jù)設(shè)備的實(shí)際使用情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人員操作，且設(shè)備的用電情況無(wú)法通過(guò)顯示屏進(jìn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，整體智能化遠(yuǎn)程控制能力相對(duì)較弱。

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

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

2 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有供電系統(tǒng)，對(duì)原供電控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的供電控制系統(tǒng)包括了遠(yuǎn)端的配電室、高壓開(kāi)關(guān)、移動(dòng)變電站、PLC控制器、采集模塊等組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)等高功率設(shè)備的供電過(guò)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(guò)變電站，可將交流電源轉(zhuǎn)換為3 300 V或1 140 V的動(dòng)力電源，以供設(shè)備使用。同時(shí)，采集模塊包括了電壓傳感器、功率檢測(cè)儀、溫度傳感器等，能實(shí)時(shí)的對(duì)井下設(shè)備供電狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[5]。PLC控制器則選用了西門子的S7-300型，能保證整個(gè)供電過(guò)程中高效穩(wěn)定運(yùn)行。變頻器則選用了BPJ-315/1140型變頻器主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備及控制電路所需電壓及信號(hào)轉(zhuǎn)換。配電室是整個(gè)供電控制系統(tǒng)的終端，包括監(jiān)控平臺(tái)、工控機(jī)等配置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下設(shè)備用電狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)設(shè)備的用電情況作出控制命令的實(shí)時(shí)調(diào)整。整個(gè)系統(tǒng)中的信號(hào)則利用RS485和CAN通訊進(jìn)行信號(hào)傳輸，以保證所傳輸信號(hào)的穩(wěn)定。

3 供電系統(tǒng)中關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

3.1 電流檢測(cè)電路

電流采集電路是整個(gè)供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵，通過(guò)電路中的檢測(cè)模塊，能對(duì)電機(jī)中的三相定子進(jìn)行檢測(cè)，所檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)電流信號(hào)調(diào)理和AD信號(hào)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，以供PLC控制器進(jìn)行信號(hào)的分析處理。因此，整個(gè)電路中選用了TBC06DS型霍爾電流傳感器，利用內(nèi)部 OPO7算法來(lái)實(shí)現(xiàn)電路信號(hào)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(guò)零檢測(cè)電路。另外，在電路中將IOPBO與LPC2131通過(guò)管腳29號(hào)進(jìn)行連接，以此來(lái)彌補(bǔ)系統(tǒng)中逆變器的死區(qū)補(bǔ)償問(wèn)題。電路檢測(cè)電路圖如圖2所示。

圖2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

3.2 PLC控制器選型設(shè)計(jì)

PLC控制器中整個(gè)遠(yuǎn)程供電控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵，能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換、分析、處理及對(duì)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(chǎng)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(gè)1 000M以上的冗余光接口，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能通過(guò)RS485接口進(jìn)行通訊連接，能適用于超過(guò)16個(gè)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(jìn)行分析處理，然后對(duì)不同分部的變頻器進(jìn)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(tái)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(chǎng)上成熟的青島公司研發(fā)的BPJ-315/1140型變頻器，其實(shí)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(jí)的電壓值，并能將轉(zhuǎn)換時(shí)間控制在0.5s范圍內(nèi)。同時(shí)，能對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行濾波和整流處理。另外，通過(guò)該變頻器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)中的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。

圖3 PLC控制器實(shí)物圖 圖4 BPJ-315/1140型變頻器

4 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證升級(jí)后的井下遠(yuǎn)距離供電控制系統(tǒng)的綜合性能，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了為期6個(gè)月的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，主要與帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、通風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行了集成化供電，檢測(cè)內(nèi)容包括電壓檢測(cè)、功率檢測(cè)、溫度檢測(cè)、耗電量等方面進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，能較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)各類設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)配電室中的顯示屏進(jìn)行全面顯示。當(dāng)某設(shè)備出現(xiàn)功率過(guò)高時(shí)，該系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，并將超高功率設(shè)備的名稱及耗電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)備用電控制，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人員進(jìn)行控制，大大提高了人員的作業(yè)安全。據(jù)估算，通過(guò)該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，井下供電過(guò)程的故障率降低了將近50%，為企業(yè)節(jié)約超過(guò)50萬(wàn)/年的電費(fèi)支出，所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益巨大，也得到了人員的一致認(rèn)可。由此，說(shuō)明該系統(tǒng)具有更高的可靠性及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 語(yǔ)

將當(dāng)前先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下供電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)井下供電系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)，是有效保證井下供電安全的重要方向。同時(shí)，在供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不斷對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(wèn)題，開(kāi)展了井下遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)研究，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，結(jié)果表明：該供電控制系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，能更加全面的對(duì)井下設(shè)備耗電狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集及耗電狀態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備供電過(guò)程的遠(yuǎn)程控制，也大大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)節(jié)約超過(guò)50萬(wàn)/年的電費(fèi)支出，達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較大。