矿用隔爆兼本质安全型八组合开关的研制

摘 要：矿用隔爆兼本质安全型组合开关是一种用来控制煤矿井下采煤掘进、运输等成套设备的组合电器，由主回路和控制回路组成。主回路电源侧为4路输入，负荷侧为8路输出，一台开关能同时控制8台电动机的起动、停止。用PLC实现本开关对成套设备多台电机起停控制与保护，可对开关工况、故障类型显示和记忆，大大提高判断故障和排除故障效率。该开关控制方式灵活多样，配件的集成化，互换性好，插接方便，满足井下快速处理故障的要求。

关键词：组合开关；矿用隔爆兼本质安全型；集中控制；模块化布局；任意组合；八组合

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：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

矿用隔爆兼本质安全型组合开关主要是用来控制煤矿井下采煤掘进、运输等成套设备的组合电器。其特点有利于设备的频繁搬迁，加快工作面的推进速度，简化电缆连接、减少电缆使用量和电气设备占地面积。同时还可减少供电线路的电压降损耗、减少生产安装和维护的工作量，极大地提高了生产效率和供电可靠性，降低采煤成本，方便用户，适应矿区的各种需要。

一台组合开关能控制8个驱动器，每一驱动器均具备多种保护，各驱动装置采用模块化设计及方便的插接技术，满足井下快速处理故障和维护的要求。该产品通过液晶显示及本安键盘实现人机对话功能，具有故障记忆及故障查询功能，适应当前及今后煤矿自动化系统的发展。

2 研究中解决的关键问题

2.1 控制方式的选择

为了适应煤矿井下的生产工艺，组合开关设计有单回路控制方式运行、单机单速控制方式运行、多回路程序控制运行、双机双速双回路控制运行、单机双速控制运行、双机低速运行控制运行等多种控制功能，处于程序控制下的中间各回路的本安先导电路受控于前台。这种方式满足煤矿井下胶带运输系统“逆煤流启车，顺煤流停车”的控制要求。设计优点在于：在一次任务中，既可以存在非程控/单机控制方式，同时还可以存在程控/多机方式，即每一回路既可独立于其他回路，又可控制其他回路，还可受控于其他回路或作为备用。可根据用户要求增加控制方式，并能根据需要实现上述控制功能的自由组合。

2.2 保护及控制系统的软件设计

组合开关的保护及控制由PLC集中完成。软件设计分主程序、监控程序和子程序。在PLC程序设计中大量采用子程序进行结构化设计，具有结构清晰、调试方便等优点。每一个子程序都是一个功能模块，他们完成存放地址的初始化、采样信号的处理、故障类型的判别、标志位的设定和液晶屏内容的更新等功能。监控程序主要完成子程序的调用、电动机的启停及故障判断、液晶屏换屏等功能。监控程序采用顺序作业调度结构进行8支路分时进行漏电检测，以判断各回路是否存在漏电事故。电动机投入运行后，PLC停止该回路的漏电检测，开始对电流、断相及电压信号进行采样，以判断电动机的工作状态。

2.3 配件的模块化设计

驱动器设计为独立的单元，将接触器、电流互感器、漏电单元、动触头等器件均集成在一个箱体内，且将其设计为互换性强的插接式安装方式。

为了实现组合开关器件安装的模块化，在主控制腔内设计了4个主芯架，芯架采用3 mm钢板折弯焊接而成，用螺栓固定在主控制腔内，在芯架的后部安装有主回路静插头，以满足与驱动器的插接。

在整个的设计中主要突出元器件的模块化及主要配件的可互换性，方便用户使用及维护。

2.4 防爆壳体的设计

隔爆壳体的设计严格按照GB3836.1～2-2000标准设计制作,确保本产品防爆性能。外形图如图1所示。

隔爆壳体设计为方形结构，整体更加美观，由优质钢板焊接而成。壳体分四个腔，左右接线腔、隔离开关腔和主控制腔。由于回路较多，进出线很多，因此设左右二个接线腔，在接线柱一侧设有端盖，更便于各回路电缆的连接及维修。主腔上方设隔离开关腔，布局更加合理，方便隔离开关之间的闭锁。主控制箱采用两个快开门结构，开启方便。主控制门上设有大屏幕液晶显示窗口和触摸式键盘，可直观显示设备运行的状态，并可以进行参数设定。隔离开关手柄和主控制腔前门间有可靠的机械闭锁机构，闭锁措施确保隔爆箱体打开门后无法操作本产品，而且所有的导电部位均不带电，并保证开门后所有的隔离开关处于分断状态。相反，只有在门盖正确关闭后，隔离换向开关以及接触器才能够进行合闸操作。另外，隔离开关手柄和电气控制系统之间、和分断按钮之间也具有可靠的电气闭锁。完整的机械安全连锁机构及电气闭锁设计确保本产品有较强的安全性能。

