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近几年来,随着科学技术不断进步极大的推动了工业的发展,同时电气控制技术又与传感器检测技术、电子电力技术、机械制造技术和微电子技术密切的联系在一起。电控系统是整个掘进机器人的控制核心,各台电机的起动、停止、照明装置和报警装置的起停等都是有它来控制。
1.1 电控系统的组成
掘进机器人电气控制系统主要由电控箱、操作箱和及包括控制按钮、蜂鸣器、截割电机、油泵电机、照明设备和瓦斯断电仪等电气元件共同组成,其组成框图如图1-1所示。
1.1.1 掘进机器人电气系统主回路
掘进机器人电气控制系统的主回路主要由以下部分组成:
1) 隔离换向开关QS;
2) 零序电压互感器;
3) 熔断器FU;
4) 交流接触器KM1、KM2;
5) 热继电器FR;
6) 油泵电机;
7) 截割电机。
电机的电源线通过接触器KM1和KM2来进行通断;熔断器FU对系统进行短路和过流保护;热继电器FR在当电动机出现不能承受的过载时,切断电动机电路,为电动机提供过载保护。根据掘进机器人的控制要求,油泵电机起动以后,才可以起动截割电机,所以在PLC的控制程序当中,应该设置严格的起动顺序关系。
1.1.2 电源模块
电源模块是直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,它可以为专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列 (FPGA)、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、及其他数字或模拟负载供电。一般来说,这类模块称为负载点 (POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点甚多,因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域。
掘进机器人的电源模块,是将高压380V电压通过变压器按比例变换成220V的二次电压,然后再从220V电压继续取电,使用本安电源作为控制板的电源供给,一部分为24V电压、一部分为12V电压、一部分为5V电压。220V电压为主回路接触器线圈提供电源和PLC交流输入电源;24V电压为PLC输入节点供电;12V作为电磁阀和线圈的驱动电路的辅助电源;5V为弱电部分,主要为各种控制板电路中的各种数字芯片提供电源。其电源部分框图如图1-3所示。
本安电源作为一种主要应用于石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物化境下的通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备,必须满足本质安全电路的标准指标。在正常工作以及标准规定的故障条件下产生的任何电火花或热效应都不能点燃规定的爆炸性混合物环境的电路称之为本质安全电路。
1.2 掘进机器人保护回路设计
1.2.1电机温度检测模块设计
由于启动、超负荷、缺相及机械传动部件故障等原因往往导致截割电动机、油泵的绕组发热,当温度超过电机的额定温度时,电机将被烧坏。中低温区最常用的一种温度检测器件是热电阻,其优点主要是测量精度高,性能稳定。而热电阻中测量精度最高的是铂热电阻,它不仅大量应用在工业测温过程中,而且还被设计成标准的基准仪。因此本系统的温度检测元件采用隔爆型热电阻PT100。
热电阻与热电偶的测温机理不同,热电阻对温度的测量时基于电阻的阻值随温度的变化而变化的特性(热效应)。所以,一旦检测出感温热电阻的阻值发生变化,就可以测量出温度。目前的热电阻主要分为金属热电阻和半导体热敏电阻两种。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,即:
式中,Rt——温度t时的阻值;
Rt0——温度t0(通常t0=0℃)时对应电阻值;
α——温度系数。
半导体热敏电阻的阻值和温度关系式如下:
式中,Rt——温度为t时的阻值;
A、B——取决于半导体材料的结构的常数。
相对来说,金属热电阻测量精确,稳定性高,性能稳定,广泛应用于工程控制过程中,测量量程一般在-200~500℃左右。而热敏电阻的温度系数较大,常温下的阻值较高,但互换性较差,非线性显著,主要应用于汽车以及家用电器的温度控制和检测,测温量程在-50~300℃范围。
在掘进机器人工作过程中,为了防止电机过载或绕组温度过高,通过电流互感器检测油泵和截割电动机的电流,并通过Pt100热敏电阻对电机绕组温度进行检测。Pt100热敏电阻的阻值随着温度的升高而不断的增大,其所分得的电压也随之增大,回路中的电流不断的减小,当电流减小到一定值的时候,经过LM324放大器的放大,LM329比较器的比较,使三极管截至,而三极管的集电极和发射级之间导通,信号经光电耦合器隔离后,送入到PLC中,产生高电平,这时蜂鸣器报警,警告电机温度过高。电机温度检测电路如图1-4所示.
