组合智能开关在综采工作面的应用

桑宗其，杨泽进

（煤炭工业太原设计研究院，太原 030001）

矿井综采工作面主要有转载机、破碎机、刮板输送机、采煤机等大型用电设备，若配置QJZ-400/1140S、QJZ-300/1140S、KBZ-400/1140 等型号的真空磁力启动器时存在以下缺点：①设备数量多，投资大。②有限空间设备过于集中，不易管理，不便检修。③对于双机双速输送机等设备采用单一开关控制欠妥[1]。

山西天地王坡煤业有限公司3101综采工作面采用HT6L-400/1140型矿用隔爆兼本安型组合式智能开关解决了上述问题。

1 组合智能开关的功能特点与PLC

1）功能特点。①组合智能开关内嵌有本安型先导模块，并能有效防止控制线路断电、短路、接地引发的开关自启发生。②组合智能开关控制系统和保护系统均用西门子的PLC对系统监控，完成短路、过载、断相、失压、欠压、漏电闭锁或对称性与选择性漏电功能，具有性能稳定、保护齐全、智能化高、动作可靠等优点。③采用触摸式全中文液晶显示屏（西门子），能对开关的工作参数、状态、故障类型进行记忆和显示，用户界面还有良好的人机对话功能，能提高排除故障和判断故障的效率。④将全部模拟信号转换为数字信号，具有信息量大、接线简捷、抗干扰功能力强、控制准确可靠等优点。⑤具有良好的自检、自诊断、故障模拟试验功能，便于工作人员对故障的检查与排除。

2）PLC是可编程控制器的简称，是通用型自动装置，能把计算机控制和传统继电器控制相结合。PLC能把连续物理变量转换为数字信号，通过转换器把物理变量转换为电流或电压等信号，再通过PLC的A/D转换模块转变为数字信号发送到PLC微处理；其输出的信号再经PLC的D/A转换模块转变成电流或电压等信号，作为驱动信号输出。PLC具有下列特点[2]：①功能强大、编程简单、可靠性高、体积小、使用方便。②模块化结构的控制电路，维护更换较方便，还能显示故障类型。③操作较简单，信号显示更加形象和直观。④性价比较高。⑤编程软件为应用型，基于Windows平台，可把电脑当作编程器开发用户程序，并能实时在线监控用户程序的执行状态。

2 电气工作原理

1)保护系统。①过载与短路保护。采用鉴付式保护原理，通过I/V变换器把电流取样输入PLC作处理，且与CPU设定的电流值作比较，PLC按照比较结果发出指令，进而断开相应的故障回路，显示屏还显示与记忆故障类型及出现故障时的参数。②漏电闭锁：采用附加直流检测原理，在接触器闭合之前，若被控回路设定的整定值为正确，漏电闭锁继电器将闭合，PLC对漏电信号作检测。若漏电闭锁设定值高于负荷线路上绝缘电阻值，PLC就会闭锁故障回路，这时启动操作无法进行，从而实现漏电闭锁，显示屏还显示故障类型，以便工作人员及时排除故障。③过压与欠压保护：欠压与过压信号是直接经PLC采样，由内部整流后与设定值作比较。若采样值高于或低于设定的过压与欠压值，开关在启动之前将延时闭锁全部回路，不能执行启动操作，此时显示屏显示故障类型。当系统的电压恢复到允许值范围时，开关将自动解锁，执行启动操作。启动后，则过压与欠压执行机构延时跳闸。④断相保护：利用电流不平衡的原理，通过转换器将分时采样的信号提供给PLC，其采样值和预先设定的整定值作比较。如果比较值小于采样值，则相应故障回路的保护装置起动，人机交互界面记忆故障类别及信息。⑤故障(漏电、短路)模拟试验：漏电继电器K001、短路继电器K002的电源回路中串接着六个回路主控制继电器的常闭接点，若有任意一个回路处于运行状态就不进行试验，见图1；图中0表示正常运行，1表示漏电试验，2表示短路试验。

