本安设计论文范文

本安设计论文范文（精选7篇）

本安设计论文 第1篇

随着煤矿现代化的管理要求,本安设备要求达到其本质的安全性,由于煤矿的环境特殊,电气设备在有瓦斯和煤尘等爆炸性气体的危险环境中使用并且无论设备出现任何故障所产生的任何火花或任何热效应均不能引起周围气体的爆炸,才能称之为本质安全型电路。因此,作为电气化装置的供电核心,矿用本安电源的技术水平和质量要求越来越受到人们重视。

1 基本结构

矿用稳压电源:电源的防爆等级为Exd[ib]I,可用于含爆炸气体和粉尘的煤矿井下,拥有两级过流保护一级过压保护,它的输入为127VAC,输出为2路5VDC,每路额定工作电流为600mA,额定工作电压为5V,最大输出电流不超过800mA,最大输出电压不超过5.8V,源效应与负载效应均小于5%,输出电压的纹波值小于250mV,电源的壳体具有隔爆功能[1,2]。

如图1所示,本安电源主要由交流输入电路,一级过流保护电路,二级过流保护电路,过压保护电路和直流输出电路组成。交流输入电路主要用来将127V的交流电压转化为12V的直流电压。一级过流保护电路和二级过流保护电路主要用于防止本安电源的输出电流过大(本安电源的最大输出电流为800mA,超过800mA电源即处于保护状态)。[2]过压保护电路主要用于防止电源的输出电压过大(本安电源的最大输出电源为5.8V,超过5.8V电源便处于过压保护的状态)。直流输出电路主要用于保证电路输出稳定的+5V电压[3,4,5]。

2 硬件原理

图2中,127V的交流输入电压首先通过FLPA31-2A的电源滤波器进行滤波以得到纯净的127V的交流输入电压,该电压分两路依次通过1A的保险管和压敏电阻(其中保险管用于过流保护,压敏电阻用于输入过压保护),进入LH15-10B12电源稳压模块,经过该模块后127V交流输入电压被转换为12V的直流电压输出,该12V直流电压通过耐压值为50V电容量为47uF的电容进一步滤波后送入LM317集成模块,该模块的负载电流为1.5A,输出电压为10V,该10V的直流电压通过3W/0.68J的限流电阻以及两个金属氧化物半导体场效应管后进入7805稳压模块,该模块的负载电流为2A,输入电压范围为6-12V,具有过流保护,可在-45-85°C范围内正常工作,经过7805模块后,将输出+5V的直流电压[6]。

2.1 过压保护设计

图3中,当因为某种原因,使得电源的输出电压高于5.8V时(以第一路为例),稳压二极管D3,D4便会被反向击穿,从而使晶闸管SCR1,SCR2导通,由于SCR1,SCR2导通后,其上流过的电流可以很大,但压降很小,所以电源的输出电压可被迅速拉低到0V附近,从而起到过压保护的作用[7]。

2.2 二级过流保护

图4中,当电路因为短路或者负载过小,而使得输出电流超过800mA时(以第一路为例),电阻R9上的压降会迅速增大,从而使得R5上的压降也随之增大,于是三极管Q2的基极电位降低,三极管Q2由截止状态转为导通状态,由于有电流流过,故R3与R4连接处的电位增大,从而是Q1由截止状态转为导通状态,由于Q1导通后,其上的压降只有1V,所以R2与R1连接处的电位只有1V,此时LM317的输出端的电压会因为R2与R1连接处的电位下降,而跌至1.9V。[6]从而实现第一级过流保护。同时因为电阻R9上的压降增大,使得R10,R11两端的电压也随之下降,运算放大器LM393反相端的电位值下降,从而使得LM393的输出正电压值增大,从而使得金属氧化物半导体场效应管Q3,Q4的栅极电位值上升,栅极与源级的电压差值增大,最终使得Q3,Q4的漏极与源极之间的电荷通道因为反向电压的作用逐步消失,最终使得Q3,Q4逐步由导通状态进入截止状态,最终使得7805模块的输入电压为0,从而起到第二级过流保护的作用[8,9,10]。

主要技术参数

(1)额定工作电压127V.AC,50HZ

电压波动范围:额定值的75%～120%;

(2)电源频率:48Hz～52Hz;

(3)本安电源输出2路

4 实验测试

按图5方式连线,可测试开路电压、满负载(600mA)电压和在带宽为20MHz下的电源峰峰值。

调节滑线变阻器可以测试过流保护纸,得到表2所示值

按图6方式连线可测出过压保护值

5 结论

本文设计了一种基于矿用本安直流稳压电源,输出为两路5V,最大限流为800mA,实验测试的结果都达到了国家的标准,其在实际应用中取得了良好的使用效果。

摘要：严格按照本安电路的设计原则及方法,本文介绍了一种矿用本质安全型电源,该电源可用于含爆炸气体和粉尘的煤矿井下,拥有两级过流保护一级过压保护,它的输入为127VAC,输出为2路5VDC,重点介绍了过流保护和过压保护的详细设计,并测试了它的机械性能和电气性能,结果表明该设备通过了国家各项指标,在煤矿的实际应用中取得了良好的效果。

关键词：本安电源,二级过流保护,一级过压保护

参考文献

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[3]柏自柄.本质安全火花试验装置的改进设计.防爆电机,1996(1):21-23

[4]郭余庆,王岩.矿用电工产品的合理开发及其运行安全可靠性分析.煤矿自动化,1989(2):24-28

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[6]陈向东.矿用本质安全电源.煤炭科学技术,1997(6):35-38

[7]王花鱼.本质安全型开关直流稳压电源.山西煤炭,2000(6):41-44

[8]刘晓强.本质安全型防爆直流开关电源及备用电源研究[D].中国矿业大学,2000.

