煤矿安全监控系统平衡分时上电控制技术的研究

【摘要】在煤矿安全监控系统中，井下监控分站和各种矿用传感器都采用本安电源集中供电方式，在电源上电、断线或故障恢复的情况下，所有分站和矿用传感器同时上电，因矿用传感器上电启动电流较正常稳态工作电流大，此时负载电流达到最大值，从而限制了本安电源所带传感器的数量。本文提出了一种平衡分时上电控制技术可最大限度的减少启动峰值电流，提高本安电源的负载能力和系统的稳定性，同时也可进一步延长传感器的传输距离。

【关键词】煤矿；安全监控系统；分时上电；传感器

1.引言

煤矿安全监控系统是国家强制要求安装的“六大系统”之一，是煤矿安全生产的重要保证。在煤矿安全监控系统中，井下监控分站和矿用传感器基本都采用集中本安电源供电方式，即一路本安电源带若干个传感器，当出现本安电源上电，短路、断线等故障恢复等情况时，监控分站与其挂接的所有传感器都会全部重新上电复位重启，目前已有一些提高本安电源带负载数量的措施，比如软起动技术等，但也无法实现真正的电流零冲击，往往设置限流值也较大，传感器供电采用同步上电方式，因矿用传感器上电启动时的峰值电流一般都较稳定后正常工作电流大很多，集中同步上电时要求矿用电源提供的电流远大于正常工作要求的电流，因本安电源的容量的限制，使本安电源所带传感器数量受限，如配接的传感器数量较多，本安电源容量裕量较小，还会使系统的不稳定性几率增加。往往无法实现超远距离的远程供电要求

2.平衡分时上电控制技术

目前国内部分厂家的新型矿用传感器都采用了软启动设计和低功耗芯片设计，传感器启动电流较传统的设计方式上电冲击电流大大减小，但由于传感器输入电源存在工作电压要求范围宽的问题，一般要求为DC（9～24）V，设计时需满足低端的启动限制，这样软启动设计的最大限制电流往往比负载正常工作电流大，而且如在设计时启动电流限制太小，则会导致负载内部电容不能及时充满电，电源输入提供的功率赶不上消耗的功耗，从而导致启动失败的问题。

图1 安全监控系统平衡分时上电模型

图2 传感器内部平衡分时上电控制模块控制框图

平衡分时上电控制技术主要是将启动电流在值域向时域进行转换，根据实际设计时的各电路功能模块的负载曲线对系统累积电流值进行平衡处理的方法。目前分时上电技术已开始应用于多个领域，如华为、华三、曙光集群服务器集中供电领域就采用了该技术，在煤矿领域的矿井风压自动监测报警系统中已开始有部分应用，该技术可在很大程度上减少累积冲击电流以提高系统实际负载能力，增强系统的稳定性。

煤矿安全监控系统的平衡分时上电控制设计可以分为设备之间的平衡分时上电控制和设备内部的平衡分时上电控制两部分.设备之间的平衡分时上电控制原理如图1所示，控制方法是……。设备内部的平衡分时上电控制如图2所示，控制方法是……。

3.平衡分时上电的设计方法

3.1 监控系统各组成的矿用传感器分时上电设计

矿用传感器主要采用模拟量或数字量传输，采用RS485总线传输的智能传感器都有通讯总线上的唯一识别地址，传感器上设计有一超低功耗分时上电管理模块，内含一超低功耗微处理器，如可选用MSP430、AVR系列功耗在μA级的单片机，传感器上电后低功耗单片机根据已存储的唯一地址号作为分时时间计算因子，计算出偏移时间，各传感器根据偏移时间独立分时启动自身的电路模块，最终达到正常的稳态工作模式。

图3 本安电源侧上电后输出电流曲线

如图3中所示，a为传感器无任何启动保护下工作电流曲线，b为传感器具有软启动功能电流曲线，c为所有传感器分时上电且有软启动功能累积电流曲线图。

I1（max）为方式a时所有传感器最大工作电流，I2（max）为方式b时所有传感器最大工作电流，I3（max）为方式c时所有传感器最大工作电流，三个工作方式下的电流大小关系和启动时间关系是：I1’（max）>I3’（max）>I3’（max），t3’>t2’>t1’，由图可知，在采用分时上电控制时传感器上电电流曲线平滑，冲击很小，但从上电到稳态时间相对较长。

3.2 矿用传感器内部平衡分时上电的设计

矿用传感器一般由传感检测模块、电源管理模块、显示与驱动电路模块、数字通讯电路模块、信号输出模块、报警驱动电路模块、单片机处理及电路模块等。如瓦斯传感器探头功能稳态时约0.36W（3Vх120mA），上电瞬态电流约为0.9W，随温度升高电流逐渐下降直120mA，显示及驱动电路模块部分功耗约0.15W，单片机及AD等模块约0.06W，其他电路部分估算为0.03W左右，累积功耗约0.6W，根据平衡分时上电设计方法，分时上电模块将依次启动单片机及电路，显示模块，探头模块等，减少各模块工作电流的累加的最大峰值。

图4 单台传感器工作电流曲线图

图4中，a为无任何软启动保护下工作电流曲线，b为具有软启动功能电流曲线，c为分时上电且有软启动功能电流曲线图，I1（max）为方式a时最大工作电流，I2（max）为方式b时最大工作电流，I3（max）为方式c时最大工作电流，三个工作方式下的电流大小关系和启动时间关系是：I1（max）>I3（max）>I3（max），t3>t2>t1。

采用分时上电控制技术的传感器最大工作电流将大幅度减少，稳态后和原传感器电流相等，采用分时上电技术可减少传感器在实际使用时的远端最小工作电压，降低启动阶段的线路损耗，可较大的延长传感器的实际供电距离。

4.平衡分时上电设计在系统中的作用

4.1 增加监控系统传感器传输距离

分时上电控制可有效的减少传感器最大瞬态电流，减少传输电缆终端传感器的实际最小工作电压，可实现在远端最低启动电压由DC（11～12）V降低到DC（8～9）V左右，从而大大延长传感器供电距离。

4.2 提高单路本安电源的实际带载能力

分时上电控制技术可降低单台传感器的启动允许电流，减轻了本安电源的负载，可提高监控系统中本安电源的实际带载能力，可增加实际使用过程中，单独电源允许挂接的矿用传感器数量。

4.3 减少传感器之间干扰提高系统的稳定性

在相同的传感器负载情况下，系统启动和稳态后最大的累积电流大大减少，离本安保护电流余量值较大，可大大提高监控系统的稳定性和可靠性。

5.结语

本文通过对煤矿井下安全监控系统集中供电存在的问题进行分析，采用平衡分时上电控制技术可最大限度的平滑启动电流曲线，减少同一电源下的多个传感器最大电流累积值，减少对本安电源的冲击，提高系统的稳定性，同时也可大大延长传感器的供电距离，保证了煤矿安全监控系统运行的安全、稳定和可靠。

参考文献

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基金项目：中煤科工集团常州自动化研究院所研项目（项目编号：13SY011）。

作者简介：汪学明（1983—），男，安徽太湖人，工程师，主要从事煤矿用产品的研究设计与开发应用工作。