安全柵在電控系統(tǒng)本安設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

高旭彬

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原030006； 2.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原030006）

0 引言

2020 年3 月國家發(fā)改委等八部委發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，制定了煤礦智能化發(fā)展階段及時(shí)間節(jié)點(diǎn)。陜西、山西、河南、貴州等產(chǎn)煤大省也都提出關(guān)于煤礦智能化建設(shè)的具體方案及標(biāo)準(zhǔn)。 煤礦智能化的實(shí)現(xiàn)，離不開設(shè)備的自主感知、智能感知。 煤礦智能化要求煤機(jī)裝備具備完善的感知能力， 能夠全面感知裝備特征、作業(yè)狀態(tài)、工況環(huán)境等，為采掘裝備自主決策、自主作業(yè)提供必需的數(shù)據(jù)支持。 文獻(xiàn)[1]提出智能化采煤裝備要實(shí)現(xiàn)3 個(gè)感知，感知采煤環(huán)境、感知裝備狀態(tài)、感知作業(yè)姿態(tài)。 文獻(xiàn)[2]提出智能掘進(jìn)裝備應(yīng)具備完善的傳感器、具備工作面環(huán)境智能監(jiān)測功能。

這意味著煤機(jī)裝備需要布設(shè)大量的傳感器， 煤機(jī)裝備電控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中要進(jìn)行大量不同防爆型式電氣設(shè)備的配接。 例如本安與隔爆型式的配接，主要用于將本安型式的傳感器信號、通訊信號接入隔爆型式的電控箱。因此電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用各種本安安全柵， 實(shí)現(xiàn)開關(guān)量、模擬量、頻率量、通訊等信號的本安/非安防爆型式轉(zhuǎn)換。

目前市場上安全柵種類、 型號眾多， 用戶可選范圍廣，為系統(tǒng)本安設(shè)計(jì)提供了很大便利。 但是這并不意味著使用了安全柵就一定能夠滿足防爆要求， 即使具備防爆合格證的安全柵， 設(shè)計(jì)人員如果不加分析直接應(yīng)用也會破壞系統(tǒng)的本安特性，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患。

1 安全柵原理

1.1 安全柵定義

安全柵作為連接本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間的接口設(shè)備，是防爆電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要關(guān)聯(lián)設(shè)備。一般將其定義為裝有本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路，且結(jié)構(gòu)使非本質(zhì)安全電路不能對本質(zhì)安全電路產(chǎn)生不利影響的電氣設(shè)備。其防爆原理是通過各種能量限制手段，使其本安側(cè)輸出的能量在規(guī)定試驗(yàn)條件下產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)均不得點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物[3]。其本安特性主要以本安參數(shù)進(jìn)行描述。

1.2 安全柵種類

為了與不同類型和參數(shù)的本安設(shè)備配接， 相應(yīng)的安全柵種類非常多。按通道數(shù)量可分為單通道和雙通道；按極性可分為有極性和無極性； 按信號種類可分為開關(guān)量和模擬量等。 各種安全柵從保護(hù)原理上主要分為齊納式和隔離式安全柵[4]，見圖1。

圖1 安全柵原理圖

隔離式安全柵不僅能夠有效抑制能量， 還可以對信號進(jìn)行有效隔離。在保證安全的同時(shí)，大大增強(qiáng)了檢測和控制回路的抗干擾能力，獲得了大量應(yīng)用。

1.3 安全柵防爆原理

與安全柵定義相對應(yīng)， 只有安全柵輸出的電氣信號可被稱為本安信號， 其電路包含了非本安電路和本安保護(hù)電路，通過機(jī)械隔離、電氣隔離、電氣限能等設(shè)計(jì)手段來保證安全柵的本安輸出特性。

這里對限能單元進(jìn)行簡單說明。 圖1（b）給出了限能單元的示意圖，限流電阻R 保證電源短路時(shí)為本安輸出；齊納二極管組合Z 把電壓限制在開路電壓以下； 當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)， 保險(xiǎn)絲F 會熔斷，此時(shí)電路將斷開，阻止了二極管的損壞導(dǎo)致過量的電壓竄至本安輸出側(cè)[5]。需要注意的是，R、Z、F 可以是分立元件， 也可以是電路組合型式；所有并聯(lián)實(shí)施的保護(hù)需要考慮電路的可靠連接； 半導(dǎo)體保護(hù)元件須采用雙重化措施[6]。

2 安全柵在電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用要求

本文結(jié)合一種用于RS485 通訊信號防爆型式轉(zhuǎn)換的安全柵來進(jìn)行說明。系統(tǒng)配置如圖2 所示，電控箱中布置了本安電源和安全柵。 本安電源用于為電控系統(tǒng)中本安設(shè)備供電， 安全柵用于電控系統(tǒng)本安通訊信號防爆型式的轉(zhuǎn)換。 本安電源輸出和本安通訊信號由一根4 芯電纜連接到外部設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用示例

根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)要求，在考慮最不利的非計(jì)數(shù)故障和一個(gè)計(jì)數(shù)故障的情況下，該本安系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：不得破壞本安電源的本安特性、不得破壞配接的本安設(shè)備的本安特性、系統(tǒng)的連接也應(yīng)滿足本安要求。