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本安设计论文 第2篇

传统煤矿安全监控系统使用的传输分站是煤矿监控系统的数据传输节点,分站采集各监控传感器数据上传到监控主机,并执行监控主机的控制指令,系统通常采用中心控制架构,存在执行协议单一,通信接口单一等问题。当分站数较多、巡检站点多、采用轮询方式工作时,巡检信号占用信道,信道使用效率低,系统控制响应时间较长,如果主通信出现故障时控制设备将失控,对煤矿安全存一定的隐患[1],因此,建立可靠的分布式控制系统具有十分重要的意义。本文采用分布式结构设计了一种矿用本安、传输分站,不仅可以提高系统的响应速度,并且可以更好地对监控分站和监控数据进行管理,当主通信故障时,分支系统仍可对监控设备执行安全监控,确保监控系统的可靠运行,并且信道使用效率高。该传输分站还具有10/100 Mbit/s自适应以太网接口,可以接入普通屏蔽网线,也可接入光纤网络,极大地提高了数据通信速度。

1 分站总体结构

矿用本安传输分站的总体结构如图1所示。① 分站自带16路全隔离模拟信号输入端口或16路开关量输入端口,可以接入多路传感器;② 分站具有4路全隔离RS485总线接口,设置为主口时每个通信口最多可接入32个监测分站;每个通信口兼容多种协议,用户可以自由定义协议类型,并且分站中所有数据透明传输,数据地址可自由编辑,各设备可自由共享传输分站中数据;③ 分站具有8路控制输出,可接入类似PLC或组态屏等智能设备,以进行逻辑计算[2]。

2 传输分站硬件设计

2.1 处理器

矿用本安传输分站核心板设计选用LPC1768,LPC1768为第二代Cortex-M3内核[3],运行速度高达120 MHz,采用纯Thumb2指令集,代码存储密度高,内置嵌套向量中断控制器(NVIC),极大降低了中断延迟;具有不可屏蔽中断(NMI)输入,存储器保护单元、内嵌系统时钟、存储器保护单元(MPU);96 KB片内SRAM包括64 KB SRAM,可供高性能CPU通过本地代码/数据总线访问 ;2个16 KB SRAM模块,带独立访问路径,可进行更高吞吐量的操作。这些SRAM模块可用于以太网、USB、DMA存储器以及通用指令和数据存储;具有在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)功能的512 KB片上Flash程序存储器;AHB多层矩阵上具有8通道的通用DMA控制器(GPDMA),结合SSP、I2S、UART、AD/DA转换、定时器匹配信号和GPIO使用,可用于存储器到存储器的传输。

2.2 频率/开关量采集模块电路

针对煤矿监控系统周边参数采集设备等各个传感器数据多采用调制的频率信号传输,本设计中接入16路频率输入口以满足大部分煤矿井下设备的需求,其频率采集电路如图2所示。

电路采用光耦器件TLP521进行隔离,隔离后频率信号经整形电路后接入处理器的外部中断管脚。

传输分站既可以接入频率信号,也可接入开关量信号,开关量可以是无源节点信号,也可以是有源开关信号。

2.3 RS485通信电路

分站具有4路全隔离RS485通信电路,4路独立串口,每路串口可以兼容多种协议,协议类型由用户选择。RS485通信电路如图3所示。

信号隔离采用磁耦ADUM2582,该芯片内部集成了1个单通道磁隔离器件和1个半双工RS485收发器,隔离电压为2 500 V,传输速率为500 kbit/s。 ADUM2582具有通信速率高、功耗小的特点。该电路是按EMC,EMI设计[4]。

2.4 以太网接口电路

以太网接口电路采用HR601680芯片,该电路的设计可使传输分站自由、灵活地构建分布式监控系统,如图4所示。

传输分站采用1路真以太网信号,兼容TCP/IP协议和UDP协议,接入以太网的设备是对等的,不分主从,避免了主从结构导致的巡检周期过长问题,同时以太网传输速率更高。

3 传输分站软件设计

PC机由专用配置软件通过以太网将配置数据下发到分站中,配置数据存于分站的Flash数据池中,分站程序将访问指针指向配置数据的首地址,从而通过分站程序可以方便地查询配置内容。

3.1 配置软件主界面及网关设置

传输分站采用配置软件进行配置操作,该配置软件可通过以太网自动捕获连接传输分站,并可对分站各端口类型、端口协议、16路频率信号数据地址、控制数据地址以及所有站点数据的类型以及地址进行定义。

选择和网关物理通路连接的网卡,则所连网关的信息将显示在界面中,如192.168.10.68,MAC:0.168.8.188.88.99。选择相应的网关信息则可启动对该网关的设置和监视。网关设置界面如图5所示。

3.2 通信端口配置及数据监视

在传输分站进行数据通信及监视过程中,必须设置网关对应串口的功能参数,如图6所示。

(1) DIS:显示柜设置,网关每个串口可以管理32个显示板。

(2) MdlRTU:设置RTU分站,网关每个串口可以管理32个RTU分站或虚拟成32个RTU从站。

(3) KJ95:设置KJ95N/F分站,网关每个串口可以管理32个KJ95N/F分站或虚拟成32个KJ95N/F从站。

(4) PLC RTU:与MdlRTU不同的是,PLC RTU最多可以设置8个读写块。

(5) 数据监控:可以监视和修改网关信息,地址范围:400001404092(参照Modbus地址定义)。

(6) 以太网站点:可以在此通过UDP 实现网关和 最多8个以太网设备进行数据交换,这些设备可以是网关、各类PLC、计算机等。

(7) 语音报警操作:可以设置报警分站的报警信息,每个站最大具有63个汉字,127条报警信息。

(8) 可以对网关进行时钟同步。

3.3 数据池配置及数据监视

数据池仅支持寄存器。初始地址范围:400001404092,如要监视400100,则在初始地址右框中输入400100,然后回车即可;如要设置400100为100,则输入400100=100,然后回车,寄存器的数值范围为065535(本软件观测总认为是无符号整数),设置数值时也可16进制输入,如400100=0X64,然后回车;浮点数据设置占用连续2个4X寄存器,如设置400100,400101 为0.126 8,则输入400100=0.126 8,然后回车即可。

上述配置步骤完成之后,分站根据配置信息对相应的物理接口进行操作,操作流程如图7所示。

在传输分站执行程序时,会对分站的4个RS485通信口逐个扫描,查询判断协议类型,如果串口是从口,执行主口的协议指令。如果串口设置为主口,按协议类型下发巡检指令,当巡检指令下发后等待串口下游设备的回送,如果回送超时或错误时,再次对该站点设备发送巡检数据,当连续3次通道错误或数据回送正确时,巡检下个站点。如果数据回送正确,分站将传输的数据按配置要求存放到对应设置的数据池地址中。

