礦用隔爆兼本質安全型八組合開關的研制

摘 要：礦用隔爆兼本質安全型組合開關是一種用來控制煤礦井下采煤掘進、運輸等成套設備的組合電器，由主回路和控制回路組成。主回路電源側為4路輸入，負荷側為8路輸出，一臺開關能同時控制8臺電動機的起動、停止。用PLC實現本開關對成套設備多臺電機起停控制與保護，可對開關工況、故障類型顯示和記憶，大大提高判斷故障和排除故障效率。該開關控制方式靈活多樣，配件的集成化，互換性好，插接方便，滿足井下快速處理故障的要求。

關鍵詞：組合開關；礦用隔爆兼本質安全型；集中控制；模塊化布局；任意組合；八組合

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1718503

Development of Mining Flame-proof and Intrinsic Combined Switch with 8 Combination

LI Ping

(Electrical Research Institute，Mechnical and Electric Equipment Manufacturing Plant，Yankuang Group，Zoucheng，273500，China)

Abstract：Mining flame-proof and intrinsic combined switch is a kind of combined equipment used for controlling the developing and converying suite in mine.It consists of main circuit and controlling circuit.The main circuit has 4 inputs of supply and 8 outputs for loads. 8 motors can be controlled simultaneously.It uses PLC as the core controlling device to realize the control and protection of the motors.With the status and fault memorized and displayed，it can be maintained conveniently and high efficiently.And it has flexible ways of control.The components are compatible for exchange and fast plug-in is used in all kinds of connections.This makes it meet the requirement of fast solving of problems in mine.

Keywords：combined switch;mining flame-proof and intrinsic;centralized control;modular arrangement;flexible combination;8 combination

1 引 言

礦用隔爆兼本質安全型組合開關主要是用來控制煤礦井下采煤掘進、運輸等成套設備的組合電器。其特點有利于設備的頻繁搬遷，加快工作面的推進速度，簡化電纜連接、減少電纜使用量和電氣設備占地面積。同時還可減少供電線路的電壓降損耗、減少生產安裝和維護的工作量，極大地提高了生產效率和供電可靠性，降低采煤成本，方便用戶，適應礦區的各種需要。

一臺組合開關能控制8個驅動器，每一驅動器均具備多種保護，各驅動裝置采用模塊化設計及方便的插接技術，滿足井下快速處理故障和維護的要求。該產品通過液晶顯示及本安鍵盤實現人機對話功能，具有故障記憶及故障查詢功能，適應當前及今后煤礦自動化系統的發展。

2 研究中解決的關鍵問題

2.1 控制方式的選擇

為了適應煤礦井下的生產工藝，組合開關設計有單回路控制方式運行、單機單速控制方式運行、多回路程序控制運行、雙機雙速雙回路控制運行、單機雙速控制運行、雙機低速運行控制運行等多種控制功能，處于程序控制下的中間各回路的本安先導電路受控于前臺。這種方式滿足煤礦井下膠帶運輸系統“逆煤流啟車，順煤流停車”的控制要求。設計優點在于：在一次任務中，既可以存在非程控/單機控制方式，同時還可以存在程控/多機方式，即每一回路既可獨立于其他回路，又可控制其他回路，還可受控于其他回路或作為備用。可根據用戶要求增加控制方式，并能根據需要實現上述控制功能的自由組合。

2.2 保護及控制系統的軟件設計

組合開關的保護及控制由PLC集中完成。軟件設計分主程序、監控程序和子程序。在PLC程序設計中大量采用子程序進行結構化設計，具有結構清晰、調試方便等優點。每一個子程序都是一個功能模塊，他們完成存放地址的初始化、采樣信號的處理、故障類型的判別、標志位的設定和液晶屏內容的更新等功能。監控程序主要完成子程序的調用、電動機的啟停及故障判斷、液晶屏換屏等功能。監控程序采用順序作業調度結構進行8支路分時進行漏電檢測，以判斷各回路是否存在漏電事故。電動機投入運行后，PLC停止該回路的漏電檢測，開始對電流、斷相及電壓信號進行采樣，以判斷電動機的工作狀態。

2.3 配件的模塊化設計

驅動器設計為獨立的單元，將接觸器、電流互感器、漏電單元、動觸頭等器件均集成在一個箱體內，且將其設計為互換性強的插接式安裝方式。

為了實現組合開關器件安裝的模塊化，在主控制腔內設計了4個主芯架，芯架采用3 mm鋼板折彎焊接而成，用螺栓固定在主控制腔內，在芯架的后部安裝有主回路靜插頭，以滿足與驅動器的插接。

在整個的設計中主要突出元器件的模塊化及主要配件的可互換性，方便用戶使用及維護。

2.4 防爆殼體的設計

隔爆殼體的設計嚴格按照GB3836.1～2-2000標準設計制作，確保本產品防爆性能。外形圖如圖1所示。

隔爆殼體設計為方形結構，整體更加美觀，由優質鋼板焊接而成。殼體分四個腔，左右接線腔、隔離開關腔和主控制腔。由于回路較多，進出線很多，因此設左右二個接線腔，在接線柱一側設有端蓋，更便于各回路電纜的連接及維修。主腔上方設隔離開關腔，布局更加合理，方便隔離開關之間的閉鎖。主控制箱采用兩個快開門結構，開啟方便。主控制門上設有大屏幕液晶顯示窗口和觸摸式鍵盤，可直觀顯示設備運行的狀態，并可以進行參數設定。隔離開關手柄和主控制腔前門間有可靠的機械閉鎖機構，閉鎖措施確保隔爆箱體打開門后無法操作本產品，而且所有的導電部位均不帶電，并保證開門后所有的隔離開關處于分斷狀態。相反，只有在門蓋正確關閉后，隔離換向開關以及接觸器才能夠進行合閘操作。另外，隔離開關手柄和電氣控制系統之間、和分斷按鈕之間也具有可靠的電氣閉鎖。完整的機械安全連鎖機構及電氣閉鎖設計確保本產品有較強的安全性能。

