煤礦安全監控系統浪涌防護的有效技術措施

文/謝春華

對于微電子系統來說浪涌防護是非常關鍵的一環，對于電子信息系統，尤其是煤礦的安全監控系統，隨著井下電子信息設備越來越多，如果遭遇浪涌，對電子信息設備的影響大，因此為維護煤礦安全監控系統的安全正常運行，探索其浪涌防護技術將具有顯著現實意義。

1 浪涌的影響

一般情況下，電子信息設備遭遇浪涌主要有兩種情況，一種是設備供電線路周邊遭遇雷擊，產生雷電流感應，而在電路當中出現瞬時強大電壓或電流。對于微電子設備而言，在這種情況下會因為瞬間的強大的電壓而倒是設備出現損壞。另一種情況則是電路在切換開關時，可能會在瞬間產生強大過電壓，如主電源系統在切換開關時產生的干擾等。

對于煤礦安全監控系統而言，其是為了保證煤礦安全生產而特別設計的安全監控系統，如果該系統遭遇浪涌危害，那么有可能出現兩種情況，第一種情況是當浪涌強度大且超過了系統設備的承受能力，那么極有可能在設備遭遇浪涌后直接損壞。在做系統設計時就需要考慮到如何去抑制這種情況。當發生過電壓或過電流，但過電壓或過電流都不強，會產生累積性的浪涌危害，即第二種浪涌的危害形式，它可以讓系統設備半導體元件的性能發生衰退，縮短設備的使用壽命，這種危害在前期不一定能夠感受到，但到了后期一旦出現問題，造成的影響也非常大，所以這方面在安全監控系統設計時也是需要考慮的。

2 煤礦安全監控系統浪涌防護分析

2.1 關于基于CAN總線的安全監控系統浪涌防護思考

在煤礦安全監控系統的設計當中，CAN總線是一種常用的現場總線，在煤礦生產現場，安全監控系統的運行可靠性非常重要，CAN總線如果遭遇浪涌那么將可能造成極大的危害，所以研究煤礦安全監控系統的浪涌防護技術具有顯著現實意義。在CAN總線的浪涌防護當中，目前國內外通常使用浪涌防護裝備來抑制浪涌，包括GDT、MOV、TVS、TSS等，這些防浪涌元器件基本上都是非線性元件，在設計當中通常會布置在CAN接口的電路兩端，并且并聯在電路當中。這些防浪涌元器件相對來說都能夠起到比較好的浪涌防護作用，但是因為設備的響應時間、流通容量、鉗位電壓等不一樣，如果用在CAN總線當中哪種性能會更好，目前來說尚沒有一個較為準確的定論。在煤礦的安全監控系統設計當中往往會憑借經驗來進行設計，可能會造成在后續使用當中不滿足可靠性要求。

在一個典型的基于CAN總線的煤礦安全監控系統中，由一臺工業控制計算機作為上位機對整個系統進行管理，上位機通過CAN總線連接生產現場的分站。在現場的分站每一個分站接點都有內嵌CPU，有各種傳感器。CPU將各種傳感器的信號轉化成CAN標準信號，在將信號上傳上位機并轉發到執行器接點。

一個典型的井下分站包括總線，CAN收發器，光電耦合器，CAM控制器，CPU，數字量輸入電路和數字量輸出電路。其下還有傳感器，執行單元等硬件。對于CAN現場總線而言，耦合途徑是浪涌的主要傳導方式，對于硬件設備而言，對浪涌最敏感的設備是CAN接口電路，因此在基于CAN總線的煤礦安全監控系統設計時，考慮從三個方向上來進行防浪涌，包括抑制干擾源，削弱干擾源的影響力，切斷耦合途徑，提高敏感設備的抗干擾能力。

