矿用高压配电开关控制器的研究.pdf

第 2 7卷第 8期 2 0 0 6年8月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 1 ． 2 7 No ． 8 Au g ． 2 00 6 文 章 编 号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 6 0 8 ． 0 0 4 3 ． 0 3 矿 用高压配 电开关控制器 的研 究 张勇。 ．岳耀宾 1 ． 山东工商学 院，山东 烟台 2 6 4 0 0 5 ；2 ． 山东科技大学 ，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 摘 要 介 绍 了一种 矿 用隔爆 型 高压 配 电开 关控 制 器， 该控 制 器 以 K 7 MD R I 4 U E可 编程 控 制 器为控制核 心 ， 设 置 了过 压 、 欠压 、 断相 、 漏 电、 过 载 、 短路 保 护 等功 能 ， 解 决 了由分 立 元 器件 或 单 片机组 成 的控制 器抗 干扰 能力 差 。 工作 不稳 定 的缺 点 ， 具有性 能好 、 可 靠性 高、 稳 定性 强和 开发 周 期 短等特 点 。 关 键词 K 7 MD RI 4 U E；G 7 FAD 2 A；隔爆 型 配 电开关 ；B L 0 9 5 2 中 图号 T M 5 6 1 T D 6 1 文献标 识码 A Re s e a r c h 0 f M i n e Fl a me p r o o f Fe e d S wi t c h Co n t r o l l e r ZHANG Yo n g ．Y UE Ya ob i n 2 1 ． S h a n d o n g I n s t i mt e o f B u s i n e s s a n d T e c h n o l o g y -Y a n t a l 2 6 4 0 0 5-C h i n a； 2 ． S h and o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o gy， Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0 -C h i na Ab s t r a c t I n t r o d u c e d a k i n d o f mi n e fla me p r o o f f e e d s wi t c h c o n t rol l e r 。w h i c h u s e K7 M DR1 4 UE p rog r a mma ． b l e l o g i c c o n t rol l e r a s i t s c o r e．， I ．1 l e c o n t rol l e r i s d e s i g n e d f o r p rot e c t i n g a b o u t o v e r v o l t a g e， u n d e r v o l t ag e， o p e n p h a s e， e l e c t ric l e a k a g e， o v e r l o a d， s h o r t c i r c ui t e t c． ，a n d i t r e s o l v e d s o me s h o rtc o mi n g s i n t h e c o n t rol l e r ma k i n g u p o f s e p a r a t e a p p a r a t u s o r S CM ，a n d t h a t i mp rov e d t h e c a p a b i l i t y， s e c u ri t y， s t ab i l i t y，a n d s h o rte n e d t h e e m p o l d e r i n g c y c l e． Ke y wo r d s K7 M DR1 4 UE；G7 FAD2 A；mi n e fla me p r o o f f e e d s wit c h c o n t rol l e r ；B1 ． 1 9 5 2 0 引言 针对 当前 矿 用 隔爆 配 电开 关 结 构复 杂 ， 保 护性 能差 的 问题 ， 研 制 开 发 了一 种 新 型 矿用 隔 爆 型 高 压 真 空 电子配 电开关 。该 装置 核心采 用技 术先进 的进 口工业 可编 程控 制 器 P L C和人 机 界 面 G O T 液 晶显 示器及设置键盘 ， 构成的智能型综合保护控制器使 该配电装置既可靠又安全。 1 系统工 作原 理 系统 原理 框 图如 图 I 。