打開主控制腔前門，可以看到驅動裝置安裝芯架，8個驅動裝置就安裝在芯架的抽拉式隔架上。驅動裝置包括真空接觸器、電流互感器、阻容吸收及漏電保護單元，當驅動裝置插入芯架導軌時，主電源輸入、輸出插頭可自動接上，方便用戶使用及維護。

2.5 軟件抗干擾設計

由于煤礦井下環境過于惡劣，為提高系統的可靠性，采用有效的軟、硬件抗干擾措施。

(1) 對數字量輸入點選擇輸入濾波器，延時讀取輸入信號值，有助于濾除輸入噪聲。

(2) 使用模擬濾波器對模擬信號進行采樣處理，通過多次采樣取平均值的方法來降低瞬間干擾信號的影響。

(3) 合理的屏蔽和走線，控制線和測量信號線盡量垂直布線并且遠離主回路。

(4) 增加系統在開機前后的自檢功能。

(5) 采用軟件陷阱及指令余冗技術。

3 工作原理及保護功能

3.1 工作原理

圖2示出了整個開關的電路原理框圖，從圖中可以看出開關共分4路，第1路三相電源A1、B1、C1經隔離換向開關QS1控制兩件接觸器KM1、KM2，第2、3，4路同理經過各自的隔離換向開關分別控制兩件接觸器，8件接觸器的信號及本安鍵盤JP的信號均傳送至PLC，并通過顯示器GOT顯示。8件接觸器的起動、停止及保護也由PLC集中完成。

本開關各回路相對獨立，主回路可以同時輸入1 140 V和660 V，通過如下途徑實現：四個回路互相獨立，有各自的隔離換向開關控制電源的通斷，互相不受影響。各回路均有一個采樣變壓器，采樣值因各回路電壓值的不同而不同，再經各自的電量變送器輸出后，送至各自的A/D轉換模塊，PLC根據不同回路的值進行運算處理，判斷各回路的實際電壓情況及故障情況。

3.2 保護功能

3.2.1 過壓、欠壓保護

電壓保護有暫態過電壓、穩態過電壓及欠壓保護。暫態過電壓由阻容吸收裝置來完成保護任務，穩態過電壓和欠電壓保護采用鑒幅式保護原理，有效防止了電壓長期過高損壞電機絕緣，電壓過低燒壞電機的事故發生。當電網電壓高于額定電壓的120%時，過壓保護動作；電網電壓低于額定電壓的75%時，欠壓保護動作。

3.2.2 過載保護

過載和短路保護采用鑒幅式保護原理。將電流采樣后經電流變送器送入PLC進行處理，并與CPU存放的整定電流值進行比較，PLC按比較結果發出指令斷開相應的故障回路，并顯示和記憶故障類型以及故障時的參數。組合開關過載保護見表1。

3.2.3 短路保護

短路電流的整定值以被控制電機額定電流的8～10倍來整定，一旦電路電流大于該整定值時，短路保護動作，動作時間0.2～0.4 s。

3.2.4 斷相/不平衡保護

組合開關斷相及相不平衡保護見表2。

3.2.5 主回路漏電閉鎖

漏電閉鎖檢測部分仍采用附加直流電源的原理。在隔離開關閉合后，PLC即對本支路的對地絕緣狀況進行檢測，若本支路對地絕緣電阻小于漏電閉鎖電阻設定值，PLC則閉鎖故障回路，此時，無法進行起動操作，實現漏電閉鎖，同時顯示故障類型。當本支路對地絕緣電阻大于漏電閉鎖電阻設定值，接觸器方可合閘送電。接觸器合閘的同時，斷開漏電閉鎖檢測回路。組合開關主回路對地絕緣電阻閉鎖值符合表3的規定，當絕緣電阻上升到1.5倍閉鎖值時，解除漏電閉鎖。

4 結 語

(1) 組合開關集多臺電動機的控制與保護于一體，元器件模塊化，配件采用方便的插接技術，各驅動器具有互換性，滿足井下快速處理故障和維護的要求。

(2) 電動機工作參數由本安鍵盤設定，而無須專業人員去修改程序中的參數，具有實用性。

(3) 液晶屏的使用，使系統具有直觀性。通過故障記憶可查看運行期間線路中出現的故障，從而準確地掌握運行工況。

(4) 主回路電纜的引入和引出，可根據用戶的具體要求，采用電纜連接器或傳統喇叭口接線方式。

(5) 控制方式靈活，可根據用戶要求改變。

工業生產的運行情況表明，該組合開關性能可靠，對各回路電機起到了良好的保護作用，具有廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

［1］三菱電機公司.Q系列CPU模塊用戶手冊.

［2］何衍慶，戴自祥，俞金壽.可編程序控制器原理及應用技巧［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［3］孫同景，徐德.可編程序控制器(PC)應用基礎［M］. 山東：山東科學技術出版社，1996.

作者簡介 李 萍 女，1970年出生，工程師。現任職于兗礦集團有限公司機電設備制造廠電氣研究所，主要從事新產品設計研制工作。