煤炭產量遠程監測裝置的設計與應用

季國林，李麗宏

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原030024）

煤炭生產作為我國能源生產的一個支柱產業，在國民經濟中占有重要地位。煤炭產量的監測更是關系到國家和企業的根本利益，但中國煤炭產業的安全生產形勢卻不容樂觀，煤礦安全事故頻發，造成了慘重的人員傷亡和巨大的經濟損失[1]，因此對煤礦產量的安全監測刻不容緩。本文設計的煤礦產量遠程監測裝置就是針對以上情況研發設計的。

1 裝置總體設計

煤炭產量監測裝置通過稱重傳感器和速度傳感器分別采集礦井輸送皮帶上單位長度的物料重量和皮帶運轉速度，由MODEM調制后遠距離傳輸至井上接口，井上儀表對數據處理后顯示出相應產量，實現了對礦井煤炭產量的監測整體框圖如圖1所示。

隔爆兼本安型電源給分站和傳感器提供穩定的直流穩壓電源。本安型分站負責采集重量與速度信號并采用抗干擾性能好的MODEM方式遠傳至井上接口。井上接口中的MODEM通過將分站的載波信號解調為標準RS232信號，實現了與顯示儀表的通信。井上接口具有通信指示和故障檢測功能。

圖1裝置整體框圖Fig.1 Overall block diagram of device

煤炭產量監測裝置使用了多種防爆措施。井下危險區域采用：隔爆兼本安型電源，本安型稱重傳感器，本安型速度傳感器，本安型分站。井上安全區域采用：礦用一般型的信息傳輸接口。

2 性能設計

2.1 電氣設計

煤炭產量監測裝置的控制芯片選用C8051F023型單片機[2]，它含有豐富的外設資源，5個通用的16位定時器，2路UART，22個中斷源，滿足了分站/接口的2路獨立頻率量采集/還原，定時中斷采集，串口接收/發送等功能，節約了生產成本，提高了裝置的抗干擾性。

煤炭產量監測裝置采用了MODEM方式進行遠程傳輸，電氣原理如圖2所示。滿足了礦井遠距離傳輸與抗干擾的要求。設計使用了MODEM芯片MC145442，其原理就是將“0”和 “1”這2種數字信號分別調制成不同頻率的2個音頻信號，在發送和接收端其對應不同的頻率。該芯片支持300波特率的全雙工或半雙工通信[3]；具有低功耗模式，電流消耗僅200 μA，抗干擾性能較好，誤碼率小于10-6。

裝置采用了集成有儀表放大器的24位A/D轉換器CS5532，電氣原理圖如圖3所示，該芯片受溫度影響小，稱重精度高，在實際應用中滿足了煤炭產量監測準確性的要求。

圖2遠傳模塊電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic of remote module

圖3CS5532電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic of CS5532

煤礦用防爆稱重傳感器采用并聯方式連接，5 V供電，傳感器的輸出精度為2 mV/V，所以滿量程輸出為10 mV，為了使測量結果更精確，在設置A/D轉換器的滿量程范圍時應盡量的小。可以在編程時通過設置增益寄存器和內部放大寄存器來設置輸入范圍。CS5532可量化的滿量程輸入信號的范圍由增益設定和VREF+、VREF－之間的參考電壓決定。轉換器的滿量程輸入信號范圍為（（VREF+）－（VREF－））/（G×A）

其中G就為增益放大器的系數，VREF+和VREF－分別為參考電壓的正和負。A的值為1和2可選，當參考電壓選擇位VRS設為0時，A=2，當VRS設為1時，A=1。本裝置中參考電壓為 2．5 V，即 VREF+為 2．5 V，VREF－為 0 V，A=1，增益G設置為128，所以滿量程輸入范圍為2．5/128≈20 mV，可以滿足現場傳感器測量精度的要求。

2.2 數據幀格式設計

煤炭產量監測裝置數據幀格式采用ASCII碼方式，這種方式能有效減少誤碼率，即將一位十六進制數（例如：0x3E）分成2個字節的ASCII碼（0x33和0x45）傳輸。按以往的十六進制幀格式，在數據幀有效段內可能會出現與起始位和結束位相同的字節，導致幀接收出錯。以ASCII碼方式編寫幀格式時，可以有效解決以上問題。裝置采用的數據幀一共為16個字節，如圖 4所示，起始位為 0x01，結束為 0x03，數據幀內容為前8字節的兩路速度量，后4個字節的重量A/D轉換值。

圖4數據幀Fig．4 Frame of data

3 防爆設計

3.1 隔離式安全柵電路設計

煤炭產量監測裝置中的信號傳輸回路采用的是隔離式安全柵電路（圖5）和齊納式安全柵相比，具有無需可靠安全接地的優點。

圖5隔離式安全柵電路Fig．5 Isolated barrier circuit

4只齊納二極管VZ1～VZ4組成雙重化的過壓保護電路限壓。限流電阻用于限制可能流過本質安全電路的電流。需要注意的是：為了防止檢修或替換影響本質安全性能的任何單元，需將安全柵電路全部灌封環氧樹脂。

