矿用智能型本安电路的分析和设计

【摘要】提出了一种利用微机判断远方二极管的状态以及控制线路态类型的先导电路，能够完全自适应现场所遇到的各种工作状态。文章详细分析了该电路的结构和工作原理，给出了具体的程序流程。该电路具有保护灵敏，可靠性高，受电源波动影响小等优点。实际应用中取得良好的效果。

【关键词】先导电路;自适应;微机

Abstract：This paper main discusses a kind of using the MCU to judge distance diode state and control line state type of pilot circuit，can completely self-adaption all kinds of working condition.This paper analyzes the circuit structure and working principle，and described the specific program processes.This circuit has to protect sensitive，high reliability，the advantages of small power fluctuations.The application showed good results.

Key words：Pilot circuit;self-adaption;MCU

0.引言

先导电路是为防止远方控制时远控电缆因被砸或被挤压而发生短路或断线故障产生自起动现象而设计的。它是电磁起动器与远方控制按钮之间的联接电路，在控制主回路开断时，它首先接收到指令信号[1]。控制供电设备里主电路闭合、断开的控制电路，其性能的优劣关系到整个测控系统能否按照预定的方式正确动作。在煤矿井下，随着控制方式的集中化，电磁起动器与集中的控制中心之间的距离越来越长，导致控制电缆被砸短路或砸断路的概率增大[2]。起动器的远控距离越长，致使远控电缆发生短接、断路及接地故障的概率增大，因此对本质安全型先导电路的设计在符合本质安全火花电路要求的同时，还必须保证在控制线路发生故障时，能自动停车，而且不产生自起动现象。一方面要求先导电路有较高的可靠性，确保不会因为电缆故障引起电磁起动器的误启动，另一方面要求先导电路把检测到的控制电缆的状态反映给操作者。为此，本文给出了智能先导电路的原理和算法。

1.硬件电路

在目前的矿用设备的先导电路中，经常使用如图1所示的先导电路作为产生先导信号的回路。

图1 一般先导电路原理图

在图1中，S1、D18分别为先导电路的远方控制启停按钮和先导二极管，A-a和B-b为远控的信号电缆，AC为交流电源。当需要利用远方控制按钮启动设备启动时，先按下S1按钮开关，AC交流电源通过二极管，电阻进行电路整流，在电阻R60、R62上产生直流压降，然后光耦U11输入端导通，输出先导信号。

在图1中的先导信号产生电路当中，主要有以下两个个主要问题：

第一，作为先导信号产生回路的电源为交流电源，此交流电源采集自设备主回路当中的电源。当设备电机启动时，会造成现场电源的降低，进而会影响先导电路的交流电源，如果设备启动瞬间造成电压过低时，会影响先导启动回路的光耦是否能正常工作。

第二，此先导信号电路只能识别先导信号的接通与关断，不能识别先导信号产生电路当中出现的短路、断路等故障，以及先导二极管的反接。

为了解决先导电路能够自适应先导控制远方二极管和先导控制电缆的状态，以及先导控制电路的稳定性，将智能型先导电路的工作原理图改为如图2所示。

图2 智能型先导电路原理图

在图2中，先导电路中产生先导信号的电源为15V的直流电源V+，能够避免交流电源的波动导致采集信号不准确的问题。

图2中，SW为位于控制中心的启动和停止按钮，D1为远方控制二极管。先导电路分为2部分：U1、U2、R1、R2、R3、R4，VT1组成的电路产生脉冲信号;R5～R19、VD1、VD2、VD3、VD4、B1、N1组成的电路检测先导状态，IOF5为输出脉冲端口，IOF3、IOF4为检测先导信号脉冲的输入端口。

当IOF5输出高电平时，VT1导通，VT1的集电极为低电平，U2导通，U1截止，Va电位高于Vb电位，称为正向阶段;反之，Va电位低于Vb电位，称为反向阶段。

N1是比较器，它输出低电平时，光耦B1（34）导通，IOF3输出低电平。N1的反向输入端电压固定为：

N1-2=15R18/（R18+R19）

脉冲信号经先导二极管D1整流[4]，然后直流电流经过先导检测电路。当控制电缆发生短路故障时，相当于把脉冲信号直接加到先导检测电路上，也就是Va、Vb呈直接短接状态。正向阶段，电流流经R6、VD1、R9、VD9光耦B1（12）导通，R9两端电压被嵌到约0.7V，IOF4为低电平，N1-3的正向输入端电压为U+短路+≈15-0.7。反向阶段，电流流经，R6、VD8、R9、VD2，N1-3的正向输入端电压为U+短路-≈0。当控制电缆发生断路故障时，R9两端的压降为0。正向阶段，N1-3的正向输入端电压为U+短路+≈0，反向阶段，N1-3的正向输入端电压为U+短路-≈15。

当按下启动按钮时，先导电路流过直流电源。正向阶段，D1导通，B1（12）导通，B1（12）的正向输入端电压为U+启动+≈15-2×0.7;反向阶段，D1截止，B1（12）截止，N1-3的正向输入端电压为U+启动-≈15。

在正常工作状态下，正向阶段，D1导通，B1（12）导通，N1-3的正向输入端电压为：U+常态+=15R9/（R6+R9）;反向阶段，D1截止，B1（12）截止，N1-3的正向输入端电压为U+常态+≈15。

2.实验仿真

先导检测电路采集先导信号，是整个电路的关键部分，其准确性很重要。经过多次实验，测得实验数据如表1所示。

表1 不同状态下N1正向输入端电压值（V）

短路 断路 启动 常态 接反启动 接反常态

正向阶段 14.2 0 13.5 9.5 0 0

反向阶段 0.3 14.7 14.6 14.6 6.3 2.6

根据表1的测试结果和硬件电路分析结果基本一致。

IOF5作为控制端，经过实际检测，测得IOF3和IOF4的电平得到真值表如表2所示。

表2 真值表

IOF3 IOF4

IOF5=0 IOF5=1 IOF5=0 IOF5=1

短路 0 0 1 0

断路 1 1 0 1

启动 0 1 1 1

常态 0 1 0 1

接反启动 1 0 0 0

接反常态 1 0 0 0

从表2中可分析出，该电路能明显区分出各个先导信号的状态值，借助于微机的信号处理，能够实时快速准确的判断出当前先导所处的状态。

3.结语

本文详细介绍了智能型先导电路的硬件电路，实验数据和具体程序流程图。目前，该电路已经成功应用到电磁起动器上，运行稳定可靠，人机交互能力强，便于检查控制电缆的多种故障状态。

参考文献

[1]郭艳玲，伍小杰，孙树扑.本质安全型电子先导控制电路[J].电工技术，2003（7）：64-65.

[2]衡泽超，公茂法，红，张晓明.自适应先导电路的分析和设计[J].煤炭工程，2010（7）：21-23.

[3]朱前伟.一种新型矿用本质安全型电源的设计[J].工矿自动化，2010（10）.

[4]李思光.新型矿用隔爆兼本质安全型先导电路设计[J].工矿自动化，2010（10）：17-20.

作者简介：王海王（1983―），男，江苏盐城人，助理工程师，主要从事煤矿电气产品的设计与工程工作。