4 结语

相比传统的传输分站存在执行协议单一,通信接口单一以及外接分站较多时,控制响应滞后等缺点,该传输分站在软件方面优化了多种协议程序、多种通信接口程序,更好地实现了数据采集、数据融合和数据传输功能,实现了监控现场多设备的无缝兼容和松耦合,通信端口的协议类型可自由定义,传输数据可自由分配,并不需要针对特定的监控现场对设备进行二次开发。当通信端口设定为主口时,最多可以管理32个子设备,便于构建分布式控制系统。该传输分站在煤矿安全监控系统、瓦斯抽放监控系统、水泵监控系统以及工作面监控系统中作为数据采集、数据融合以及数据传输节点都具有突出的优势,可有效简化系统拓扑结构,降低系统建设成本,提高系统维护、应用的灵活性和便捷性。该分站前期试验取得了明显的效果,并将投入实际应用。

摘要：针对传统矿用传输分站存在执行协议单一、通信接口单一的问题,设计了一种具有网关功能的矿用本安传输分站,详细介绍了该分站的硬件和软件设计。该传输分站采用分布式结构,具有多种通信接口,通信端口可以自由定义协议类型、自由编辑数据地址、自由共享网关中数据,具有数据采集、数据融合和数据传输等功能。试验结果表明,该分站兼具网关和分站的作用,实现了监控现场多设备的无缝兼容和松耦合,具有很高的工程实用价值。

关键词：煤矿监控,网关,传输分站,本安分站,数据采集,信号隔离

参考文献

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[4]董川,双少敏,李忠平.煤矿瓦斯监测新技术[M].北京:化学工业出版社,2010:120-125.

本安设计论文 第3篇

晋煤集团早期自主研制的一款矿用隔爆兼本安电源,其电路核心器件使用了三端稳压器LM317,基于LM317的本安电源电路结构框图见图1。

图1中,在LM317的外围电路设计上需要外接二极管用作保护电路,且后级稳压电路需连接调整端旁路电容来抑制纹波。当输入为AC127 V(+10%,-25%),工频变压器(额定输出AC30 V)输出电压变化范围约为AC22.5 V～33 V,经过整流滤波后,输出DC32 V～46 V。根据LM317三端稳压器输入输出压差不小于3 V,按照直流本安输出12 V计算,当电源电压为额定输入时,预稳压三端稳压器的压差约为18 V,功率消耗达到40%以上,限流与稳压单元约耗能30%,此时,电源整体效率不足30%,并且加装的散热片大大增加了电源电路板尺寸,进而影响了电源体积。因此,虽然该电路实现简单,但电源体积大、效率低。

2基于TOP234Y的本安电源电路设计

为了提高电源效率,我们对该电源进行了改进设计。电路设计中,主要应用了PI公司生产的集成电力电子开关器件TOP234Y作为电源的前级稳压电路核心器件,应用LINEAR公司生产的LT1086作为电源两级限流、两级稳压电路的核心器件。

TOP234Y器件功能非常强大,可实现电源电压的过压和欠压保护,当电源发生短路故障(直流输出或变压器原边短路)时,能够自动封锁PWM输出,直到故障消除。LT1086是低压差正向可调三端稳压器,其输出电流可达1.5 A,最大电流条件下,压差不超过1.5 V,该三端稳压器内部包含短路保护,并且引脚完全兼容LM317三端稳压器件[1]。

基于TOP234Y和LT1086的电源电路结构框图见图2。图2中增加的EMI滤波器模块为电磁兼容设计;包括高频变压器与TOP234Y等器件的前级稳压电路能够提供不小于40 W的直流稳定输出,其效率可以达到80%以上。由于前级稳压电路输出直流电压范围宽,因此可设计实现多种电压等级直流本安输出,能够满足煤矿井下对直流本安电源的各种规格需求。此外,由于TOP234Y的固有特性,使得交流输入电压范围拓宽至85 V～265 V。按照输出本安12 V电压计算,主要以LT1086组成的限流稳压单元耗能30%左右,设计的电路板效率可达到50%以上。

3基于集成开关稳压器件的本安电源电路设计

当今,电子技术、电源技术发展日新月异,半导体集成工艺、水平不断提高,由国际知名厂商推出的具有优越性能的集成开关稳压器件逐步成为用户使用的首选。其中,像TI公司的PT系列、国家半导体公司的易电源系列集成开关稳压器件都具有规格全、集成度高、可靠性好等特点。图3为基于集成开关稳压器件的本安电源电路结构框图。

集成开关稳压器件一般都具有输入直流电压范围宽(18 V～70 V)、集成度高、体积小、效率高(80%以上)等优点,采用该类器件设计的前级稳压电路具有结构简单的显著特点。同时,典型的低压差三端稳压器件在电流800 mA时压差减小到1 V左右,使用低压差三端稳压器设计的限流稳压环节消耗功率大幅度减小[2]。但是从实际应用来看,一方面高的集成度限制了器件的最大功率输出,另外,相对较高的成本也是不容忽视的问题。目前,从总体上来看,使用该原理设计的矿用本安电源在低功率输出应用场合取得了较好的实验效果。

4结论

综上所述,基于线性原理设计的矿用本安电源电路结构简单、易于实现且纹波指标小,但是体积相对较大,效率明显较低;虽然开关电源电路结构复杂,但其在体积、效率等方面的优势较为明显。煤矿井下实际应用中,在矿用电源的设计选型上,应综合考虑性能、参数、体积、价格等因素,选择相匹配的方案。

摘要：介绍了晋煤集团自主开发研制并成功应用于煤矿井下的矿用隔爆兼本安电源,给出了该电源的两种改进设计方案,结合电源的电路原理结构简图,在分析几种不同设计方案电源参数和电路特点的基础上,得出了相关结论。

关键词：本安电源,稳压器件,易电源

参考文献

[1]阎蕾.TOP234Y在矿用本安电源中的应用[J].电子元器件应用,2009,11(12):26-28.