1.2.2 漏电检测模块的设计
在矿山企业的供电系统中,一般都采用中性点不接地的系统,当掘进机设备中电源A相发生漏电故障的时候,如图3-4所示,设漏电电阻為R,相当于A相的阻抗Z0上并联电阻R,所以破坏了由Z0组成的三相星形负载的对称性,就会导致系统中性点位移,产生零序电压。
零序电压互感器采用三个JDZJ-6型单相电压互感器,其辅助二次侧接成开口三角形。开口三角形指的是中性点不接地系统中电压互感器三相的三个二次绕组的接法,三相二次绕组是按三角形接线连接的,但最后留一个点不连上,即构成开口三角,图1-6所示。
在正常情的况下,开口三角mn间没有电压,当发生系统单相接地的时候,电压互感器一次绕组就会有一相上没有电压,造成对应的二次绕组上也不存在电压,则开口三角mn间就会出现电压。通过检测开口三角上的电压,即会得到零序电压,输出接电阻负载分压后等待低通滤波器进一步处理。处理后的信号送给PLC输入端,形成漏电信号,PLC将发出切断电源命令。确保设备漏电故障不对人身及供电系统安全造成进一步破坏。
1.2.3 油温液位检测模块设计
油温传感器和液位传感器分别安装在液压油箱内,这两种传感器分别通过屏蔽电缆与可编程控制器相连,液压箱的上侧设有回油口,下侧设有吸油口。当油温和液位到达预先设定值时,通知PLC产生报警信号,PLC控制使油泵电机停止工作,并通过触摸屏可以直观的显示出当前油温和液位的情况。
1.3 结论
本文首先简单介绍了掘进机器人电控系统的组成,然后重点设计了保护回路。
1) 熔断器FU对系统进行短路和过流保护。
2) 热继电器FR在当电动机出现不能承受的过载时,切断电动机电路。
3) 在对电机过载和绕组温度过高的保护中,应用了Pt100热敏电阻对电动机的绕组温度进行检测,当温度超过了我们的设定值时,即通知PLC报警。
4) 对于电机的漏电保护,采用了电压互感器对漏电情况进行检测。
5) 对油温液位的检测靠安装在液压邮箱内的传感器进行检测,当油温液位达到预设值的时候,即通知PLC产生报警信号。
1.1 电控系统的组成
掘进机器人电气控制系统主要由电控箱、操作箱和及包括控制按钮、蜂鸣器、截割电机、油泵电机、照明设备和瓦斯断电仪等电气元件共同组成,其组成框图如图1-1所示。
1.1.1 掘进机器人电气系统主回路
掘进机器人电气控制系统的主回路主要由以下部分组成:
1) 隔离换向开关QS;
2) 零序电压互感器;
3) 熔断器FU;
4) 交流接触器KM1、KM2;
5) 热继电器FR;
6) 油泵电机;
7) 截割电机。
电机的电源线通过接触器KM1和KM2来进行通断;熔断器FU对系统进行短路和过流保护;热继电器FR在当电动机出现不能承受的过载时,切断电动机电路,为电动机提供过载保护。根据掘进机器人的控制要求,油泵电机起动以后,才可以起动截割电机,所以在PLC的控制程序当中,应该设置严格的起动顺序关系。
1.1.2 电源模块
电源模块是直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,它可以为专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列 (FPGA)、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、及其他数字或模拟负载供电。一般来说,这类模块称为负载点 (POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点甚多,因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域。
掘进机器人的电源模块,是将高压380V电压通过变压器按比例变换成220V的二次电压,然后再从220V电压继续取电,使用本安电源作为控制板的电源供给,一部分为24V电压、一部分为12V电压、一部分为5V电压。220V电压为主回路接触器线圈提供电源和PLC交流输入电源;24V电压为PLC输入节点供电;12V作为电磁阀和线圈的驱动电路的辅助电源;5V为弱电部分,主要为各种控制板电路中的各种数字芯片提供电源。其电源部分框图如图1-3所示。
