DJC4.0／660-Z礦用車載甲烷斷電儀主機的設計

胡智芳

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司 2.重慶安標檢測研究院有限公司）

0 引言

由于我國煤炭經濟的高速發展，煤礦的安全生產事故也隨著不斷增加，因此煤礦安全生產引起高度重視。煤礦安全生產事故中的瓦斯事故尤為頻繁，時刻威脅著煤礦的生產安全，時刻威脅著礦井人員的生命及煤礦的財產安全，所以尋找一種能對瓦斯進行實時測量與監控，并及時進行預警及控制對煤礦安全生產具有非常重要意義。甲烷斷電儀主機通過測量甲烷濃度、邏輯判斷和執行輸出三個部分完成預定的報警、斷電控制功能，它的產生給礦井安全生產帶來好消息，很快便成為礦井安全生產最重要的輔助設備。然而，目前應用在煤礦輔助運輸設備單軌吊車上的車載式甲烷斷電儀主機大部分存在檢測精度和可靠性不高的弱點；其次，在斷電控制技術上，由于目前使用的大多車載式甲烷斷電儀主機采用的是電磁繼電器，在應用中有明顯的延時長、可靠性低的缺點，使得煤礦安全生產中瓦斯事故仍得不到保證。針對目前這種車載式甲烷斷電儀主機的測量精度不高、斷電控制可靠性不高、通信功能不完善及電源供電等問題［1］，本文做如下研究內容：檢測甲烷濃度的檢測頭選擇基于半導體激光器的光譜吸收的原理；數據通信功能部分選擇RS-485總線、RJ45網口通信技術實現的主機；斷電控制部分選擇新型固態繼電器，大大提升可靠性。圍繞GD32F103c8t6芯片的架構，設計甲烷濃度檢測、電源緩啟動、交直流切換、斷電控制、聲報警、數據傳輸、顯示以及本安電源輸出等硬件電路。通過試驗證明［2-4］，這款主機達到設計要求，完善功能需求，實現穩定可靠的運行；另外，外部電源和備用電源的切換供電，實現完成甲烷濃度的檢測、可靠的斷電控制以及聲光報警、可靠的通信、甲烷濃度上傳等功能。

1 甲烷斷電儀主機的工作原理

甲烷斷電儀主機通過數字485信號下發尋址采集和采集頻率信號兩種方式，信號送至甲烷斷電儀主機，由GD32F103c8t6芯片進行處理，驅動數碼管顯示甲烷傳感器檢測的甲烷濃度值濃度，通過預置主機的報警點和斷電點，實現繼電器觸點吸合，控制被控設備供電運行，如圖1所示。

圖1 甲烷斷電儀主機工作原理

2 斷電控制邏輯

當監測的甲烷濃度在（1.5～1.8）%CH4時，甲烷斷電儀主機應及時報警，當甲烷濃度≥1.8%CH4時，斷電儀主機及時切斷設備電源。單片機將接收到的傳感器信號進行處理，換算為實際的甲烷濃度值，使得數據得到直觀的顯示。報警點、斷電點、復電點等功能由遙控器進行設定并存儲，通過中間繼電器控制設備實現信號輸出控制電路的報警或切斷設備電源。

3 交直流供電轉換

甲烷斷電儀采用兩種供電方式［5-8］，一種是交流供電AC 127V／AC 220V／AC 380V／AC 660V，一種是直流供電DC 24V，直流供電用外接的隔爆兼本安型電池箱。交流輸入經過AC-DC模塊轉換為24V直流輸出，直流輸入通過緩啟動電路（見圖2）向后級電路供電。

圖2 緩啟動電路

當甲烷斷電儀僅為直流供電時，GD32F103c8t6芯片判斷后觸發JL_CTL信號，Q2導通，Q1導通，實現直流供電，當甲烷斷電儀切換為交流供電時，GD32F103c8t6芯片判斷后停止觸發JL_CTL信號，Q2關閉，Q1關閉，實現交流通過AC-DC模塊轉換為24V直流輸出供電（見圖3）。

圖3 交直流供電轉換電路

4 信號傳輸處理

設定的甲烷斷電儀主機的甲烷濃度值在（0.00～4.00）%CH4范圍內對應的甲烷傳感器輸出頻率信號為（200～1000）Hz，信號接收電路將頻率信號進行放大、整形后發送GD32F103c8t6芯片進行處理，顯示。