3.2 本安設計

本安防爆是一種通過限制電路能量使得電器裝置在井下安全工作的低功耗技術。本安設備在正常運行和故障的情況下可能產生的電火花和熱效應分別低于爆炸性危險氣體的最小點燃能量和自燃溫度。本安技術具有安全可靠性高，適用范圍廣，可帶電維護等優點，基于這些優點，井下分站采用了本質安全型的防爆型式。在設計本安電路和評定電路本安性能時，考慮了最小點燃曲線，電流/電壓安全系數等因素。

3.2.1安全系數計算

安全系數是指最小點燃電流（或電壓或能量）與本安電路的電流（或電壓或能量）相比的倍數[4]。即：

例如：本安型分站中最大陶瓷電容為10 μF。圖6為I類電氣設備的電容性電路的最小點燃電壓曲線。因此，可得：當電阻值為零時，10 μF對應的最小點燃電壓為28 V （即圖6中A點的橫坐標），電路供電電壓為5 V，因此其安全系數最小為：

圖6I類電容最低點燃曲線Fig．6 Curves of the minimum light up of class I capacitance

計算得到的安全系數5．6大于國標規定的ib級安全系數1．5[5]（ib級安全系數是指正常工作和施加產生最不利條件的非計數故障時，安全系統最低為1．5）。

3.2.2本安系統設計要求

產量監測裝置經過國家防爆檢驗機構特定的電路分析測試認證后，得到本安型分站的本安參數為:Ui=5．8 V，Ii=1．4 A，Li=0，Ci=40 μF。傳輸接口的本安參數為：Uo=5．8 V，Io=165．0 mA， Lo=20 mH， Co=94 μF（如圖 7 所示）。 本安分站和傳輸接口之間的傳輸電纜分布參數為R≤45 Ω/km，C≤0．06 μF/km，L≤0．8 mH/km。 裝置中傳輸電纜最長能達到20 km，所以電纜最大允許分布電容 Cc=1．2 μF，電纜最大允許分布電感Lc=16 mH。符合本安防爆性能要求的Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc 的要求[4]。

圖7本安系統參量認可框圖Fig．7 Block diagram of intrinsically safe system parameters

3.3 隔爆技術

隔爆外殼的作用是在內部氣體爆炸時能夠將能量限制在內部，而不傳遞到殼體外部。所以型式檢驗時對隔爆箱的結合面有嚴格的要求。該裝置中的隔爆兼本安型電源箱采用的是孔位于外殼的外側的樣式，如圖8所示，圖8中a為孔與外殼的內側之間的距離；b為防爆接合面的寬度。按照GB3836．2 中的規定， 應符合當 b＜12．55 mm 時，a≥6 mm；當12．5 mm≤b＜25 mm 時，a≥8 mm； 當 b≥25 mm 時，a≥9 mm的要求[6]。在實際應用中，采用b=25 mm，a=11 mm符合要求，通過內部點燃不傳爆試驗檢驗。

圖8隔爆結合面安裝孔Fig．8 Mounting hole in the surface of explosion-proof combination

4 結束語

煤炭產量監測裝置將相關信號采集、遠程傳輸以及防爆技術應用到電路和外殼設計當中，經過國家安全生產檢驗中心的檢驗，在實現煤炭產量監測性能的同時能夠有效防爆。該裝置具有安全可靠，性能穩定等優點，在實際應用中，有效提高了煤炭監管人員的工作效率。

[1]王顯政．煤礦安全新技術[M]．北京：煤炭工業出版社，2002．

[2]高丹，李曉林，王曉棟．煤礦用遠程數據傳輸系統設計[J]．電子設計工程，2008，16（11）：69－71．GAO Dan，LI Xiao-lin，WANG Xiao-dong．Design of remote data transmission system in coal mine[J]．Electronic Design Engineering，2008，16（11）：69－71．

[3]杜超，李麗宏，王雷霞．基于MODEM技術的信號遠傳系統設計與實現[J]．中國測試技術，2009（35）：44－47．DU Chao，LI Li-hong，WANG Lei-xia．The design and realization of signal remote transmission based on C8051F023 and MODEM technique[J]．China Measurement&Testing，2009（35）：44－47．

[4]徐建平．儀表本安防爆技術[M]．北京：機械工業出版社，2002：24－26．

[5]GB3836．2－2000爆炸性氣體環境用電氣設備 第4部分：本質安全型“i”[S]．北京：中國標準出版社，2000．

[6]GB3836．4－2000爆炸性氣體環境用電氣設備 第2部分：隔爆型“d”[S]．北京：中國標準出版社，2000．