淺談礦用控制系統(tǒng)中本安型設(shè)備的電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

【摘要】列舉了礦用控制系統(tǒng)中本安型設(shè)備在現(xiàn)場使用過程中易出現(xiàn)的故障，分析了本安設(shè)備存在的上電沖擊過流保護(hù)、輸出控制接點(diǎn)易受井下電磁干擾等故障原因，并結(jié)合筆者多年來各類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給出了一些解決思路與方案以及故障診斷設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】本安電源；電池；軟起動(dòng)電路；接點(diǎn)檢測

1.引言

煤礦井下道路環(huán)境惡劣，運(yùn)輸設(shè)備缺乏，各類設(shè)備不易運(yùn)輸，因此相比各類大型的防爆設(shè)備，輕小易攜帶的本安設(shè)備更易被使用者接受。但由于煤礦條件惡劣，設(shè)備安裝位置不可靠、控制環(huán)境存在高壓電磁污染，再加上本安設(shè)備本身電氣設(shè)計(jì)上的一些特點(diǎn)，使得其可靠性都受到一定的影響，本文給出了礦井控制系統(tǒng)中本安型設(shè)備存在的一些問題分析并給出了針對(duì)此類問題的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2.系統(tǒng)中本安設(shè)備易遇到的問題

2.1 由系統(tǒng)設(shè)備本安設(shè)計(jì)所帶來的上電沖擊問題

所謂本安設(shè)備即是由本安電源供電的設(shè)備。本安電源是指在“本質(zhì)安全電路標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的條件下，產(chǎn)生的任何火花或者任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電源電路。所為供電設(shè)備，主要應(yīng)用于煤礦、石油、化工、紡織等含有爆炸性混合物的環(huán)境中。

如圖1所示，根據(jù)本安電源的設(shè)計(jì)要求，礦用本安電源都需具有兩級(jí)保護(hù)，兩級(jí)過流、一級(jí)過壓保護(hù)。本安電源的過流保護(hù)參數(shù)中時(shí)間是很重要的一環(huán)，因?yàn)楫?dāng)過流值一定時(shí)，過流時(shí)間越大，所產(chǎn)生的能量越大，能量超過規(guī)定的安全值時(shí)電源必須要?jiǎng)幼髑袛噍敵觯駝t逸散的能量太大無法達(dá)到安全要求。

在一個(gè)由本安電源供電的控制系統(tǒng)中，本安設(shè)備可以等效為電阻、電容、電感組成的負(fù)載，如圖2所示。

圖2中，當(dāng)負(fù)載未得電時(shí)，C1兩端電壓為0，一旦設(shè)備接入本安電源，由于此時(shí)設(shè)備端電容為0，上電的瞬間負(fù)載會(huì)對(duì)本安電源索取很大的電流，造成很大的上電沖擊。當(dāng)沖擊值很高超過本安電源的保護(hù)值時(shí)，電源的保護(hù)電路會(huì)將電源輸出切斷，導(dǎo)致電源上其余掛接設(shè)備無法得電。若此時(shí)某個(gè)設(shè)備正在實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)輸出控制功能，則會(huì)導(dǎo)致其無法正常工作使得整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性受到影響甚至于無法正常運(yùn)行。

在煤礦井下的惡劣環(huán)境下，由于大型機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)、設(shè)備間連接器的銹蝕等情況使得設(shè)備的電源線可能接觸不可靠，從而導(dǎo)致設(shè)備的短時(shí)間的掉電，就出出現(xiàn)上述分析情況，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)中其余設(shè)備不能正常工作。

2.2 本安設(shè)備在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中的抗干擾問題

煤礦井下大型機(jī)電設(shè)備集中的地方一般都存在高壓、大電流動(dòng)力線，具有很強(qiáng)的電磁干擾。本安設(shè)備在此種環(huán)境下很容易受到干擾出現(xiàn)接點(diǎn)自輸出、通訊干擾中斷等各種情況。像其中的控制接點(diǎn)通斷出現(xiàn)問題，經(jīng)常無法判斷是接點(diǎn)的輸出側(cè)出現(xiàn)問題，還是輸入側(cè)出現(xiàn)問題，無法界定故障點(diǎn)。

