一種礦用本質安全型信號機的設計

天地（常州）自動化股份有限公司 苗 瓊

1.引言

信號機是控制交叉路口交通信號的重要設備，是交通信號控制的重要組成部分，各種交通控制方案，最終都要由信號機來實現。應用于地面的信號機技術發展迅速且十分成熟，不同尺寸、不同色彩、不同應用場合的信號機一應俱全，但其作為非本質安全型產品不能應用煤礦井下。煤炭作為特殊的能源行業，對其應用于本環境中電子設備的電子能量有一定的限制要求。目前，現有的礦用信號機產品大多顯示圖案固定、指示信息量有限、控制方式單一、使用不夠靈活，只能滿足固定的應用場合或者和其相應的監控系統配套，不具有廣泛的通用性。

圖1 信號機組成框圖

圖2 信號機控制板電路原理圖

圖3 信號機顯示板電路原理圖

圖4 軟啟動電路原理圖

為滿足煤礦不同工況的應用，同時為解決本公司現有KXH16X16信號牌顯示面積小、亮度低的問題，筆者設計了一款新型礦用本質安全型信號機。在本信號機設計中借鑒了LED數碼管的“段位”思想，將不同的顯示圖案獨立設計、控制。信號機可顯示的圖案有：紅色“X”，黃色“◎”，綠色“←”、“→”、“↑”，這樣可以實現每個圖案的獨立顯示或者組合顯示，從而豐富顯示圖案，提供更多的指示信息。同時，信號機可通過撥碼開關方式配置顯示亮度和控制方式，亮度調節分為4檔，控制方式包括RS485總線控制、外部頻率端口控制和外部開關量輸入端口控制，靈活的設計使得本產品可以應用于煤礦井下需要信號指示的眾多場合。

2.信號機組成

如圖1所示，信號機由控制板和顯示板構成。控制板包括：電源模塊、軟啟動模塊、控制器、頻率采集模塊、開關量輸入采集模塊、開關量輸出控制模塊、圖案控制信號隔離模塊和通信模塊。顯示板包括：電源模塊和LED圖案模塊。

圖5 信號機軟件程序流程圖

信號機支持3種控制方式：RS485通信控制、頻率輸入控制和開關量輸入信號控制。RS485通信控制支持多種協議模式，可接入本公司監控系統，或與其他廠家產品配接時可以使用MODBUS協議。頻率控制時，在頻率采集端口輸入規定范圍頻率值時顯示相應的圖案。開關量控制時，可接入2路的開關量輸入信號，支持4種顯示圖案。

信號機通過撥碼開關來配置通信地址、通信協議模式、通信速率和顯示亮度等工作參數。通信地址范圍1～255，通信速率支持1200bps和4800bps兩種，通信協議支持開放的MODBUS協議和本公司系統協議，信號機顯示亮度分為4個等級，亮度依次增強，在實際使用中用戶可根據現場應用要求調節顯示亮度。

3.信號機硬件設計

3.1 主控電路

信號機控制板選用NXP公司最新的32位Cortex-M0內核MCU作為主控制器，具有32K的FLASH和8K的SRAM，集成1路支持RS485通信模式的UART接口和4路的頻率捕獲接口，正常工作下，最高的時鐘速率可達48Mhz，電路原理圖如圖2所示。

信號機由本安電源供電，（12～19）V的本安電源經過軟啟動電路，再經過DC/DC電源模塊轉換到5V供RS485通信使用，5V通過LDO轉化為3.3V供MCU使用。信號機具有靈活的配置功能，主控板通過2個撥碼開關可實現對信號機通信地址、通過信速率、通信協議、顯示亮度和控制方式的配置。2路開光量輸入信號和1路的頻率采集信號電路設計時都采用光耦隔離措施，有效避免了外部干擾信號的影響。同時，頻率信號通過光耦隔離后，需再經過斯密特觸發器整形處理，濾除外部信號的干擾和擾動，才能送入MCU的捕獲端口進行采集。LED控制信號經過74LV245隔離后驅動LED圖案。

