盾構機用1140V礦用組合開關的電氣系統設計

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213125)

盾構機用1140V礦用組合開關的電氣系統設計

李瑞

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213125)

針對盾構機的輔助電機數量多的問題，設計了一種1140V電壓等級的礦用組合開關的電氣系統，介紹了該系統的構成，詳細介紹了各構成部分的電氣原理。測試和聯合調試表明，該系統能夠滿足現場運行的要求。

煤礦；組合開關；電氣系統

1 引言

我國煤礦高效掘進技術有多種[1]：懸臂式掘進機、連續采煤機、掘錨一體化機組、盾構機等。盾構機使巷道全斷面一次形成。盾構機作業線的成功試驗運行，對我國煤礦井下巖巷掘進具有里程碑意義[2]盾構機的電機包括刀盤電機、刮板機電機、泵站電機、水泵電機、潤滑泵電機、油脂泵電機等。本文開發設計的組合開關對除刀盤電機外的輔助電機進行保護和控制。輔助電機的功率相對較小，一般采用1140V等級的電壓供電。因為輔助電機的數量比較多，所以設計了組合開關對其進行保護和控制。

2 系統構成

如圖1所示，組合開關的電氣系統由鍵顯、控制器、通信模塊、保護器、電機溫度檢測電路、主回路等幾部分構成。

多個保護器分別對主回路的每一個回路進行各種保護和啟停控制；多個電機溫度檢測電路檢測盾構機的各個輔助電機的溫度；控制器通過CAN總線與多個保護器和多個電機溫度檢測電路交換數據；控制器通過RS485與通信模塊交換數據，通信模塊支持PROFIBUS-DP對外通信。

圖1 組合開關構成

2.1 主回路

主回路設計了12回路，其中2回路作可逆起動器，供刮板機使用。其他8回路控制水泵、潤滑泵等各類電機，2路作為備用回路。主回路原理如圖2所示。主回路主要由隔離開關QS1、交流真空接觸器KM1-KM12、阻容吸收裝置RC1-RC12組成。KM1和KM2構成可逆回路，帶有機械和電氣閉鎖。TA1-TA12是電流互感器，其數據接入保護器。

圖2 主回路原理圖

2.2 鍵顯

鍵顯是組合開關的人機界面，實現整個組合開關的參數配置、狀態顯示。顯示器采用TPC1062K 4線電阻觸摸組態屏，通過以太網與控制器進行數據交換，其中包含1路RJ45 10M/100M以太網接口、1路RS485接口、1路RS232接口和USB主/從口各一個， DC24V供電。采用鍵盤或鼠標操作實現人機對話，主要包括設置各回路相關參數及順序控制等邏輯控制方式，檢查各回路試驗功能、本機控制各回路啟停，顯示各回路監控數據、報警日志等。

2.3 控制器

控制器是整個組合開關的大腦,對內負責接收和處理各個模塊上傳的數據，控制各個回路的啟停。作為人機操作界面的數據服務器，通過Modbus TCP協議與之交換數據；通過CAN總線與保護器通信，實現組合開關狀態顯示和參數設置，接收和處理先導遠控信號和邏輯控制信號，實現通訊控制、順序控制、雙速順序混合控制等[3]。對外作為Modbus Rtu服務器，為其它設備或網絡提供開放的通用協議數據。

2.4 保護器

每4個回路設置一個，共設置3個。負責接收和執行控制器的設置及命令，回路參數及狀態監控上傳，完成回路的各種保護和試驗，如漏電閉鎖、過載、短路、缺相、欠壓、過壓、粘連等保護和空載、短路、漏電閉鎖等模擬試驗。

控制器的數據采集系統采用計量芯片(DSP)+MCU的模式，原理框圖如圖3所示。選用以Cortex-M3為內核的微處理器作為主控芯片，多功能高精度的三相電能專用計量芯片IC3作為采集處理核心計量芯片,負責采集處理組合開關的三相電壓信號、三相電流信號的模擬信號，獲得電壓和電流的有效值、有功功率、無功功率、頻率、相位等信息。主控芯片M3負責IC3數據的運算，主回路的絕緣監視，CAN通訊，接觸器CKJ的吸合與分斷控制。與采用AD+MCU模式，即單片機外部擴展模數A/D轉換芯片的方式相比，具有功能多樣、單片機外圍擴展器件少、軟件程序算法簡單、測量精度高等優點，同時，由于簡化了硬件電路和軟件電路設計，極大地提高了開關的可靠性。

圖3 保護器原理框圖

2.5 電機溫度檢測電路

每4個回路設置一個，共設置3個。每個回路可以同時檢測PT100和溫度繼電器信號。該模塊采用DC24V供電，通過CAN總線把電機溫度信號傳送給控制器。

2.6 通信模塊

PM-160是一款實現串口與PROFIBUS-DP數據通信的網關，可以實現Modbus/RS-485接口轉換為PROFIBUS-DP的網絡設備[4]。 該模塊采用DC24V供電，通過RS-485總線與控制器連接，并把控制器信息轉為PROFIBUS-DP數據，把接收到的PROFIBUS-DP數據傳送給控制器。

3 結語

本文設計的盾構機用1140V組合開關的電氣系統采用總線結構，結構簡單，經過反復調試和測試，總線通信過程數據誤碼率低，響應速度快，可以動態增加和減少分立模塊的數目。該系統應用到盾構機上，通過聯合調試，運行比較穩定、可靠。該系統能夠滿足現場運行的要求。

[1] 李軍良.煤礦高效掘進技術現狀與發展趨勢[J].山東工業技術，2015(11):75.

[2] 建信.世界首條豎井高瓦斯煤礦盾構機作業線在張集煤礦成功試運行[J].建井技術，2015(2)：24.

[3] 李瑞.礦用組合開關綜保接口模塊的設計[J].電氣開關，2013(3)：41.

[4] SiboTech.Serial/PROFIBUS-DP網關PM-160產品手冊[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)自動化股份有限公司研發項目(2015H004)

TD611

B

2017-01-04

李瑞(1983-)，男，山東棗莊人，工程師，碩士，現主要從事煤礦電氣產品的設計與開發工作。