图1 漏电、短路试验电器原理图

2）控制步骤及方式。①组合智能开关能按井下综采面的工况实行单回路控制方式运行、多回路程序控制方式运行、双机双速双回路控制方式运行、单机双速双回路控制方式运行。②当工作面的工作条件较恶劣、片帮严重、浮煤浮矸较多时，刮板输送机容易出现被压死的现象，采用双机双速双回路启动方式，可在低速条件下启动以增大启动力矩，在给定条件下可自动投入到高速运行。具体控制步骤如下。③先将组合智能开关的高低速切换开关置于“高速”运行位置，由低速挡向高速挡自动切换过程的控制方式是以电流为主、时间为辅的。④按下设置在远方的启动按钮，先导电路中的继电器闭合，同时向PLC执行启动命令，机头和机尾漏电检测继电器被释放，机头低速中间继电器和机头低速主接触器闭合，机头电机投入低速作运行。经过一段延时，机尾低速中间继电器才闭合，机尾低速主接触器也闭合，机尾的电机正式投入低速运行。⑤低速启动后，当电流降到PLC给定值时，机头和机尾中间的继电器被释放，主接触器就会断开，电机低速绕组也被断开，此时机头和机尾的高速中间继电器将闭合，且同时主接触器闭合，电机转入高速运行状态。⑥若低速运行时电流未能降低到PLC给定值时，将一直维持在低速运行状态。若启动后运行电流立即降低到PLC给定值时，通过延时，电机将投入高速运行状态。若需在低速条件下长时间运行，则把开关上的高低速切换开关置于“低”档运行位置，即能实现长时间低速运行。⑦按下远方的停止按钮，先导继电器就会失电，且同时会向PLC作出停止命令，机头和机尾中间的继电器被释放，主接触器将断开，电机立即停止运行。通过延时，漏电检测继电器闭合，投入到漏电检测状态，这就能再次进行启动操作。⑧电机在上述任意一种控制方式下运行，只要向外拉动对应的隔离换向开关手柄，都可使正在运行的电机立即停止运行，从而实现就地停止功能。⑨本矿井在综采工作面把各回路的先导线路接入到TK200通讯控制一体化系统中，进行综合控制与监测。实现了起动预警信号和通信功能，保证安全生产，提高生产效率。

3 组合智能开关抗干扰功能的设计

由于电气设备的存在，尤其是高压高频电机启动时产生冲击、大电流运行时产生的强电磁场及电网谐波等干扰因素的存在，将威胁到控制系统的运行和通信网络稳定、安全、畅通。故按各干扰源情况采取如下措施[3]：①接地处理：PLC采用单独的专用接地处理。②模拟量输入信号滤波：对电气设备的电流、电源等模拟量信号应在输入PLC模拟量通道之前，先通过信号隔离器去除通道中的串模干扰，在确保有用信号不会衰减的前提下，最大限度衰减高频干扰，提高通道中的信噪比。③模拟量通道的屏蔽：模拟量信号的输入导线，采用有屏蔽的双绞线电缆，以降低电磁耦合干扰与辐射干扰。④工作电源：工作电源为先导回路二次隔离后供给PLC；在隔离大功率设备电位基础的同时，还对电网绝缘电阻监测。⑤程序设计干扰处理：对模拟量输入信号，通常需用延时滤波技术消除瞬时干扰。对于数字量信号的输入，采用锁存与指令对比技术，降低错误信号。

4 结束语

组合智能开关的优点：①实现了集中控制，减少了冗余设备，提高了生产效率。②组合智能开关自动化水平高、性价比高、操作简单、故障率低、维护量小，达到国内先进水平。③能自动及时发现故障、显示故障情况，并自动排除故障或中止故障的扩大蔓延，从而提高了安全可靠性。④有多种控制方式运行，并保护与控制系统采用S7-200可编程控制器PLC，对系统进行监测监控。

[1] 于成龙.攀钢加热炉电气自动控制系统研制[J].工业控制计算机，2009，22(4):109-113.

[2] 刘明超.Siemens PLC在转炉炼钢自动控制系统的应用[J].甘肃冶金，2010，32(2):92-95.

[3] 孙一奇.基于PROFIBUS-DP现场总线的掘进工作面多局部通风机监测监控系统的研究[D].太原：太原理工大学，2006.