矿用开放式本安型PLC的设计 第4篇

矿用电气设备是指用于控制井下的设备如采煤机、掘进机、泵站等的电气设备, 矿用电气设备除了要满足一般电气设备的控制要求之外, 还要满足防爆要求。目前矿用PLC大多为隔爆兼本安型, 这类设备大多是把地面上使用的PLC作为核心部件装入防爆外壳内, 体积庞大、笨重, 且一般为某一煤矿设备设计, 通用性差, 不能满足其它设备的控制需求。

提出一种新型的开放式本安型PLC的设计思想, 介绍控制器模型, 并对硬件架构及控制虚拟机等进行阐述。

1 本安型PLC基本模型

该PLC应符合当代控制器的基本特征, 具有兼容性开放性、可移植性、可扩展性等, 满足爆炸性气体环境用电气设备的要求, 可实现矿用电气设备的组态算法控制设计, 具备第三方软件的接入能力和用户二次开发的潜力。矿用开放式本安型PLC基本模型如图1所示。

2 本安电源模块+控制器硬件平台

系统的底层为本安电源模块和控制器硬件平台, 这是矿用本安型PLC必要的基础平台。由于矿用设备属于爆炸性气体环境用电气设备, 需要满足GB3836要求, 设备要具备矿用电气设备的防爆性能, 同时自身不能点燃火花失爆。这就要求电源部分要满足本安型矿用电气设备技术要求, 满足正常工作条件和施加最不利条件时的非技术故障时的火花实验要求。

本安型PLC硬件模型如图2所示。

该PLC硬件体系与通用的工业控制器本质上是相同的, 都是由工控主板和总线接口扩展构成。

硬件平台总体分为数据采集通道和控制数据输出通道, 基本输入输出接口标准划分如表1所示。

硬件平台的调度工作核心是定时器及中断管理器。这部分接口为系统提供定时控制的中断源并为硬件突发事件生成中断信号, 完成信号的锁存和管理。中断控制器是硬件平台定时触发软件平台任务调度的基本信号源。

3 操作系统

操作系统包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面, 负责嵌入式系统的全部软硬件资源的分配、任务调度, 控制、协调并发活动。操作系统管理着计算机硬件资源, 同时按照应用程序的请求分配资源, 如划分CPU时间、内存空间的开辟、调用打印机等。

4 控制虚拟机

开放式控制器开放性的重要标志之一就是实现控制器软件与控制器软硬件平台的无关。这样做的意义在于控制器的软件开发可以脱离具体的硬件和操作系统, 一方面便于控制器硬件的升级和系统硬件体系结构的扩展, 另一方面有利于控制器软件的跨平台移植[1]。控制虚拟机各部分功能如图3所示。

在虚拟机中设立专门的I/O及开放内存管理器, 负责有关数据采集和输出任务的广义数据端口索引 (包括内存寻址和I/O寻址) 。索引中除了描述数据的寻址方式、数据类型、刷新频度, 还涉及缓存的数据深度, 即系统支持数据采集的时间序列存储。该机制将对更深层次的数据分析 (控制精度、系统频响、伺服系统的参数整定等) 提供支持。采集和输出的数据集中存放在输入输出数据映像中, 虚拟机对外提供读写这些映像的接口。

5 组件系统

组件技术提供了构建可定制的应用程序框架的规范, 在需要对应用程序进行局部功能的升级或修改时仅需要将相应的组件替换即可。

在组件技术支持下, 应用软件供应商可以通过构建组件库, 加快对用户的响应, 更快更好地完成用户的需求。

组件技术可简化应用软件的远程应用。应用软件被划分为可以位于远程的功能组件, 例如某些用于诊断和监控的专家系统组件 (如图4所示) 。控制器上的软件与远程组件实现了“透明的”、“无缝的”连接。

组件最大限度地对功能进行了封装。组件的开发者可以独立地进行编译、连接, 生成二进制代码放入运行系统中。每个组件与其他组件功能的实现机制无关。在组件技术的支持下, 软件的开发可以实现虚拟的软件开发的联合体, 使软件生产上升到“软件工厂”的层次。

用组件构成开放式控制器软件系统的好处是可以不断用实现了新算法的组件取代已有的组件。这样, 控制器将不再像传统的控制器那样在发行给用户之前就已经限定了所有的性能和功能, 而是可以随着新组件不断取代旧组件而不断丰富功能、强化性能。此外, 用户还可以在多家供应商提供的相同接口的组件间进行选择。开发商可以将组件积累成组件库, 从而可以快速地建立全新的应用。

6 人机界面

作为通用型PLC, 人机界面的友好性和健壮性是其实现通用性的关键技术之一。目前PLC国际通用标准为IEC61131, 矿用开放式本安型PLC也应遵循这一标准, 用国际通用的五种编程语言实现控制描述, 满足控制需求。

参考文献

本安设计论文 第5篇

关键词：本质安全型负载设备,电源电路,本安性能,BUCK开关电源,浪涌电压,软启动,电源纹波

0 引言

煤矿安全监控系统中矿用本安型负载设备电源电路的性能尤其是可靠性对设备的整体性能影响巨大。矿用本安型负载设备的电源输入线缆与高压动力电缆交叉或并行走线时,大功率设备的启停、短路故障,开关电源设备和变频设备的运行等都会带来浪涌[1],轻则导致系统误动作,干扰设备正常工作,重则使整个系统瘫痪[2],因此矿用本安型负载设备的抗浪涌性能逐渐受到重视。

一般矿用本安型负载设备在启动时冲击电流较大。在电流敏感型本安电源供电场合,过大的冲击电流会使本安型负载设备启动失败,且接入数量远远达不到要求,因此应在本安型负载设备的电源输入端设计软启动电路以限制启动电流,从而使单路本安电源能配接更多的本安型负载设备。

传统的LDO调节器效率低,损耗大,而BUCK开关电源效率高,损耗小,目前正广泛应用于矿用本安型负载设备中。由于煤矿中本安电源与本安型负载设备的距离长短不一,连接线缆粗细不同,使得本安电源输出的稳定电压传输到本安型负载设备侧的等效输入电压往往发生较大变化。若BUCK开关电源设计不当,将会使电源纹波参数恶化,因此应通过实验方法对BUCK开关电源的相关参数进行优化,以保证电源纹波在整个输入电压范围内保持在较小值,避免纹波对AD转换等电路产生影响[3]。

