综采工作面智能喷雾泵站电气控制系统设计

2020-07-07张敏立

山东煤炭科技 2020年6期

张敏立

（潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西宁武 036700）

1 引言

潞安集团潞宁孟家窑煤业综采工作面在进行粉尘综合治理时，喷雾系统每个降尘点的电气控制系统是相互独立的，需要人工实时操作、监控整个运行过程，工人工作强度大。不及时开启喷雾系统会导致综采工作面粉尘浓度过高，严重损害井下作业人员健康，甚至引起煤尘爆炸；喷雾系统关闭延迟，造成水资源浪费和煤质变差，对矿井的经济效益产生影响[1]。为了解决此技术难题，借鉴现有的PLC智能控制技术，对孟家窑煤业喷雾站电气控制系统进行设计研究。

2 喷雾站电气控制系统简介

综采工作面采用一套智能化、自动化喷雾泵站，电气控制系统实现智能化调控喷雾泵站防尘工作。泵站工作电源为50Hz，电压为两个等级，分别为660V 和1140V，其他一些元器件采用380V 以及更小的电压等级。电气控制系统的核心控制元件为PLC 控制器，PLC 通过编写程序代码用于命令各个执行元件执行相应的动作，在控制柜设置有人机界面的显示端。该显示端能够实时监控喷雾泵站运行的各项参数，PLC 控制器根据参数变化智能地做出实时修正，以确保智能喷雾站运行稳定。

3 电气控制系统电路设计

3.1 主回路设计

潞安集团潞宁孟家窑煤业智能喷雾泵站电气控制系统主回路采用的是暂态电压[2]，但是暂态电压是高电压脉冲快速攀升而叠加引起电压节节升高，在喷雾站电机启动瞬间，严重危害电机使用寿命。为了抑制电压瞬时攀升，采用RC 阻容电路来吸收升高的电压，从而实现稳定电压启动喷雾站电机的目的[3]。主回路中的阻容吸压电路设计如图1 所示，在电路中，压敏电阻和无感电容采用并联方式，真空接触器与阻容相连，位于电机一侧。

图1 主回路中的阻容吸收电路

主回路为实现吸收电压的目的，压敏电阻阻值选择考虑到衰减速度因素，经过多次试验，压敏电阻阻值适宜范围为200～500Ω；电容值则应考虑浪涌和负载因素，若电机带动的负载产生的电流小于150A 时，电容的适应范围为0.02～0.2μF。当KM真空接触器闭合瞬间，电气控制系统主回路会产生高频率的过电压，阻容吸收电路中的电容则表现为低阻抗，高频波被阻容吸收，吸收的能量通过电阻将其消耗掉，进而达到降压抑压的目的，从而确保了电机稳定电压启动。

3.2 保护电路设计

（1）漏电闭锁保护

潞安集团潞宁孟家窑煤业工作面喷雾站出现过漏电事故，经常烧坏电气设备，若不采取有效的保护措施，极有可能引发触电事故和瓦斯、煤尘爆炸。智能喷雾站电气控制系统漏电闭锁保护电路设计如图2 所示，漏电保护电路中的故障继电器监测用电设备以及电缆是否存在漏电，真空接触器是用来开停喷雾站电机的。若无漏电情况，则故障继电器处于断开，回路的触点则为闭合状态，电路中的电流由控制电源提供，真空接触器通电闭合，电机平稳启动工作；若检测到漏电故障时，漏电电流则会经过真空接触器的辅助触点，进而流经故障继电器的整个线圈，从线圈出来后经过直流电源最终流经大地，对地电阻（R1、R2、R3）因与大地相连，电流通过对地电阻流入到主回路，一旦电流数值达到设定值时，故障继电器带电触发常闭触点断开，此时真空接触器断电从而主触点断开，电路被断开，进而实现闭锁保护的功能。表1 为漏电闭锁电路中各个电阻在不同电压下动作发生值和所用时间。维修人员经过对漏电故障处理后，绝缘电阻值升高，达到解锁电阻值，整个电路恢复正常。

图2 漏电闭锁保护电路工作原理

表1 保护电路中的漏电电阻动作发生值

（2）过载保护

孟家窑煤业喷雾站出现过载将会烧坏电机，为了保护电机等设备，对电气控制系统设计了过载保护电路，如图3 所示。电路中电流互感器的作用是实时收集电路中电流信号，并在互感器二次侧的电阻R1 上实现对电压的降低。通过二极管桥式整流器整流，交流则可以转换为直流。滤波电路（R2、C）的作用为降整流出来的脉动电流转为平滑的直流电，通过与设计电流值作比较，并且对其进行时间调控，若测得电流大于设计电流，且产生时间超过规定时间，在PLC 控制器调控下，立即命令执行元件执行相应断开电路动作，从而完成对智能喷雾站电机等电气设备实施过载保护。智能喷雾站电气控制系统短路保护电路[4]工作原理与过载保护基本一致。

图3 保护电路中的过载保护

（3）综保

孟家窑煤业综采工作面智能喷雾站选择ZBQP-200T 型综合保护电机，而散热风机选择型号为ZBQP-80T 综合保护喷雾泵和变频器，电气控制系统的主回路漏电监测以及保护选用ZBK-3TE 型综保。这些综合保护装置能与不同电压等级以及频率为50Hz 的交流电磁启动器相互配合。综保装置设计有RS-586 接口，起通讯作用，并将信息与PLC控制器进行交换。整个综保装置功能完善，综合保护精准，动作执行相应速度敏捷，能够保障综采工作面智能喷雾站需求。

3.3 控制回路设计

孟家窑煤业综采工作面工况复杂，外部环境会对控制器、动力电缆、变频器等产生一定的干扰，严重影响控制系统调控效果，需要设计抗干扰控制回路。抗干扰的控制回路主要由电源隔离、继电器隔离为PLC 控制器提供电能[5]，隔离开关与变压器相连接，变压器与两相电源线接入之前，需经过熔断器调控，促使主回路电压等级确定为1140V，经过变压器作用后，分出来的36V、127V 和220V 分别用于综保、照明和其他元器件供电。控制回路中的PLC 供电电压为220V，此电压等级正好也为交流接触器供电，有利确保控制回路供电与其他设备供电隔离开来。控制回路设计了三种调控模式，分别为应急模式、手动模式和智能模式，在控制回路调控下，喷雾站良好的实现智能化和自动化。

4 电气控制系统运行效果

为了验证潞安集团潞宁孟家窑煤业智能喷雾站电控系统的可靠性，监控系统对智能喷雾站的电气设备运行参数实时监控。监控系统中显示的电气设备运行参数界面之一，如图4 所示。

图4 监控系统中的智能喷雾站电气控制界面

以综保为例作阐述，为测试电控系统中的综保性能，验证了喷雾站电控下的故障综合保护功能，如图5 所示。试验中对电压故障、电流故障进行了测试，测试结果显示智能喷雾站电气控制系统的综保均能在第一时间主动做出跳闸反应，自动切断主回路电路连接，保护了电气设备免遭受损害，有效地遏制了事故的进一步发展。

图5 智能喷雾站电气控制系统综保测试

进一步查看综保对电机的保护情况，综保在电气控制下对电机的保护测试结果如图6 所示。从测试结果曲线看出，在6s 内，电机运行幅值在不断上升，且上升变化趋势较为平稳，未出现异常情况；在8s 时给定不同的工况，幅值出现了变化，但是在综合保护作用下，经过2s 反应时间，迅速恢复原状，说明智能喷雾站电机在电气控制下能够起到良好的综合保护效果。