以上問題均為本安系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，下面提出一些解決思路與方案。

3.本安設(shè)備設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)

3.1 設(shè)備通過電池供電或者采用備用電池

很多時(shí)候系統(tǒng)在正常工作過程中電源出現(xiàn)保護(hù)都是由于供電的接插線纜瞬斷而導(dǎo)致上電沖擊電流過大，使得其余設(shè)備無法正常工作。基于此考慮，可以對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)本安設(shè)備增加電池供電。

圖3中，輸入電源經(jīng)過V1、R1、V2、V10、R2、V11構(gòu)成的充電電路對(duì)電池BT1充電。其中通過調(diào)節(jié)R1可以設(shè)置充電電流值，V11為穩(wěn)壓管，用于保護(hù)電池BT1防止其過充，電路中，當(dāng)電池BT1達(dá)到一定值時(shí)內(nèi)部電路由電池向其供電，開始工作，充電電壓達(dá)到電池BT1電壓時(shí)，充電電路不再工作。

通過增加電池BT1，若此時(shí)外部輸入電源斷開，本設(shè)備由電池供電，工作不受影響。當(dāng)電源再度接上時(shí)，即使存在上電沖擊，系統(tǒng)上其余設(shè)備由于有電池供電也不會(huì)受到影響，能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.2 在負(fù)載的輸入端增加軟啟動(dòng)來減小上電沖擊

導(dǎo)致上電沖擊保護(hù)的根本原因是電流過大，只要把電流限制住，就可避免這個(gè)問題。在負(fù)載的電源輸入側(cè)加入軟啟動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流從上電開始緩慢起動(dòng)。如圖4，由Q1和Q2兩個(gè)三極管組成軟啟動(dòng)電路，VOUT-R為電源的輸入側(cè)，VOUT連接到負(fù)載。初始上電時(shí)，通過對(duì)電容C3的充電，使得C3兩端的電壓有個(gè)緩慢抬高的過程，經(jīng)Q1和Q2放大后，反映在電流上就是流過Q1的EC極的電流緩慢增大，最終Q1工作在飽和狀態(tài)，負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定。這種設(shè)計(jì)拉長了啟動(dòng)時(shí)間，減小了啟動(dòng)斜率，避免了電流尖峰。

3.3 對(duì)設(shè)備自身輸出接點(diǎn)可靠性設(shè)計(jì)以及對(duì)接點(diǎn)狀態(tài)的偵測

當(dāng)D1-3腳置高，同時(shí)D2-1、2腳置低，光耦合E1導(dǎo)通，繼電器J1動(dòng)作，設(shè)備啟動(dòng)。這里要保證D2-1、2同時(shí)置低，這就是雙重反驅(qū)動(dòng)，以保證全系統(tǒng)能正常可靠運(yùn)行。

同時(shí)在設(shè)備輸出X1接點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)X2接點(diǎn)進(jìn)行檢測，X1、X2均為J1輸出的兩個(gè)接點(diǎn)，通過掉電保存功能存儲(chǔ)接點(diǎn)狀態(tài)。使用中當(dāng)發(fā)現(xiàn)X1斷電異常而X2端點(diǎn)一直都很正常的時(shí)候則可判斷故障并非J1繼電器本身，進(jìn)而可以進(jìn)一步排查。

4.結(jié)語

本文闡述了礦用控制系統(tǒng)中本安型設(shè)備在現(xiàn)場使用過程中易出現(xiàn)的主要故障，分析了本安設(shè)備存在的上電沖擊過流保護(hù)、輸出控制接點(diǎn)易受井下電磁干擾等故障的原因，并給出了一些解決思路與方案。

作者簡介：崔懷兵（1984—），男，江蘇南通人，工程師，主要從事煤礦自動(dòng)化與信息化相關(guān)研發(fā)工作。