盾构机用1140V矿用组合开关的电气系统设计

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213125)

盾构机用1140V矿用组合开关的电气系统设计

李瑞

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213125)

针对盾构机的辅助电机数量多的问题，设计了一种1140V电压等级的矿用组合开关的电气系统，介绍了该系统的构成，详细介绍了各构成部分的电气原理。测试和联合调试表明，该系统能够满足现场运行的要求。

煤矿；组合开关；电气系统

1 引言

我国煤矿高效掘进技术有多种[1]：悬臂式掘进机、连续采煤机、掘锚一体化机组、盾构机等。盾构机使巷道全断面一次形成。盾构机作业线的成功试验运行，对我国煤矿井下岩巷掘进具有里程碑意义[2]盾构机的电机包括刀盘电机、刮板机电机、泵站电机、水泵电机、润滑泵电机、油脂泵电机等。本文开发设计的组合开关对除刀盘电机外的辅助电机进行保护和控制。辅助电机的功率相对较小，一般采用1140V等级的电压供电。因为辅助电机的数量比较多，所以设计了组合开关对其进行保护和控制。

2 系统构成

如图1所示，组合开关的电气系统由键显、控制器、通信模块、保护器、电机温度检测电路、主回路等几部分构成。

多个保护器分别对主回路的每一个回路进行各种保护和启停控制；多个电机温度检测电路检测盾构机的各个辅助电机的温度；控制器通过CAN总线与多个保护器和多个电机温度检测电路交换数据；控制器通过RS485与通信模块交换数据，通信模块支持PROFIBUS-DP对外通信。

图1 组合开关构成

2.1 主回路

主回路设计了12回路，其中2回路作可逆起动器，供刮板机使用。其他8回路控制水泵、润滑泵等各类电机，2路作为备用回路。主回路原理如图2所示。主回路主要由隔离开关QS1、交流真空接触器KM1-KM12、阻容吸收装置RC1-RC12组成。KM1和KM2构成可逆回路，带有机械和电气闭锁。TA1-TA12是电流互感器，其数据接入保护器。

图2 主回路原理图

2.2 键显

键显是组合开关的人机界面，实现整个组合开关的参数配置、状态显示。显示器采用TPC1062K 4线电阻触摸组态屏，通过以太网与控制器进行数据交换，其中包含1路RJ45 10M/100M以太网接口、1路RS485接口、1路RS232接口和USB主/从口各一个， DC24V供电。采用键盘或鼠标操作实现人机对话，主要包括设置各回路相关参数及顺序控制等逻辑控制方式，检查各回路试验功能、本机控制各回路启停，显示各回路监控数据、报警日志等。

2.3 控制器

控制器是整个组合开关的大脑,对内负责接收和处理各个模块上传的数据，控制各个回路的启停。作为人机操作界面的数据服务器，通过Modbus TCP协议与之交换数据；通过CAN总线与保护器通信，实现组合开关状态显示和参数设置，接收和处理先导远控信号和逻辑控制信号，实现通讯控制、顺序控制、双速顺序混合控制等[3]。对外作为Modbus Rtu服务器，为其它设备或网络提供开放的通用协议数据。

2.4 保护器

每4个回路设置一个，共设置3个。负责接收和执行控制器的设置及命令，回路参数及状态监控上传，完成回路的各种保护和试验，如漏电闭锁、过载、短路、缺相、欠压、过压、粘连等保护和空载、短路、漏电闭锁等模拟试验。

控制器的数据采集系统采用计量芯片(DSP)+MCU的模式，原理框图如图3所示。选用以Cortex-M3为内核的微处理器作为主控芯片，多功能高精度的三相电能专用计量芯片IC3作为采集处理核心计量芯片,负责采集处理组合开关的三相电压信号、三相电流信号的模拟信号，获得电压和电流的有效值、有功功率、无功功率、频率、相位等信息。主控芯片M3负责IC3数据的运算，主回路的绝缘监视，CAN通讯，接触器CKJ的吸合与分断控制。与采用AD+MCU模式，即单片机外部扩展模数A/D转换芯片的方式相比，具有功能多样、单片机外围扩展器件少、软件程序算法简单、测量精度高等优点，同时，由于简化了硬件电路和软件电路设计，极大地提高了开关的可靠性。

图3 保护器原理框图

2.5 电机温度检测电路

每4个回路设置一个，共设置3个。每个回路可以同时检测PT100和温度继电器信号。该模块采用DC24V供电，通过CAN总线把电机温度信号传送给控制器。

2.6 通信模块

PM-160是一款实现串口与PROFIBUS-DP数据通信的网关，可以实现Modbus/RS-485接口转换为PROFIBUS-DP的网络设备[4]。 该模块采用DC24V供电，通过RS-485总线与控制器连接，并把控制器信息转为PROFIBUS-DP数据，把接收到的PROFIBUS-DP数据传送给控制器。

3 结语

本文设计的盾构机用1140V组合开关的电气系统采用总线结构，结构简单，经过反复调试和测试，总线通信过程数据误码率低，响应速度快，可以动态增加和减少分立模块的数目。该系统应用到盾构机上，通过联合调试，运行比较稳定、可靠。该系统能够满足现场运行的要求。

[1] 李军良.煤矿高效掘进技术现状与发展趋势[J].山东工业技术，2015(11):75.

[2] 建信.世界首条竖井高瓦斯煤矿盾构机作业线在张集煤矿成功试运行[J].建井技术，2015(2)：24.

[3] 李瑞.矿用组合开关综保接口模块的设计[J].电气开关，2013(3)：41.

[4] SiboTech.Serial/PROFIBUS-DP网关PM-160产品手册[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)自动化股份有限公司研发项目(2015H004)

TD611

B

2017-01-04

李瑞(1983-)，男，山东枣庄人，工程师，硕士，现主要从事煤矿电气产品的设计与开发工作。