该 配 电开 关 的线 路保 护 功能需在高压互感器上采集三相电流 、 零序电流、 一 个线电压、 零序电压、 绝缘以及相敏共 8路信号。这 8 路信 号通 过 低 压 互 感 器 ， 然 后 经 过 整 流 和 滤 波 变 成直流信号 ， 进入 A ／ D转换 器， 最后进入 P L C以控 制断路 器 的分 闸输 出。 P L C对进入的电压信号进行计算 ， 电压计算结 果大于 I ． 2 倍额定电压， 显示过压， 过压保护 1 0 S内 最 大应 力所 在梁 是 吊篮底部 ， 由 4个单元 组成 ， 最 大 值为 1 3 1 ． 0 8 MP a 1 4 7 ． 5 MP a ， 满足材料应力要求。 图 3改进后 站位工况 1 有限元分析 F i g ． 3 F k n R e e l e me n t a n a l y s i s a f t e r i mp r o v i n g p o s i t i o n and wo r k i n g c o n d i ti o n 1 工况 1 应变片测点 1 0的实测应力值 1 2 0 ． 8 M P a 1 4 7 ． 5 M P a ， 满 足材 料应力 要 求。 3结语 1 原 重 新 设计 的铁路桥梁检修小车吊篮虽使 结构尺寸减小、 重量减轻 ， 但不能满足安全生产 的要 求。按本文进行 的理论 和实测提 出的方案进行 改 进 ， 即在吊篮底部对称再增加 2根横梁后 ， 桥梁检修 小车吊篮桁架结构符合设计强度和刚度要求。 2 改进后的桥梁检修小车的 吊篮 ， 重量更轻 ， 体 积更小 ， 便 于运输 携带 ， 易 于组 装 ， 使 现 场 工 作 更 加 安全 可靠 。 参考 文献 [ 1 ] 徐灏 ． 机械设计手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 朱华双 ， 刘金依 ． 矿用圆环链 间接触应 力场的 三维弹塑性 有限元 分析 [ J 1 ． 煤矿机械 。 2 0 0 5 。 2 6 1 2 5 5 5 6 ． ’ 作者简介 孙萍 1 9 5 2 一 ， 女， 山东青 岛人 ， 高级 工程师 ， 实验 室 主任 ， 1 9 7 7年毕业 于江西 冶金学 院 现 江西 理工 大学 冶 金机 械专 业 。 主要从事机械 量测 试技 术 、 机械设 计 等实 验教 学及 研究 工 作 ， T e l 0 5 3 28 5 0 71 2 8 6， E ma i l s u n p i n g 1 9 5 2 s i n a． c o m ． 收 稿 日期 2 0 0 6 ． 0 2 ． 2 2 43 维普资讯 V o 1 ． 2 7 N o ． 8 矿用高压配电开关控制器的研究 张 勇， 等 第 2 7卷第 8 期 动作 ； 电压计算结 果小于 0 ． 8倍 额定 电压 ， 显示欠 压 ， 欠 压保 护 1 0 s内 动 作 ； 三 相 不 平 衡 度 计 算 结 果 大 于 0 ． 7 ， 显 示 断 相 ， 1 0～2 0 S内保 护 动作 。电流 计 算 结果 中任 何 一 相 在 6～1 0倍 额定 电 流范 围 内 ， 显 示短路， 短路保护 0 ． 2 s内动作 ； 电流计算结果 中任 何一相在 1 ． 26倍额定 电流范 围内时 ， 显示过载， 过载保护按反时限特性 动作 ， 动作时间如表 1 。若 线路发生漏电故 障， 根据相敏及电压信号漏电保护 动作 ， 切断线路。 一 厂 互 面 西 H 皇 人 机 屏 H 曼 L 塑 皇 塑 广 一 一 A ， D 转 一一 互感器 H c相电流 一 一换 整 一1 互 感 器} i _ 卜 流 滤 PLC 一一 一 一 ] 波 一 { 互感器 H线电腿 一 电 砩 幕 零序 电 压 卜 路 一 A ／D r 一一一 L ． J 转 _ 厂 i 绝缘信号 换 一 一 - 相域 信号j 屯 能计翊 图 1 系 统 原 理框 图 Fi g． 1 Sy s t e m c i r c mt pr i nc i p l e 表 1 过载保护 电流 一时 间特性 Ta b． 1 Ov e r l o ad pr ot e c t i o n c u r r e nt l i me c h a r a c t e r i s t i c 电流过载倍数 ≤1 ． 0 5 1 ． 2 1 ． 5 2 3 6 动作时间， s ∞ 8 0 一l 2 0 4 5 5 0 1 5 2 0 1 2 1 5 8 1 0 2硬 件设 计 2． 1 P L C的 设 计 P L C使 用 L G K 7 M D R 1 4 U E可 编程 控 制器。 K 7 MD R 1 4 U E是 L G 公 司 生 产 的适 合 于 小 型 器 械 的 Ma s t e r K系列 中的一款 经济 型 P L C ， 它为 直流 2 4 v。 