基于以上3个问题,本文介绍一种矿用本安型负载设备高可靠电源电路的设计方案。该电源电路基于BUCK开关电源控制芯片LM22671设计,并采用了抗浪涌和软启动措施,提高了供电可靠性。

1 电源电路原理

矿用本安型负载设备高可靠电源电路主要包括输入抗浪涌与本安化处理部分、软启动电路和本安型BUCK开关电源三部分。

1.1 输入抗浪涌与本安化处理部分

输入抗浪涌与本安化处理部分的电路如图1所示。输入端口并联的TVS(Transient Voltage Suppressor,瞬态电压抑制器)可防止输入端出现过压时损坏本安型负载设备的内部元件。TVS是一种新型高效的用于吸收电源进线上尖峰脉冲的器件[4],它采用电压箝位型工作方式,具有亚纳秒级响应速度以及击穿电压偏差小、箝位电压低(相对于工作电压)、动作精度高、无跟随电流(续流)、体积小、可靠性高等优点[5],广泛应用于高可靠监控系统中,是通过抗浪涌试验的关键器件。

本安型负载设备的输入电容在设计时以不超过本安电源最大容性负载为准,若单路本安电源能驱动多个本安型负载设备,根据电容并联值相加法则,外接的电容值将超过本安电源最大负载电容值,因此应作特殊处理。图1中,两个本安型负载设备并联,其输入电容CL不超过本安电源的最大负载电容值,则在本安型负载设备外部电源输入正负端和CL两端,其本安火花试验均不受相邻本安型负载设备的影响。这是因为CL的能量被二极管D1、D2隔离,无法反向释放到设备外侧,由此可以保证两台及以上本安型负载设备并联而不会破坏原有的本安性能。另外,通过D1、D2还可以实现电源输入的防反接功能。

1.2 软启动电路

本安型负载设备内部的容性元件使得其上电瞬间的电流(即冲击电流)非常大。若冲击电流超过本安电源的过流保护值,将会导致本安电源产生保护动作,进而导致本安型负载设备启动失败。热插拔时还会影响其它由同路本安电源供电的本安型负载设备的正常工作,不利于现场使用,因此在本安型负载设备高可靠性电源电路中设计了软启动电路(图2),用于将冲击电流限制在合理范围内。图2中,V1为NPN三极管,V2、V3为PNP三极管, VD1为稳压基准。

软启动电器主要由RC积分电路、压控恒流源电路和限流电路组成。下面对软启动过程的不同阶段进行分析。

(1) RC积分电路

对R2、C2组成的积分电路施加直流电压激励后,输入电压通过R2对C2充电,C2两端电压值为

$U{}_{\text{c}}(t)=U{}_{\text{i}\text{n}}(1-\exp {}^{-t/\tau })(1)$

式中:τ为积分时间常数,τ=R2C2。

Uc随时间的增加而增大,直至等于稳压基准VD1的稳压值。

(2) 压控恒流源电路

三极管作为放大器时,要求其工作点为发射结正向偏置,集电结反向偏置[6]。因此,图2中从RC积分电路开始工作至Uc上升至三极管基射极开启电压Vbe(on)(典型值为0.65 V)后,V1即进入共射放大组态,其集电极电流与基极电流关系为

Ic=Ibβ1 (2)

Ie=Ib(β1 + 1 ) (3)

式中:Ic为V1集电极电流;Ib为V1基极电流;β1为V1的直流放大倍数;Ie为V1的发射极电流。

Ib与Uc的关系为

${\rm I}{}_{\text{b}}=(U{}_{\text{c}}-V{}_{\text{b}\text{e}(\text{o}\text{n})}-{\rm I}{}_{\text{e}}R{}_4)/R{}_3(4)$

由式(2)~(4)得

${\rm I}{}_{\text{c}}=(U{}_{\text{c}}-V{}_{\text{b}\text{e}(\text{o}\text{n})})\beta {}_1/[R{}_3+(1+\beta {}_1)R{}_4](5)$

可见V1是一个压控电流源,若不计基区宽度调节效应的影响,则确定Uc即可确定电流Ic。

图3为启动电流控制电路。压控电流源接于V2的基极,则在上电过程中,V2的集电极电压未升到足够大,使得V2处于放大偏置。若V2的直流放大倍数为β2,则输出电流Iout为

Iout=(Uc-Vbe(on))β1β2/[R3+(1+β1)R4] (6)

由于Uc是缓慢上升的,所以Iout也是缓慢增加的,从而达到了软启动的效果。

(3) 限流电路

由于三极管的集电极电流和基极电流与其直流放大倍数有很大关系,而直流放大倍数存在很大的离散性,因此图3中最大电流限制值可能存在很大的离散型,不适用于对最大启动电流有严格限制的场合。采用图2中由三极管V2、V3和电阻R1组成的经典限流电路可解决该难题,其限流值为

${\rm I}{}_{\text{l}\text{i}\text{m}\text{i}\text{t}}=V{}_{\text{b}\text{e}(\text{o}\text{n})}/R{}_1(7)$

该电路工作在限流状态时的反馈环路:V2输出电流增大$\stackrel{}{}$流过R1的电流增大$\stackrel{}{}R{}_1$两端电压增大$\stackrel{}{}V{}_3$的发射极-基极正偏电压变大$\stackrel{}{}V{}_3$的发射极-集电极电压下降$\stackrel{}{}V{}_2$的发射极-基极偏置电压下降$\stackrel{}{}V{}_2$的集电极电流下降,即输出电流减小。该动态平衡的负反馈过程避免了输出电流超过设定值。

在启动过程中,电流限制值不可能比正常工作电流小,因此在负载电路上电启动过程后期必然会出现电流下降的趋势。本安型负载设备的电流逐渐稳定下来,意味着启动过程的结束。整个启动过程的电流曲线如图4所示。

1.3 本安型BUCK开关电源

本安型BUCK开关电源电路如图5所示。该电路基于LM22671设计。LM22671是额定电流为500 mA的BUCK开关电源控制芯片,开关频率可达500 kHz[7]。