打开主控制腔前门，可以看到驱动装置安装芯架，8个驱动装置就安装在芯架的抽拉式隔架上。驱动装置包括真空接触器、电流互感器、阻容吸收及漏电保护单元，当驱动装置插入芯架导轨时，主电源输入、输出插头可自动接上,方便用户使用及维护。

2.5 软件抗干扰设计

由于煤矿井下环境过于恶劣，为提高系统的可靠性，采用有效的软、硬件抗干扰措施。

(1) 对数字量输入点选择输入滤波器，延时读取输入信号值，有助于滤除输入噪声。

(2) 使用模拟滤波器对模拟信号进行采样处理，通过多次采样取平均值的方法来降低瞬间干扰信号的影响。

(3) 合理的屏蔽和走线，控制线和测量信号线尽量垂直布线并且远离主回路。

(4) 增加系统在开机前后的自检功能。

(5) 采用软件陷阱及指令余冗技术。

3 工作原理及保护功能

3.1 工作原理

图2示出了整个开关的电路原理框图，从图中可以看出开关共分4路，第1路三相电源A1、B1、C1经隔离换向开关QS1控制两件接触器KM1、KM2，第2、3,4路同理经过各自的隔离换向开关分别控制两件接触器，8件接触器的信号及本安键盘JP的信号均传送至PLC，并通过显示器GOT显示。8件接触器的起动、停止及保护也由PLC集中完成。

本开关各回路相对独立，主回路可以同时输入1 140 V和660 V，通过如下途径实现：四个回路互相独立，有各自的隔离换向开关控制电源的通断，互相不受影响。各回路均有一个采样变压器，采样值因各回路电压值的不同而不同，再经各自的电量变送器输出后，送至各自的A/D转换模块，PLC根据不同回路的值进行运算处理，判断各回路的实际电压情况及故障情况。

3.2 保护功能

3.2.1 过压、欠压保护

电压保护有暂态过电压、稳态过电压及欠压保护。暂态过电压由阻容吸收装置来完成保护任务，稳态过电压和欠电压保护采用鉴幅式保护原理，有效防止了电压长期过高损坏电机绝缘，电压过低烧坏电机的事故发生。当电网电压高于额定电压的120%时，过压保护动作；电网电压低于额定电压的75%时，欠压保护动作。

3.2.2 过载保护

过载和短路保护采用鉴幅式保护原理。将电流采样后经电流变送器送入PLC进行处理，并与CPU存放的整定电流值进行比较，PLC按比较结果发出指令断开相应的故障回路，并显示和记忆故障类型以及故障时的参数。组合开关过载保护见表1。

3.2.3 短路保护

短路电流的整定值以被控制电机额定电流的8～10倍来整定，一旦电路电流大于该整定值时，短路保护动作，动作时间0.2～0.4 s。

3.2.4 断相/不平衡保护

组合开关断相及相不平衡保护见表2。

3.2.5 主回路漏电闭锁

漏电闭锁检测部分仍采用附加直流电源的原理。在隔离开关闭合后，PLC即对本支路的对地绝缘状况进行检测，若本支路对地绝缘电阻小于漏电闭锁电阻设定值，PLC则闭锁故障回路，此时，无法进行起动操作，实现漏电闭锁，同时显示故障类型。当本支路对地绝缘电阻大于漏电闭锁电阻设定值，接触器方可合闸送电。接触器合闸的同时，断开漏电闭锁检测回路。组合开关主回路对地绝缘电阻闭锁值符合表3的规定，当绝缘电阻上升到1.5倍闭锁值时，解除漏电闭锁。

4 结 语

(1) 组合开关集多台电动机的控制与保护于一体，元器件模块化，配件采用方便的插接技术，各驱动器具有互换性,满足井下快速处理故障和维护的要求。

(2) 电动机工作参数由本安键盘设定，而无须专业人员去修改程序中的参数，具有实用性。

(3) 液晶屏的使用，使系统具有直观性。通过故障记忆可查看运行期间线路中出现的故障，从而准确地掌握运行工况。

(4) 主回路电缆的引入和引出，可根据用户的具体要求，采用电缆连接器或传统喇叭口接线方式。

(5) 控制方式灵活，可根据用户要求改变。

工业生产的运行情况表明，该组合开关性能可靠，对各回路电机起到了良好的保护作用,具有广阔的应用前景。

参 考 文 献

［1］三菱电机公司.Q系列CPU模块用户手册.

［2］何衍庆，戴自祥，俞金寿.可编程序控制器原理及应用技巧［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［3］孙同景，徐德.可编程序控制器(PC)应用基础［M］. 山东：山东科学技术出版社，1996.

作者简介 李 萍 女，1970年出生，工程师。现任职于兖矿集团有限公司机电设备制造厂电气研究所，主要从事新产品设计研制工作。