本安电源作为一种主要应用于石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物化境下的通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备,必须满足本质安全电路的标准指标。在正常工作以及标准规定的故障条件下产生的任何电火花或热效应都不能点燃规定的爆炸性混合物环境的电路称之为本质安全电路。
1.2 掘进机器人保护回路设计
1.2.1电机温度检测模块设计
由于启动、超负荷、缺相及机械传动部件故障等原因往往导致截割电动机、油泵的绕组发热,当温度超过电机的额定温度时,电机将被烧坏。中低温区最常用的一种温度检测器件是热电阻,其优点主要是测量精度高,性能稳定。而热电阻中测量精度最高的是铂热电阻,它不仅大量应用在工业测温过程中,而且还被设计成标准的基准仪。因此本系统的温度检测元件采用隔爆型热电阻PT100。
热电阻与热电偶的测温机理不同,热电阻对温度的测量时基于电阻的阻值随温度的变化而变化的特性(热效应)。所以,一旦检测出感温热电阻的阻值发生变化,就可以测量出温度。目前的热电阻主要分为金属热电阻和半导体热敏电阻两种。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,即:
式中,Rt——温度t时的阻值;
Rt0——温度t0(通常t0=0℃)时对应电阻值;
α——温度系数。
半导体热敏电阻的阻值和温度关系式如下:
式中,Rt——温度为t时的阻值;
A、B——取决于半导体材料的结构的常数。
相对来说,金属热电阻测量精确,稳定性高,性能稳定,广泛应用于工程控制过程中,测量量程一般在-200~500℃左右。而热敏电阻的温度系数较大,常温下的阻值较高,但互换性较差,非线性显著,主要应用于汽车以及家用电器的温度控制和检测,测温量程在-50~300℃范围。
在掘进机器人工作过程中,为了防止电机过载或绕组温度过高,通过电流互感器检测油泵和截割电动机的电流,并通过Pt100热敏电阻对电机绕组温度进行检测。Pt100热敏电阻的阻值随着温度的升高而不断的增大,其所分得的电压也随之增大,回路中的电流不断的减小,当电流减小到一定值的时候,经过LM324放大器的放大,LM329比较器的比较,使三极管截至,而三极管的集电极和发射级之间导通,信号经光电耦合器隔离后,送入到PLC中,产生高电平,这时蜂鸣器报警,警告电机温度过高。电机温度检测电路如图1-4所示.
1.2.2 漏电检测模块的设计
在矿山企业的供电系统中,一般都采用中性点不接地的系统,当掘进机设备中电源A相发生漏电故障的时候,如图3-4所示,设漏电电阻為R,相当于A相的阻抗Z0上并联电阻R,所以破坏了由Z0组成的三相星形负载的对称性,就会导致系统中性点位移,产生零序电压。
零序电压互感器采用三个JDZJ-6型单相电压互感器,其辅助二次侧接成开口三角形。开口三角形指的是中性点不接地系统中电压互感器三相的三个二次绕组的接法,三相二次绕组是按三角形接线连接的,但最后留一个点不连上,即构成开口三角,图1-6所示。
在正常情的况下,开口三角mn间没有电压,当发生系统单相接地的时候,电压互感器一次绕组就会有一相上没有电压,造成对应的二次绕组上也不存在电压,则开口三角mn间就会出现电压。通过检测开口三角上的电压,即会得到零序电压,输出接电阻负载分压后等待低通滤波器进一步处理。处理后的信号送给PLC输入端,形成漏电信号,PLC将发出切断电源命令。确保设备漏电故障不对人身及供电系统安全造成进一步破坏。
1.2.3 油温液位检测模块设计
油温传感器和液位传感器分别安装在液压油箱内,这两种传感器分别通过屏蔽电缆与可编程控制器相连,液压箱的上侧设有回油口,下侧设有吸油口。当油温和液位到达预先设定值时,通知PLC产生报警信号,PLC控制使油泵电机停止工作,并通过触摸屏可以直观的显示出当前油温和液位的情况。
1.3 结论
本文首先简单介绍了掘进机器人电控系统的组成,然后重点设计了保护回路。
1) 熔断器FU对系统进行短路和过流保护。
2) 热继电器FR在当电动机出现不能承受的过载时,切断电动机电路。
3) 在对电机过载和绕组温度过高的保护中,应用了Pt100热敏电阻对电动机的绕组温度进行检测,当温度超过了我们的设定值时,即通知PLC报警。
4) 对于电机的漏电保护,采用了电压互感器对漏电情况进行检测。
5) 对油温液位的检测靠安装在液压邮箱内的传感器进行检测,当油温液位达到预设值的时候,即通知PLC产生报警信号。