CAN總線是一種串行通信，在設計時考慮借鑒成熟的RS485的抗干擾設計，并選擇市面上現有的防浪涌器件并放置在CAN線路當中，形成整體的浪涌防護體系。

2.2 煤礦安全監控系統浪涌防護

為了保證安全監控系統浪涌防護體系的有效性，考慮在總線及接口之間加入防浪涌設計。一般的浪涌防護，可以考慮在CAN接口前串聯一個阻抗，利用阻抗來對抗孫太電流，在低頻時該阻抗為電阻或者電感。在導線之間以及導線與地之間要并聯一個阻抗，該阻抗用來抑制電磁暫態，這個阻抗一般可用GDT、TVS等。當總線當中傳輸的信號遠低于出現的干擾信號時，該阻抗就可以作為電容存在于電路當中，并且與串聯的另一個阻抗形成低通濾波器。當總線中傳輸的有用信號大時，那么并聯的阻抗就可以作為電感存在于電路中，并且與串聯阻抗組成高通濾波器。

在考慮做浪涌防護體系時，要注意，保護電路不能對系統產生影響，但可能因為電磁環境比較惡劣而降低保護的效果，所以在設計浪涌保護體系時，務必要選對浪涌抑制器，要準確地把握不同抑制器的性能，防止浪涌保護器的一些非理想的特性對系統造成影響。而要保證保護電路的效果，主要還要考慮保護器件的殘壓水平，保護效果越好，那么殘壓水平與被保護電路的工作電壓越相近。這是理想狀態下的情況，現實當中并沒有必要去追求低殘壓水平，因為過分的追求低殘壓水平可能導致保護電路本身性能縮減。所以在設計浪涌防護體系時，一般都考慮做多級防護，利用不同浪涌保護器的性能特性來進行合理的組合，形成多級保護的效果。例如，將GDT或MOV作為第一級保護，因為這兩類保護器能夠泄放較大的過電流，可以降低后面設備因為過電流帶來的沖擊。在第二級保護中一般可以用MOV或TVS來進一步降低過電流。如果在加上一個鉗位元件來做第三級保護，那么則可以將保護電路中的設備的電位限制在一個極低的水平，這一類鉗位元件通常可以用TVS或TSS來構成。

在上述多級保護電路當中為了保證電路之間的配合合理，并且實現最大的保護器使用期限，一般還需要考慮在電路之間加入去耦電路。在一類電路一般可以通過電阻或者電感來組成，不過注意電阻不適合放在電源回路當中，即便電阻可以實現衰減長脈沖，但是容易發熱。而電感則比較適合用在電源回路中，用以消除短脈沖，但對長脈沖基本上沒有效果。所以在CAN總線中考慮將電阻和電感組合起來運用。

因此，在構建基于CAN總線的安全監控系統的浪涌防護體系，應注意浪涌防護體系應當具備強鉗位能力能夠限制過載電壓，電路末端的鉗位電壓應當盡可能地與最大的工作電壓相近。保護器要具備快速響應能力，對于響應時間而言應當盡可能地保證在ns級別。保護器在系統正常運行當中要不能夠產生影響或者影響可以忽略不計，在這一前提下，保護體系的等效并聯電阻可以盡可能的大，而串聯電阻或者并聯的電容則應當盡可能小。在遭遇浪涌后，保護電路當中的元件應當能夠立即恢復。當然還需要考慮一下成本問題，所選擇的保護元件要盡可能的體積小，成本低，方便維護。

3 結語

綜上所述，通過上述方法對基于CAN總線的煤礦安全監控系統進行防浪涌設計，在實踐當中產生了應有的效果，通過在系統的直流電源端口和信號端口構造多級防護，并利用500V浪涌信號對該多級保護體系進行實際測試表明，經過多級保護電路的限制，在靠近電源芯片的峰值電壓為30V，信號端的峰值則為29.6V，基本上可知上述方法是有效的。但在實際測試當中發現GDT因為響應動作比較慢而存在漏掉峰值電壓的可能，好在下級的保護器提供了快速響應能力，可保護系統，但對下級保護器的使用壽命影響非常大。所以在實際的設計當中關鍵還是要選對保護器。只要保護器選對，在浪涌保護設計時，難度就很低了。