该电路的电压输入范围为4.5~42 V,输出电压总小于输入电压,只能实现降压变换。BUCK开关电源的损耗主要是开关损耗、续流二极管的导通损耗以及磁性绕组的阻抗损耗[8,9],测试得本安型BUCK开关电源电路的满载效率达80%以上。

图5中L2和C6组成的LC滤波器用于降低纹波电压。在本安型负载设备中,电容值均较小,所以LC滤波效果比较明显。电感值不宜太大,否则电感的阻抗损耗较大,将降低电源的供电效率。

稳压二极管VD2和VD3是本安化处理的关键元件,可防止LM22671内部开关管发生短路异常时导致输出电容两端电压过高。稳压管是常用的限压元件,主要用于限制电路中某两点间的最高电压,改善电路本安性能,如限制电容两端电压或电源输出电压等。为了加快反应速度,可以用TVS管来代替稳压二极管。如此设计是非常必要的,因为在低电压情况下电路能使用的电容值更大,单片机系统承受电源输入端的电压扰动和浪涌冲击能力更强,从而保证单片机系统的可靠运行。

2 实验分析

实验采用输入电源为9~24 V的直流稳压电源,采用滑动变阻器作为负载,正常情况下测得BUCK开关电源的输出纹波电压为10 mV左右。

但是在矿用本安型负载设备中,由于电容、电感值受限,因此不能按照LM22671的推荐电路来设计,只能减小输出电容值,此时LM22671的开关频率往往达不到500 kHz。这是由LM22671的内部结构(可参考芯片数据手册)和工作方式决定的。LM22671内部有2个MOS开关管,它们为主从式结构,每个开关管的开关频率只有250 kHz。当负载电流处于某一范围时,从开关管可能在某些周期不导通而在某些周期导通,该现象称为频率交叉,会导致在本来固定的开关频率中混入低频成分,而这种低频成分无法通过后级LC滤波网络滤除,导致输出纹波突然增大,严重时可达200 mV以上,影响一些电路(如A/D模拟电路)的性能。

笔者通过不断实验,总结出LM22671对输入电压变化的敏感程度与图5中电感L1的大小成反比,因此可通过增大L1电感值的方法使交叉频率出现在额定输入电压范围以外。但该方法存在一定弊端,即降低了效率和增大了电感值,而电感值最大不能超过本安电源最大负载电感值,所以要寻找一个平衡点。当电感值不小于47 μH时,输入电压在9~24 V范围内便不再出现频率交叉,开关频率保持在500 kHz,故纹波电压能基本保持在10 mV,且不会出现纹波突然增大的情况。

对图5中的几个关键负载点进行效率测试的结果见表1。可见在保证本安性能的前提下,该电路的效率较高。

在进行本安火花试验前先查表判断电路的本安性能。实验采用的TVS最大击穿电压为7.98 V,实际计算以8 V为准。查看I类设备的最小点燃参数表[10],在1.5倍安全系数下,只能查到电源电压为16 V时最大短路电流为3.33 A,而此处电源电压为8 V,最大短路电流为0.9 A,裕量足够大。电源电压为8 V时,最大允许电容值可达1 000 μF以上,而实际使用的仅几十μF,裕量也足够大。查看I类设备的电感电路最小点燃曲线,可知最大感性负载在电流为0.9 A时可达2 mH,而实际使用的电感值仅为47 μH,也是安全的。该电源电路通过了火花试验。

另外,该电源电路通过了I级抗浪涌试验。试验中本安型负载设备未出现重启、损坏等异常情况。由于启动冲击电流控制在较小值,单路本安电源能驱动的本安型负载设备数量得以增加,供电可靠性得到了提高,热插拔性能优越,符合现场应用要求。

3 结语

矿用本安型负载设备电源电路通过对BUCK开关电源电路关键元器件参数的优化,使得参数选值完全符合低功耗和本安设计要求。该电路已通过了火花试验和I级抗浪涌试验,结果证实该电路在输入电压全范围内纹波电压非常小,具有较高的可靠性,可用于对可靠性、效率及电源纹波要求高的矿用本安型负载设备中。

参考文献

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[3]吴凌云,李瑞正.关于开关电源纹波抑制的技术要点及措施[J].数字技术与应用,2011(12):205-206.

[4]徐济仁.浪涌信号与防护方法[J].有线电视技术,2004(9):85-87.

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[9]PRESSMAN A,BILLINGS K,MOREY T.开关电源设计[M].3版.王志强,肖文勋,虞龙,等译.北京:电子工业出版社,2010.

本安设计论文 第6篇

现今市场上应用的设备启停监测仪已经非常落后, 采用的传感器与应用的芯片也跟不上发展, 普遍存在精确度不高的问题。本课题研究一款矿用本安型非接触设备启停监测仪, 使用高性能的传感器, 专门适用于煤矿井下特殊的环境参数, 可随时测量煤矿井下设备的启停状态, 方便操作与携带, 为保障煤矿井下安全生产做出了贡献, 具有良好的社会效益和经济效益。

总体方案

根据煤矿井下对电缆电流的检测要求, 可以将检测方式分为两种, 一种是直接接触式检测, 另一种是间接非接触式检测。本课题对煤矿井下机电设备启停状态的检测, 采用间接非接触式检测, 可以使被测电流与测量电路隔离, 从而降低安全隐患。

矿用本安型非接触设备启停监测仪采用磁场感应原理检测机电设备的开停状态。通电的导体周围必定产生磁场, 测出电缆周围有无磁场存在, 即可测出电缆内有无电流通过, 以此即可鉴别出机电设备的开停状态。井下机电设备系三相供电, 电缆内三相芯线有对称与不对称之分, 而在电缆外皮上, 总可找到一点与三相芯线呈不等距, 该点形成的磁场以靠近的芯线起主导作用, 设备供电电流越大, 磁感应信号就越强。

当被检测电缆中有电流通过时, 电磁感应敏感元件感应出信号, 经抗干扰、两级放大、信号变换等处理, 实现检测并输出电压信号。并可由单片机将状态信息转换成智能RS485数字信号传送至分站智能接口或其他信息传输设备, 再上传至地面中心站系统, 从而实现在地面中心站对井下设备工作状态的集中连续监测监控。

