淺談礦用控制系統中本安型設備的電路設計經驗

【摘要】列舉了礦用控制系統中本安型設備在現場使用過程中易出現的故障，分析了本安設備存在的上電沖擊過流保護、輸出控制接點易受井下電磁干擾等故障原因，并結合筆者多年來各類系統的設計經驗，給出了一些解決思路與方案以及故障診斷設計。

【關鍵詞】本安電源；電池；軟起動電路；接點檢測

1.引言

煤礦井下道路環境惡劣，運輸設備缺乏，各類設備不易運輸，因此相比各類大型的防爆設備，輕小易攜帶的本安設備更易被使用者接受。但由于煤礦條件惡劣，設備安裝位置不可靠、控制環境存在高壓電磁污染，再加上本安設備本身電氣設計上的一些特點，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中本安型設備存在的一些問題分析并給出了針對此類問題的設計經驗。

2.系統中本安設備易遇到的問題

2.1 由系統設備本安設計所帶來的上電沖擊問題

所謂本安設備即是由本安電源供電的設備。本安電源是指在“本質安全電路標準”規定的條件下，產生的任何火花或者任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電源電路。所為供電設備，主要應用于煤礦、石油、化工、紡織等含有爆炸性混合物的環境中。

如圖1所示，根據本安電源的設計要求，礦用本安電源都需具有兩級保護，兩級過流、一級過壓保護。本安電源的過流保護參數中時間是很重要的一環，因為當過流值一定時，過流時間越大，所產生的能量越大，能量超過規定的安全值時電源必須要動作切斷輸出，否則逸散的能量太大無法達到安全要求。

在一個由本安電源供電的控制系統中，本安設備可以等效為電阻、電容、電感組成的負載，如圖2所示。

圖2中，當負載未得電時，C1兩端電壓為0，一旦設備接入本安電源，由于此時設備端電容為0，上電的瞬間負載會對本安電源索取很大的電流，造成很大的上電沖擊。當沖擊值很高超過本安電源的保護值時，電源的保護電路會將電源輸出切斷，導致電源上其余掛接設備無法得電。若此時某個設備正在實現接點輸出控制功能，則會導致其無法正常工作使得整個控制系統的可靠性受到影響甚至于無法正常運行。

在煤礦井下的惡劣環境下，由于大型機電設備的振動、設備間連接器的銹蝕等情況使得設備的電源線可能接觸不可靠，從而導致設備的短時間的掉電，就出出現上述分析情況，導致整個系統中其余設備不能正常工作。

2.2 本安設備在強電磁干擾環境中的抗干擾問題

煤礦井下大型機電設備集中的地方一般都存在高壓、大電流動力線，具有很強的電磁干擾。本安設備在此種環境下很容易受到干擾出現接點自輸出、通訊干擾中斷等各種情況。像其中的控制接點通斷出現問題，經常無法判斷是接點的輸出側出現問題，還是輸入側出現問題，無法界定故障點。

以上問題均為本安系統中經常出現的問題，下面提出一些解決思路與方案。

3.本安設備設計考慮要點

3.1 設備通過電池供電或者采用備用電池

很多時候系統在正常工作過程中電源出現保護都是由于供電的接插線纜瞬斷而導致上電沖擊電流過大，使得其余設備無法正常工作。基于此考慮，可以對系統中的每個本安設備增加電池供電。

圖3中，輸入電源經過V1、R1、V2、V10、R2、V11構成的充電電路對電池BT1充電。其中通過調節R1可以設置充電電流值，V11為穩壓管，用于保護電池BT1防止其過充，電路中，當電池BT1達到一定值時內部電路由電池向其供電，開始工作，充電電壓達到電池BT1電壓時，充電電路不再工作。

通過增加電池BT1，若此時外部輸入電源斷開，本設備由電池供電，工作不受影響。當電源再度接上時，即使存在上電沖擊，系統上其余設備由于有電池供電也不會受到影響，能保證系統正常運行。

3.2 在負載的輸入端增加軟啟動來減小上電沖擊

導致上電沖擊保護的根本原因是電流過大，只要把電流限制住，就可避免這個問題。在負載的電源輸入側加入軟啟動電路，實現負載電流從上電開始緩慢起動。如圖4，由Q1和Q2兩個三極管組成軟啟動電路，VOUT-R為電源的輸入側，VOUT連接到負載。初始上電時，通過對電容C3的充電，使得C3兩端的電壓有個緩慢抬高的過程，經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，負載電流達到穩定。這種設計拉長了啟動時間，減小了啟動斜率，避免了電流尖峰。

3.3 對設備自身輸出接點可靠性設計以及對接點狀態的偵測

當D1-3腳置高，同時D2-1、2腳置低，光耦合E1導通，繼電器J1動作，設備啟動。這里要保證D2-1、2同時置低，這就是雙重反驅動，以保證全系統能正常可靠運行。

同時在設備輸出X1接點的同時，對X2接點進行檢測，X1、X2均為J1輸出的兩個接點，通過掉電保存功能存儲接點狀態。使用中當發現X1斷電異常而X2端點一直都很正常的時候則可判斷故障并非J1繼電器本身，進而可以進一步排查。

4.結語

本文闡述了礦用控制系統中本安型設備在現場使用過程中易出現的主要故障，分析了本安設備存在的上電沖擊過流保護、輸出控制接點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，主要從事煤礦自動化與信息化相關研發工作。