2.2 RS485 通訊信號安全柵結(jié)構(gòu)

2.3 本安特性分析

根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)要求，在考慮最不利的非計(jì)數(shù)故障和一個(gè)計(jì)數(shù)故障的情況下[7]，該本安系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求： 不得破壞本安電源的本安特性、不得破壞配接的本安設(shè)備的本安特性、系統(tǒng)的連接也應(yīng)滿足本安要求。

對圖3 中的3 種限能電路進(jìn)行分析，其輸出電壓、電流能量都已進(jìn)行了可靠約束， 電路自身輸出完全滿足本安要求。但是當(dāng)其接入系統(tǒng)后，安全柵自身和系統(tǒng)的本安特性是否還能滿足呢？ 我們以圖3（a）為例來進(jìn)一步分析電路特征。

圖3 通訊信號隔離柵典型結(jié)構(gòu)

為了準(zhǔn)確判斷是否滿足本安特性， 應(yīng)首先找出可能破壞本安特性的最不利的故障——電控箱外部信號線與電源線短路，然后對參考端放電。

（1）信號線A 發(fā)生短路故障。等效電路如圖4 中右上方電路。導(dǎo)致打火的短路電流由三部分疊加而成，本安電源自身短路電流I、安全柵內(nèi)部等效電容經(jīng)過保險(xiǎn)放電電流i、其它外部本安設(shè)備等效儲能元件的放電電流i′。 本安電源短路電流疊加i 和i′后是否能夠引燃瓦斯，應(yīng)當(dāng)根據(jù)等效儲能元件量、 考核電壓等參數(shù)進(jìn)行火花試驗(yàn)來驗(yàn)證其本安特性。

本安電源自身能夠帶載一定的儲能元件， 從其本安參數(shù)最大外部電容Cout即可評定i′的安全性；系統(tǒng)中等效的儲能元件均使用可靠限流措施， 經(jīng)過限流后的放電電流會非常低。通過電路設(shè)計(jì)手段通過火花試驗(yàn)，還是很容易實(shí)現(xiàn)的。

（2）信號線B 發(fā)生短路故障。 等效電路如圖4 中右下方電路。短路電流組成成分不變，但是安全柵內(nèi)部等效電容無限流措施直接放電， 導(dǎo)致放電電流i 非常大。 而且，安全柵本身不是本安設(shè)備，內(nèi)部儲能元件量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出本安電源許可值。因此，該故障發(fā)生時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的本安特性被完全破壞。

圖4 考察點(diǎn)設(shè)置及等效電路

因此圖3（a）這種方式并不能完全保證系統(tǒng)的本安特性。

對于圖3（b）、（c）所示安全柵，對于本安配電電壓在6～24V， 配電電流≤100mA 的應(yīng)用場景能夠滿足系統(tǒng)本安要求。或者安全柵與本安通訊終端一對一，通訊總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮挥诜潜景矀?cè)的應(yīng)用場景也是滿足要求的。 出現(xiàn)上述兩種故障時(shí)也不會破壞系統(tǒng)本安特性。 適用于現(xiàn)場智能儀表、智能傳感器信號傳輸?shù)阮I(lǐng)域，卻并不適合示例中的電控系統(tǒng)應(yīng)用。原因在于電控系統(tǒng)中本安負(fù)載多，使用了配電能力強(qiáng)的CSTI-I 本安電源，其最大輸出電流可達(dá)1A 以上，一旦發(fā)生上述故障，安全柵的出口保護(hù)元件無法保證限壓單元的可靠性，導(dǎo)致本安保護(hù)失效。 因此，該類型安全柵對于總線拓?fù)湮挥诒景矀?cè)的應(yīng)用場景也無法保證安全使用。

需要說明的是， 上述分析的故障點(diǎn)設(shè)置在了電控箱外部線路沿線， 類似的故障設(shè)置在電控系統(tǒng)的本安設(shè)備內(nèi)部也會得到同樣的分析結(jié)果。

3 系統(tǒng)改進(jìn)方案

通過對示例的分析可以發(fā)現(xiàn)， 本來能夠通過本安考核的單個(gè)設(shè)備連接到一起后卻失去了本安特性。 而且這些故障點(diǎn)非常隱蔽，極易被忽視，需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中仔細(xì)推敲。

針對該示例， 我們通過切斷危險(xiǎn)回路或改進(jìn)限能電路的方式，提出以下幾種解決方案。

（1）系統(tǒng)中電源線和信號線分開布置，見圖5。

圖5 系統(tǒng)改進(jìn)方案一

（2）改進(jìn)信號線輸出方式一，見圖6。

圖6 系統(tǒng)改進(jìn)方案二

（3）改進(jìn)信號線輸出方式二，見圖7。

4 結(jié)論

安全柵為電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了很大便利， 提高了電控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化水平。但是并不意味著使用了安全柵就一定能夠滿足防爆要求， 須在具體設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行嚴(yán)格的電路分析，合理評估安全特性，杜絕安全隱患。

針對本文示例的本安總線拓?fù)浞桨浮?可以使用現(xiàn)成的安全柵產(chǎn)品，配合系統(tǒng)布線、隔離等技術(shù)措施來保證其安全特性。如果能夠自行設(shè)計(jì)相關(guān)的安全柵，如圖6、圖7所示，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)會有較大靈活性，降低系統(tǒng)布線要求及硬件開銷。