硬件设计

监测仪的硬件设计, 包括传感器调理电路、单片机外围电路、地址电路、显示电路、RS-485模块的接口电路、电源电路等。

本课题选用霍尼韦尔传感器HMC1021Z, 可以满足测量电缆0.3μT的工频磁场的要求, 工作温度为-40℃~+125℃, 适用于煤矿井下环境。为了使传感器正常稳定地工作, 需要搭建合理的外围电路。外围电路用瞬间闭合开关J1的方法, 使外围电路产生一个置位脉冲。

当电桥电源Vb=5V时, 由于HMC1021Z的灵敏度为1.0m V/V/高斯, 推算出传感器检测到磁场强度与输出电压的关系为:

由于检测工频磁场B为0.3u T, 即B=0.003高斯, 根据公式可求得传感器输出电压为U=0.015m V。由于STC12C5620的I/O口检测不出微弱信号, 为了使电压匹配, 需要对传感器输出电压进行两级放大, 本课题用LM258芯片构成两级放大电路, 放大倍数为100000倍。

STC12C5620单片机的外围电路是能使单片机正常工作的最小外围硬件组成的, 包括晶振、复位电路、电源等。由于系统需要进行串行通信, 为了系统能够稳定工作, 本课题采用11.0592MHz的外部晶体振荡器作为时钟的基准。由于外部本安电源供电的设备一般应能在9~24V范围内正常工作, 为了给系统提供稳定电源, 需要稳压芯片。本课题选用广州金升阳科技有限公司的K7805-500R2。系统稳定电源为5V。

为了设置本机的设备地址, 需要一个四位拨码开关开关, 和单片机STC12C5620的P0.0~P0.3引脚相连, 此设备号在一开始用拨码开关组进行设置, 在程序运行时, 每个设备都按规定设置好, 一般不作改动, 改动时重新设置开关即可。

显示电路通过点亮LED灯完成, 绿色LED和红色LED的阴极分别接P2.0和P2.1端口, 红绿LED灯的阳极共接电源。使用P2口直接驱动LED时, 外接的LED电路还必须使用电阻进行限流, 否则不仅容易造成LED灯过热损坏, 还会损坏单片机端口。本课题为了有效保护单片机驱动输出引脚, 预留出一定的安全系数, 最终限流电阻选用470Ω。

在往常的实验设计中, 通常需要采用一片电源隔离模块及3路光耦、RS-485收发器等器件才能实现带隔离的RS-485电路, 为了简化设计, 本课题采用一片RSM485CHT模块实现以上功能。

软件设计

基于STC12C5620单片机, 在C语言平台, 采用模块化设计方式编写了检测装置的软件程序, 具体包括:主程序、数据采集及处理子程序、状态显示子程序、串行异步通信 (RS-485) 子程序等。

主程序设计

当监测装置上电后, 磁阻传感器开始工作, 电信号经过处理电路接入单片机。STC12C5620单片机执行程序, 首先进行初始化:定义管脚, 设置本机设备号, 设置开门狗, 开系统中断, 系统状态为等待接收禁止发送, 即CON=1, 对串行口初始化, 设置波特率与串行口中断。系统一直对电信号采集及处理, 通过分析比较, 获取设备状态值, 从而点亮相应的LED指示灯, 并将获得的状态值进行存储。当发生串行口中断时, 程序跳入中断子程序, 执行RS485通信, 与主机通信, 响应主机指令发送状态值。

看门狗

由于系统设立的外部晶振为11.059MHz, 本系统只需看门狗溢出时间在100ms~200ms之间, 故令PS2=0, PS1=0, PS0=1, 令预分频值P=2, 根据看门狗溢出时间t的公式:

求得看门狗溢出时间t=142.4ms。因此, 应设置看门狗控制寄存器WDT_CONTR=0x31。

设备地址

J1作为一个DIP-4开关, 和单片机STC12C5620的P0.0~P0.3引脚相连, 用于设置本机的设备号。此设备号在一开始用拨码开关组进行设置, 在程序运行时, 每个设备都按规定设置好, 一般不作改动, 改动时重新设置开关即可。在读取P0口获取设备号之前, 先将其位寄存器置1。即设P0=0xff, 本机设备地址为addr=P0&00001111B=P0&0x0f。

数据采集及处理

启动转换时, START信号设置为START=0, START=1, START=0, 以产生一个正脉冲信号, 脉冲上升沿将内部寄存器全部清0, 在其下降沿开始转换。8路数据量输出端与P1口相连, 将数据通过P1口读入, 经数据处理后, 与设定的设备开机值比较, 从而判断设备启停状态信息。

由于模拟量输入基准电压为5V, 所选外部A/D转换模块ADC0809的转换精度为8位, 因此数据转换公式为:

式中, Volt为采样电压值, Adval为A/D转换值。由于检测工频磁场为0.3μT时传感器输出电压为U=0.015m V, 通过两级放大器放大100000倍后, 确定设备开机值为1.5V。为了方便编程时数值的计算, 5V电压数值定义为500, 因此1.5V电压数值相应为150。最终设定设备开机值为150。

状态显示子程序

根据显示电路, 要点亮红灯或是绿灯, P2.0和P2.1的端口必须处于低电平状态。根据A/D采样比较结果, 将设备状态定义为:设备开——红灯灭, 绿灯亮 (10) ;设备停——红灯亮, 绿灯灭 (01) 。

串行异步通信

由于系统设立的外部晶振为11.0592MHz, 即fosc=11.0592MHz, 本课题所需的波特率为9600bit/s, 可得定时器初值X=253=0xfd。

数据帧的内容包括起始字节、地址字节、类型字节、数据字节、校验和字节。主机发送的数据帧是指令帧, 数据字节为0字节, 即数据帧结构依次为特征码字节、地址字节、类型字节、校验和字节。从机发送的数据帧, 只是一个单纯的数据字节, 数据字节为1字节。避免其他从机对指令帧的干扰, 定义所有从机发送的数值转换成BCD码进行传送。由于BCD码是不会出现A、B、C、D、E、F这几个数码的二进制数, 因此, 定义特征码字节的数值为0x1A。