8点 输 入／ 继 电器 6点 输 出 ， 电源 A C 8 52 6 4 V 。 其处 理 速度 达 到 0 ． 4 s ／ 步 ， 无 需 扩 展 ， 主机 能 够 执 行多种功能 1 允许 主单元 能够捕获脉宽为 1 0 s 的脉 冲输 入 ， 能 够接 受单 相 1 0 0 k H z ， 两 相 5 0 k H z 的 脉冲信号 ， 适用 于需 要快速响应 的各 种应用 场合 ； 2 输人带有滤波功能 0 ～1 0 0 0 m s ， 可防止由于输 人信号 波 动或 外 部干 扰 引起 的误 动作 ； 3 内置 R S一 2 3 2 C 和 R S 一4 8 5端 口。 可 以 与 电脑 或 者 触摸 屏 等设备连接 ， 而且可以在 K 7 MD R 1 4 U E系统之 间 进行 1 N连 接 。 2． 2 A／ D转换 模块 由于需要 进行 MD转换 ， 因此 P L C需要 扩展MD 转换模块 ， 这里选用 2 个 G 7 F A D 2 A， 它为 1 2 位精度、 4 通道 MD转换模块。 最大速度 1 m s ／ 通道 ， 其性 能完全 能满足系统要求。8路信号经 MD转换， 结果存放在 P L C的内部寄存器中， 地址分配如表 2 。 - 44 表 2信号存放地址 Ta b． 2 S i gn a l me mo r y a d d r e s s 信号 u B ％ 相敏信号 f o f f B ， c 绝缘信号 地址D 4 9 g 0 I 4 9 5 1 I 4 9 8 2 啪 嗍 嗍 I 4 9 8 6 I 4 7 2 ． 3 三相有功功率计量电路设计 为了实现 三相 有功功 率 的计 量 ， 采 用 了 贝岭 B L 0 9 5 2 。B I ／ D5 2是三相有功功率计量芯片， 它的线 性度高、 输 出稳定性好、 低功耗及批量一致性好。在 电路设计上采用 了高性能混合 电路的设计方法 ， 在 制造 技术 上 采用 了 0 ． 3 5 r n ／ 8英 寸 M i x e dm o d e C MO S的先进工艺 ， 外部采用 1 ． 8 ～3 ． 5 6 MH z 的晶体 振荡器 ， 芯片静态功耗 3 5 ro W 典型值 ， 芯片总体技 术达到国际先进水平。基于此芯片设计的三相有功 功率计量电路如图2 ， 该芯片 2 4号管脚 F l 输出脉冲 信号， 进人 P L C后 ， 经数值转换得 到系统 功率后送 人 机界 面显 示。 0 I B 相电流电路同A 相r L ． ． ． ． ． ． ． ． - - - - - - - ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． - - - - - - - - ． ． ． ． ． ． 』 C 相电流 电路同A相 r L ． ． ． ． ． ． ． - - - - - - - - - - ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． - - - - - - - - - - - ． - ． - -， A相 电压 M 。 ； 。 寺 3 3 一 lB 相电压电路 同A 相 一 fc 相电压电路同A 相 脉 冲 输 出 2 3 一 寺 3 3 可 图 2三相有功功率计量电路 Fi g． 2 Thr e e p h a s e a c tiv e p owe r me s s ur e c i r c u i t 2． 4整 流滤 波 电路设 计 整流滤波电路如图 3所示 。 电路主要 由运算放 大器组成 ， 该 电路的精度、 线性度以及可靠行都有保 障 。 这点已经在试验和现场调试 中得到了证 明。 信号 输入信号 图 3 整流滤波 电路 Fi g． 3 Co mmu t e an d fi l ter c i r c ui t 3软 件设计 3． 1人机界 面 人机界面选用 L G微 型人机界 面 X G T p a n e l 文 虽 蚤 w ●● 引1 T _ 一 日 相 维普资讯 第 2 7 卷第 8 期 矿用高压配电开关控制器的研究张勇， 等 v o 1 ． 2 7 N o ． 8 本显示器 ， 其 L C D界面大小为 1 96 4 D o t ， 通过下载 O ／ S和字 体方 式很 容 易升 级 ， 支持 各 种 图标 和绘 图 功能， 提供 1 0 0 0字节的内存， 每个 内存区域可以独 立地上载和下载， 内置 5 1 2 k B y t e闪存。X G T设置简 单 。 使用起来非常灵活方便。 3． 2软件 设计 控制器软件部分利用梯形 图语言， 采用模块化 设计方法 。开关装置的 1 ． 2 倍过载保护采样值取 自 B相电流 。 当寄存器 内数据大于 1 ． 2倍过载整定值 时 ， P L C延 时输 出信 号控制 断路 器跳 闸 ， 人机 界 面显 示过载故 障画面 ； 短路保护采样值取 自 A。 