頻率信號與甲烷濃度的轉換關系［9］為：

式中，G為檢測輸出信號Pi對應的甲烷濃度值，%CH4；Gm為輸出電信號上限對應的甲烷濃度值，%CH4；G0為輸出電信號下限對應的甲烷濃度值，%CH4；Pi為檢測的輸入電信號，Hz；Pm為輸出電信號范圍上限標稱值，Hz；P0為輸出電信號范圍下限標稱值，Hz。

甲烷斷電儀主機采用兩路RS485半雙工的通訊方式進行上、下行數據傳輸，上行傳輸以2400bps傳輸速率與中心站通訊，下行傳輸以4800bps傳輸速率由甲烷傳感器與甲烷斷電儀主機通訊。因甲烷斷電儀主機的供電為非安，所以需要將信號處理成本安，RS485 A／B信號線上設計安全柵電路（見圖4），由電阻R48／R49、穩壓管D7／D8／D11／D12 BZG04-8V2（DO-214AC）組成限流限壓電路。

圖4 RS485安全柵電路

5 本安電源輸出設計

為保證甲烷斷電儀主機外接的甲烷傳感器和聲光報警器的供電需求，采用兩路24V／550mA的本安電源模塊（見圖5）進行供電。一路外接聲光報警器同時給內部蜂鳴器供電，另外一路接甲烷傳感器。

圖5 電源安全柵電路

IC1和IC2為24V／550mA的本安電源模塊，由內部24V隔離變壓模塊及兩級限壓限流電路組成，構成可靠的本安電源輸出。

6 控制輸出設計

由GD32F103c8t6芯片將實時采集到的甲烷濃度與設定的報警值、斷電值進行比較，當甲烷濃度達到設定值時，即從GD32F103c8t6芯片的IO口C_JDQ／L-DD輸出控制信號，使得Q10導通，控制繼電器動作。電路中繼電器需要進行特殊設計，第一安全設計，需在繼電器的控制端放置兩個二極管，用于能量泄放，第二繼電器作為打火元件，需要與兩個二極管作為整體進行澆封（見圖6）。

圖6 斷電控制電路

7 軟件設計

軟件程序采用模塊化結構，主要分為數據采集，濃度值的轉換、顯示及遙控參數設定，斷電條件判定和復電條件判定這幾個部分。為了安全起見，首次上電1min內，斷電儀仍處于斷電狀態，并對傳感器的狀態進行判斷，當確定傳感器狀態正常后，再進入甲烷濃度及狀態監控等工作。

8 甲烷斷電儀主機的檢測

評定甲烷斷電儀主機的可靠性和穩定性，主要檢驗跟蹤誤差、7天穩定性、控制執行時間這三個技術性指標［10］。

跟蹤誤差是用濃度為（0.5、1.5、2.5）%CH4±0.1%CH4的標準氣樣，通（150mL／min）四次，每次3min，記錄斷電儀的顯示值，取后三次的算術平均值作為測量值與標準氣體的差值，作為基本誤差。測試結束后用清潔空氣清洗3min，再進行一次試驗，24h后再按上述方法進行測試，計算跟蹤誤差值。

連續工作七天，每隔12h測試其功能，調整零點用0.5%CH4通（150mL／min），試驗期間不得調整斷電儀主機。漂移量按下式計算：

式中，δ0為零點的漂移量；δ1.5為1.5%CH4甲烷濃度漂移量；D為標準甲烷氣體濃度，%CH4；Di為實際測量次數的顯示值，%CH4；N為實際測量次數。

執行控制時間檢測，主機需帶模擬負載，待送電穩定運行后，外接可調的電流、電壓、頻率等信號發生器，當輸入信號達到斷電時，記錄輸入信號與輸出點的動作時間，連續測試三次，取最大值。

9 結束語

本主機按煤礦防爆安全技術標準進行設計，通過安標認證專業檢驗機構的礦用隔爆技術嚴格的檢驗，在現場礦井安裝和使用過程中，各項主要技術指標均達到標準規定的最高技術要求，運行安全、穩定、可靠。