本设备与主控机关系密切, 它需要根据主控机的指令执行相应的操作, 以达到通信的目的。从机一直收集设备的状态信息, 当从机收到主控机发送来的帧, 便立即进入中断子程序。进入中断程序后, 立即关串行口中断。RI软件清零, 并将接收到第一字节, 即特征码字节, 存入字符数组a的第一个元素a[0]中, 判断第一字节是否为特征码, 如果不是, 则立即跳出中断, 等待接收特征码;如果是, 当RI为1时, 继续接收第二字节, 即地址字节, 存入a, 判断此字节与此设备设立的设备号是否符合?如果不符合, 便立即跳出中断。符合, 继续接收第三、第四字节, 分别存入a、a中, 通过第四字节, 即校验和字节判断传送的帧是否正确, 接收是否成功, 如果成功, 判断第三字节即类型字节的值, 收到读设备状态信息指令“GETDATA”时即主机要数据, 将CON=0, 系统处于等待发送禁止接收状态, 将已有的状态信息发送上报。

结语

本文从我国煤矿开采安全现状出发, 结合我国煤矿安全监测监控技术现状, 研制了一种新型的矿用本安型非接触设备启停监测仪。监测仪可以准确、稳定地检测三相电缆芯线不对称处的磁场, 检测精度也基本满足井下的检测需求。通过虚拟仿真, 验证了本课题矿用本安型非接触设备启停监测仪的技术方案可行。

本安设计论文 第7篇

随着煤矿生产技术水平的提高, 胶带输送机得到了广泛的应用。矿井不断开拓延伸, 胶带输送机数量逐渐增多, 数条胶带输送机互相搭接构成了整个煤矿井下煤炭运输系统。如果胶带输送机不能可靠、安全地运行, 将直接影响煤炭产量和煤矿生产安全。堆煤保护是胶带输送机集中控制保护系统中非常重要的一种保护, 一旦发生堆煤事故, 堆积速度很快, 如不及时停车, 短期内煤炭便能淹没输送机机头;电动机减速箱等传动机构如被煤炭覆盖堵转, 会造成胶带输送机超载堵转, 不及时停车会直接烧毁电动机减速箱等传动机构, 甚至撕裂胶带, 造成严重的设备损坏, 危及人员安全。

目前大多采用堆煤传感器对胶带输送机进行保护。现有的堆煤传感器的结构和原理都是基于行程开关的。由于煤矿井下环境的特殊性, 堆煤传感器的传感机构、行程开关易受到煤尘侵扰、潮气锈蚀等外部环境的影响, 常常不能及时准确地监测到堆煤故障信号, 其耐用性、灵敏度、可靠性都不十分理想。针对上述问题, 笔者设计了一种基于水银开关的矿用本安型堆煤传感器。该传感器能及时稳定地检测到堆煤故障, 并将故障信号传送至胶带输送机保护控制系统, 从而及时停止胶带机运转, 防止堆煤故障继续扩大, 减少损失[1,2]。

1 胶带输送机堆煤故障产生的原因

胶带输送机运输系统如图1所示。

导致胶带输送机堆煤故障发生的主要原因: (1) 1号胶带输送机一旦突然停车, 后方搭接的2号胶带输送机不能及时停车继续运转, 造成煤炭堆积, 产生堆煤事故; (2) 胶带输送机下方是煤仓, 煤仓满仓, 胶带输送机未能及时停车造成煤炭堆积。

2 基于水银开关的矿用本安型堆煤传感器

图2为塑料保护外壳结构的水银开关。塑料容器中储存着一小滴水银, 向其中注入惰性气体或真空, 当水银开关倾斜一个工作角度时, 由于重力作用, 水银会向着容器中较低的地方流去, 若同时接触到2个电极, 开关便会将电路闭合[3]。矿用本安型堆煤传感器就是利用该原理设计的。

基于水银开关的矿用本安型堆煤传感器由传感器外壳、水银开关、圆形基座、接线端子、喇叭嘴等部分组成。其外形结构如图3所示。

(1) 堆煤传感器顶盖由铸铁制成, 使堆煤传感器竖直吊挂在胶带输送机的落煤点时有足够重量, 不会因风吹或者煤块击打倾斜而造成误动作。

(2) 4个水银开关水平固定在圆形基座上, 接线端子在圆形基座的中心, 4个水银开关的引脚同时并联到接线端子的A、B端子上。

(3) 堆煤传感器竖直固定在胶带输送机头落煤点处, 将接线端子A、B的开关量信号接入到胶带输送机综合保护系统中。当发生堆煤事故时, 煤炭堆积使得堆煤传感器倾斜, 进而使堆煤传感器中一个或多个水银开关的A、B端子闭合。胶带输送机胶带保护控制系统检测到该闭合信号, 立即停止胶带输送机的运转, 从而防止煤炭继续堆积, 达到保护胶带的效果。

3 结语

水银开关具备良好的密闭性、灵敏度、耐用性, 采用水银开关设计的堆煤传感器有效地避免了传统堆煤传感器由于煤矿井下潮气锈蚀、煤尘侵扰等环境因素造成的不良影响, 设备稳定、可靠、灵敏。

该堆煤传感器已在开滦 (集团) 有限责任公司钱家营矿业分公司井下胶带输送机运输系统中得到实际运用, 运行良好, 可靠性高, 基本杜绝了胶带输送机因堆煤传感器失灵造成堆煤事故的隐患, 有很好的实际推广应用前景。

摘要：针对基于行程开关的堆煤传感器由于行程开关易受煤尘侵扰、潮气锈蚀等外部环境的影响而常常不能及时准确地监测到堆煤故障信号的不足, 提出了一种基于水银开关的新型矿用本安型堆煤传感器的设计方案。该传感器利用水银开关的原理, 在煤刚开始堆积时就将该故障信号传送至胶带输送机保护控制系统, 防止煤炭持续堆积, 达到保护胶带的效果。实际应用表明, 该传感器运行稳定, 可靠性高。

关键词：煤矿,本质安全型,胶带输送机,堆煤传感器,水银开关

参考文献

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