c两相电 流值 ， 当任一值大于速断设定值时 ， 保护动作 ， 显示 短路故障 ； P L C在每个扫描周期 内将三相 电流值进 行比较 。 找出电流最大值然后分别减去其它两相数 据 ， 当差值 大于设定 电流值的 7 0 ％时， 经延时 1 5 s 后控制跳 闸， 显示断相故障画面 ； P L C在每个扫描周 期内将线 电压采样保护值与额定值进行 比较 ， 当采 样值低于额定电压值的 8 0 ％， 或者高于额定电压值 的 1 2 0 ％时控制断路器跳闸， 显示欠过压故障画面； 漏电故障发生时 。 P L C检测到零序电压信号 ， 经相敏 电路后 产生 相敏信 号 。 故障 发生保 护动 作 。 跳 闸并显 示漏电故障画面。软件流程如图4 。 4结语 该高压配电开关控制器以我国煤矿电气设备特 性 为基础 ， 吸纳 了 国际先 进 的智 能化 技 术 和 结构 形 式 ， 使用 P L C控制系统代替分立 电子元器件或单片 机 。 实现了对井下供 电系统的控制、 保护和计量 ， 具 有性能好 、 可靠 性高、 稳 定性强和开发周期快等特 点 。 K 7 MD R 1 4 U E可编程控制器上备有专门的通 信接 口， 可根据实际需要通过 4 8 5总线和地面管理 中心主机实现通信， 管理 中心可对井下配电装置 的 各种参数进行实时地监视和控制。 图 4 可编程控 制器 软件设计 流程图 Fi g． 4 So r t f r a me c h ar t o f t he pr o g r a mma b l e l o g i c c on t r o l l e r 参考文献 [ 1 ] 唐德茂 ， 韩其伟 ， 等 ． 矿用智 能型真空 电磁启 动器 [ J ] ． 煤 矿 自动 化 ， 2 0 0 1 4 2 9 3 1 ． [ 2 ] 李鑫 。 郭风仪 ， 王 国强 。 等 ． 新型矿 用隔爆馈 电开关智 能保护器 的 研究[ J ] ． 电气应用 。 2 o D 5 1 1 5 3 5 5 ． [ 3 ] 蒋志丽 。 吴建宾。 马宏． 用于隔爆馈电开关的一种智 能型低 压真 空 断路器[ J ] ． 煤矿机 电。 2 0 0 5 5 4 55 0 ． 【 4 ] 王长智 ， 徐中伟． 霍尔传 感器在矿用开 关电量 检测上 的应 用【 J ] ． 煤炭科技 。 2 0 o 0 1 35 ． [ 5 ] 詹林 ． 矿用单片机综合开关保护器[ J ] ． 煤矿机械。 2 0 0 5 1 1 1 1 9 1 2 1 ． [ 6 ] 李海英 ， 郝俊芳 。 宋建成 ． 矿用隔爆本质安全型磁力控制站测控 系 统研究[ J ] ． 太原理 工大学学报 ， 2 0 0 1 6 5 8 05 8 4 ． 作者简介张勇 1 9 7 9一 ， 山东菏泽 人 ， 硕士 研究生 。 毕业 山东 科技 大 学 。 现 从 教 于 山 东 工 商 学 院 ， E m a i l 巧o n y a ． h o o ． c o rn． e n． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 2 ． 2 1 新 矿 集 团 降 服 煤 矿 高 温 热 害 此 技 术 开 始 造 福 国 内 高 温 热 害 矿 井 从 4月初开始 ， 包括 6台国内单机产冰量最大 的专用制冰机在内的大量设 备 ， 将陆续运抵河南平煤集团六矿 ， 这标志 着山 东新 汶矿 业集 团孙 村煤 矿 自主攻 克的煤矿 冰冷辐射降温技术 ， 开始迈向全国 ， 在治理 国内矿井高温热害 中做 出贡献 。 新矿集团孙村煤矿开采深度 已达 1 3 0 0 m， 高温热害 困扰着矿井正常生产。该矿于 2 O O 4 年底 ， 自主研发建成 了世界上第一套 煤矿冰冷辐射矿井降温系统 。采用这套新系统后 ， 孙村矿采煤和掘进工作面风温由 3 - 4 ． 8℃、 3 3 ． 4℃下降到 2 7 ． 8℃。为造福 国内 高温热害矿井 ， 孙村矿 围绕原创专利 ， 成立集设计 、 机械制造 、 设备安装、 技术指导于一体 的全国煤 矿制冷降温研发专业 化公 司， 目前 已承接了沈 阳煤业集 团公司红阳三矿 、 平煤六矿等五家煤矿的制冷降温工程 ， 总造 价达 l 亿多元。 即将 在平煤六 矿降温 工程中应用的 6台 6 0 It 级制冰机 ， 是孙村矿继“ 高温矿井冰冷低温辐射降温技术研究与应用” 获 2 0 0 5 年度 中国煤 炭工业协 会科学技术一 等奖及其 中 5 项技术获得 国家实用新型专利后 ， 又一项属 国内首创 的自主创新成果 。 目前 ， 孙村矿冰冷辐射降温工程 已成为全国煤矿矿井降温样板工程 ， 国家安 全监 察总局多次建 议国内部分 高温热害 矿井 到孙村矿考察 ， 其 中 8家煤炭企业计划 引进 此技术 。 周 峰 、 翟延民 供稿 4 5 维普资讯