3.2 顯示電路

信號機顯示板采用戶外高亮LED，在較低的功耗下就可以達到較好的顯示亮度。控制板與顯示板通過12PIN的排線連接，包括LED的供電電源線和LED驅動信號線。顯示板的電源由控制板提供，經過DC/DC電源模塊轉換為9V后給LED供電。顯示板可顯示的圖案有：紅色“X”，黃色“◎”，綠色“←”、“→”、“↑”，其中紅色“X”、黃色“◎”、綠色“↑”為獨立顯示圖案，綠色“←”、“→”是組合顯示圖案。經過74LV245隔離后的LED驅動信號，以PWM信號方式控制CEM4953的通斷，實現圖案的單獨顯示和組合顯示。

3.3 軟啟動電路

信號機由本安電源供電，而本安電源具有過流保護功能。在供電設備多、供電距離遠時，設備上電瞬間造成的電流沖擊有可能導致本安電源過流保護，從而造成信號機啟動異常。從硬件設計角度，采用軟啟動電路能夠控制設備輸入電流的上升時間，限制最大電流，最大程度的減小了設備上電瞬間對本安電源的沖擊。當線路損耗降低信號機供電電壓時，軟啟動電路能夠保證信號機在低壓情況下可以正常起動。

軟啟動電路原理圖如圖4所，Q1和Q2為PNP三極管，Q3為N溝道增強型場效應管。R2和R3對輸入電壓UIN進行分壓，R2和C1構成RC延時電路，C1兩端電壓隨著充電時間變化緩慢增加，Q3的漏極電流與電路輸出電流呈緩慢的上升關系。

4.信號機軟件設計

信號機軟件設計流程如圖5所示，上電后信號機進行初始化操作，讀取信號機的通信地址和配置信息。在RS485總線控制模式下，根據通信協議信號機接收總線主機發送的巡檢命令，獲取圖案顯示的預案號；在頻率控制下，信號機采集頻率輸入端口的頻率值，關聯采集頻率值與顯示預案號；在開關量輸入信號控制下，信號機采集開關量輸入端口的信號，關聯采集信號與顯示預案。信號機在獲取顯示預案號后，需要判斷預案號是否合法有效，預案號合法有效時，判斷當前接收到的預案號與上次顯示預案號是否一致，預案號更新時，進行軟切換到新預案號對應的圖案，預案號未更新變化時，保持當前顯示預案號對應的圖案。信號機在接收到異常預案編號或者初始上電時，信號機顯示閃爍黃環，表示設備失控。

信號機硬件設計中增加了軟啟動電路來減少信號機啟動瞬間對本安電源的沖擊影響，在軟件設計中同樣采用了軟切換的方式來減小因信號機顯示圖案切換而造成的電流沖擊。信號機采用PWM方式驅動LED圖案顯示，軟切換方式是通過逐漸增加LED驅動信號占空比，使信號機的功耗逐漸增加，降低了圖案切換瞬間時對電流的需求，直接減小了對本安電源沖擊，保護了本安電源，增加了本安電源的供電設備數量。

5.結語

礦用本質安全型信號機適用于有瓦斯、煤塵爆炸危險的煤礦井下，可單獨使用，也可與煤礦軌道機車運輸監控系統、無軌膠輪車運輸監控系統和煤礦信息引導系統聯合使用，提供信號指示功能。信號機圖案組合顯示功能擴大了其應用范圍，可滿足煤礦井下多工況的應用要求。

目前，該產品已實際應用于山西平朔井工三礦，現場應用結果表明該信號機運行穩定，能夠為礦井無軌膠輪車運輸監控系統提供正確信號指示功能，達到了預期的設計目標。

[1]曹成濤,郭庚麒,徐建閩.智能交通信號機的設計及其實現[J].計算機工程與應用,2010(46):68-71.

[2]徐士敏,賈洪鋼.一種拼接式大型礦用LED陣列顯示屏的設計[J].工礦自動化,2011(6):17-19.

[3]方斌,沈小強,邱宇.一種礦用本質安全型設備軟啟動電路的設計[J].工礦自動化,2011(6):84-86.

[4]肖業偉,郭雪峰,黃輝先,盤宏斌.自適應的智能交 通信號機系統設計[J].計算機工程,2009(4):220- 222.

[5]肖圣兵,陳鋒.一種新型嵌 入式網絡信號機研究與設計[J].計算機測量與控制,2012,20(1):183-186.

[6]劉秋生.城市軌道交通車輛基地信號機設置方案分析[J].鐵道通信信號,2012(4):60-62.

[7]顧鳳麗.LED鐵路信號機在礦區鐵路的應用[J].工業技術,2012(9):95-96.