浅谈矿用控制系统中本安型设备的电路设计经验

【摘要】列举了矿用控制系统中本安型设备在现场使用过程中易出现的故障，分析了本安设备存在的上电冲击过流保护、输出控制接点易受井下电磁干扰等故障原因，并结合笔者多年来各类系统的设计经验，给出了一些解决思路与方案以及故障诊断设计。

【关键词】本安电源；电池；软起动电路；接点检测

1.引言

煤矿井下道路环境恶劣，运输设备缺乏，各类设备不易运输，因此相比各类大型的防爆设备，轻小易携带的本安设备更易被使用者接受。但由于煤矿条件恶劣，设备安装位置不可靠、控制环境存在高压电磁污染，再加上本安设备本身电气设计上的一些特点，使得其可靠性都受到一定的影响，本文给出了矿井控制系统中本安型设备存在的一些问题分析并给出了针对此类问题的设计经验。

2.系统中本安设备易遇到的问题

2.1 由系统设备本安设计所带来的上电冲击问题

所谓本安设备即是由本安电源供电的设备。本安电源是指在“本质安全电路标准”规定的条件下，产生的任何火花或者任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电源电路。所为供电设备，主要应用于煤矿、石油、化工、纺织等含有爆炸性混合物的环境中。

如图1所示，根据本安电源的设计要求，矿用本安电源都需具有两级保护，两级过流、一级过压保护。本安电源的过流保护参数中时间是很重要的一环，因为当过流值一定时，过流时间越大，所产生的能量越大，能量超过规定的安全值时电源必须要动作切断输出，否则逸散的能量太大无法达到安全要求。

在一个由本安电源供电的控制系统中，本安设备可以等效为电阻、电容、电感组成的负载，如图2所示。

图2中，当负载未得电时，C1两端电压为0，一旦设备接入本安电源，由于此时设备端电容为0，上电的瞬间负载会对本安电源索取很大的电流，造成很大的上电冲击。当冲击值很高超过本安电源的保护值时，电源的保护电路会将电源输出切断，导致电源上其余挂接设备无法得电。若此时某个设备正在实现接点输出控制功能，则会导致其无法正常工作使得整个控制系统的可靠性受到影响甚至于无法正常运行。

在煤矿井下的恶劣环境下，由于大型机电设备的振动、设备间连接器的锈蚀等情况使得设备的电源线可能接触不可靠，从而导致设备的短时间的掉电，就出出现上述分析情况，导致整个系统中其余设备不能正常工作。

2.2 本安设备在强电磁干扰环境中的抗干扰问题

煤矿井下大型机电设备集中的地方一般都存在高压、大电流动力线，具有很强的电磁干扰。本安设备在此种环境下很容易受到干扰出现接点自输出、通讯干扰中断等各种情况。像其中的控制接点通断出现问题，经常无法判断是接点的输出侧出现问题，还是输入侧出现问题，无法界定故障点。

以上问题均为本安系统中经常出现的问题，下面提出一些解决思路与方案。

3.本安设备设计考虑要点

3.1 设备通过电池供电或者采用备用电池

很多时候系统在正常工作过程中电源出现保护都是由于供电的接插线缆瞬断而导致上电冲击电流过大，使得其余设备无法正常工作。基于此考虑，可以对系统中的每个本安设备增加电池供电。

图3中，输入电源经过V1、R1、V2、V10、R2、V11构成的充电电路对电池BT1充电。其中通过调节R1可以设置充电电流值，V11为稳压管，用于保护电池BT1防止其过充，电路中，当电池BT1达到一定值时内部电路由电池向其供电，开始工作，充电电压达到电池BT1电压时，充电电路不再工作。

通过增加电池BT1，若此时外部输入电源断开，本设备由电池供电，工作不受影响。当电源再度接上时，即使存在上电冲击，系统上其余设备由于有电池供电也不会受到影响，能保证系统正常运行。

3.2 在负载的输入端增加软启动来减小上电冲击

导致上电冲击保护的根本原因是电流过大，只要把电流限制住，就可避免这个问题。在负载的电源输入侧加入软启动电路，实现负载电流从上电开始缓慢起动。如图4，由Q1和Q2两个三极管组成软启动电路，VOUT-R为电源的输入侧，VOUT连接到负载。初始上电时，通过对电容C3的充电，使得C3两端的电压有个缓慢抬高的过程，经Q1和Q2放大后，反映在电流上就是流过Q1的EC极的电流缓慢增大，最终Q1工作在饱和状态，负载电流达到稳定。这种设计拉长了启动时间，减小了启动斜率，避免了电流尖峰。

3.3 对设备自身输出接点可靠性设计以及对接点状态的侦测

当D1-3脚置高，同时D2-1、2脚置低，光耦合E1导通，继电器J1动作，设备启动。这里要保证D2-1、2同时置低，这就是双重反驱动，以保证全系统能正常可靠运行。

同时在设备输出X1接点的同时，对X2接点进行检测，X1、X2均为J1输出的两个接点，通过掉电保存功能存储接点状态。使用中当发现X1断电异常而X2端点一直都很正常的时候则可判断故障并非J1继电器本身，进而可以进一步排查。

4.结语

本文阐述了矿用控制系统中本安型设备在现场使用过程中易出现的主要故障，分析了本安设备存在的上电冲击过流保护、输出控制接点易受井下电磁干扰等故障的原因，并给出了一些解决思路与方案。

作者简介：崔怀兵（1984—），男，江苏南通人，工程师，主要从事煤矿自动化与信息化相关研发工作。