一种矿用瓦斯管道设备防爆等级转换接口设计.pdf

第4 4卷 第5期 2018年5月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0012-04 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017120041 一 神 矿 用 瓦 斯 管 道 设 备 防 爆 等 级 转 换 接 口 设 计 林引12 1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重 庆 400039; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重 庆 400037 摘要 针对煤矿瓦斯抽放监控系统中瓦斯管道设备及其相关联的电源和通信接口必须满足“ ia” 安全防 爆等级要求， 在现有“ ib” 防爆等级的煤矿瓦斯抽放监控系统基础上， 通过增加一种安全等级转换接口对瓦斯 管道设备进行了升级改造。详细介绍了具有梯形输出特性的阻性限流的电源转换原理和具有线性输出特性 的阻性限流的信号转换原理， 并对关键元件的相关参数进行了分析及计算。测试结果表明， 该转换接口具有 转换效率较高、 频率失真小等特点， 输出特性满足“ ia” 安全防爆等级要求。 关键词 瓦斯抽放瓦斯管道设备转换接口 “ ia” 安全防爆等级梯形输出；阻性限流 中图分类号TD684 文献标志码A 网络出版地址Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180419. 1556. 001. html Design of an explosion-proof grade conversion interface for mine gas pipeline equipments LIN Yin1’ 2 1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China; 2. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology’ Chongqing 400037’ China Abstract According to requirements that gas pipeline equipments and its associated power supply and communication interface must satisfy the “ia“ safety explosion-proof grade in mine gas drainage monitoring 收稿日期收稿日期 2017-12-18;修回日期修回日期 2018-03-06;责任编辑责任编辑 胡娴。 基金项目基金项目 国家重点研发计划项目（2016YFC0801405。 作者筒介作者筒介林引（1979 ），男， 四川资中人， 副研究员，现主要从事电气防爆技术、安全监控系统、电子产品可靠性设计等相关研究工作， E-mail idlinyn 163. com。 引用格式引用格式林引. 一种矿用瓦斯管道设备防爆等级转换接口设计工矿自动化，2018,445 2-15. LIN Yin. Design of an explosion-proof grade conversion interface for mine gas pipeline equipments [ J * Industry and Mine Automation， 2018， 445 12-15. CHEN Huan, MIN Huaqing, LUO Ronghua， et al. Data matching based on genetic iterative closest point algorithm[J* Computer Measurement g Control， 2010， 18168-171. [10] TIAN Zijian, ZHANG Liya, CHEN Wei. Improved algorithm fo r navigation o f rescue robots in underground mines [ J *8Computers and Electrical Engineering, 2013,394 1088-1094. [11] MARCO A C, VICTOR A R, URIEL H B. Mobile robot path planning using artificial bee colony and evolutionary programming [ J ]. Applied Soft Computing,2015,30 319-328. [ 2 ] NIZAR H A, FARAH M A. Path planning of an autonomous mobile robot using directed artificial bee colony algorithm [ J ] .International Journal of Computer Applications, 2014,9611 11-16. [ 3] 李 雨 潭 ， 朱 华 ， 高 志 军 ， 等 .履 带 机 器 人 通 用 地 面 力 学 模 型 分 析 与 底 盘 设 计 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 ， 2015,3681127-1130. LI Yutan,ZHU Hua,GAO Zhijun,et al. An universal terra mechanics model and the chassis design of a tracked robot [ J ] .Journal of Harbin Engineering University ,2015,368 1127-1130. [14] WONG J Y. Development of high-mobility tracked vehicles for over snow operations [ J ]. Journal of Terramechanics 2009 464 141-155. 2 0 1 8 年 第 5 期 林 引 一 种 矿 用 瓦 斯 管 道 设 备 防 爆 等 级 转 换 接 口 设 计 13 system, the gas pipeline equipments can be upgraded by increasing an explosion-proof grade conversion interface based on current mine gas drainage monitoring system with the “ ib” explosion-proof grade. Power conversion principle with resistive current limiting and trapezoidal output characteristics, and signal conversion principle with resistive current limiting and linear output characteristics were introduced in detail. Related parameters of key components were analyzed and calculated. The test results show that the conversion interface has the characteristics of high conversion efficiency and low frequency distortion, and its output characteristics meet the “ia“ safety level requirements. Keywords gas drainage; gas pipeline equipment; conversion interface; “ia“ safety explosion-proof grade; trapezoidal output; resistive current limiting . 引 言 2012年之前的瓦斯抽放监控系统中， 电气设备 的防爆等级一般为“ ib” 等级M。瓦斯抽放监控系 统中的瓦斯管道设备内部属于爆炸性气体环境连续 出现或长时间存在的场所， 电气设备采用“ ib” 防爆 等级已不能满足安全生产需要。因此， 2012年 ， 国 家矿用产品安全标志中心明确了置于瓦斯管道内的 设备及其相关联的电源和通信接口必须满足“ ia” 安 全防爆等级要求[45]。然而现阶段针对“ ia” 安全防 爆等级的电源及信号接口电路设计的文献相对较 少[ 6 7]。为解决瓦斯抽放监控系统中电气设备的安 全防爆等级与新规定不匹配的问题， 本文结合现场 实际情况设计了一种适用于现有矿用瓦斯管道设备 且满足“ ia” 安全防爆等级的转换接口， 从而完成对 现有系统的升级改造。 1转换接口具体指标分析 国内大部分瓦斯抽放监控系统生产厂家的传感 器设备采取了从监控分站处取电的供电方式， 其供 电电压一般为18,21， 24 V ， 本安电源的输出功率在 10 W 左右[8]。而传感器设备的工作电压范围为9〜 24 V ， 功率一般在2 W 以内[9]。由于传感器后续电 路中的电容值会超过本安电源的输出电容值， 需在 转换接口输入端串联3 个二极管并对电源部分进行 整体浇封安全处理。因此， 综合考虑上述因素， 将转 换接口的电源输出电压设定为12 V ， 电流设定为 0. 2 A 。 传 感 器 设 备 的 通 信 方 式 有 频 率 通 信 和 RS485通 信 2 种 ， 其输出电压峰值不会超过9 V ， 峰 值电流不会超过50 mA。 2转换接口原理及硬件设计 转换接口主要包括电源转换电路和信号转换电 路 ， 如 图 1 所示。电源转换电路包括限流电路、 储能 电路、 反激及限能电路3 个部分， 信号转换电路主要 为限能电路。电源转换电路中由于储能电路的存 在 ， 容易导致电路启动电流过大， 从而引起输入本安 电源保护。因此， 在转换接口的输入端需増加限流 电路。电源转换电路的主拓扑采用反激拓扑结构， 可实现升压、 降压变换， 从而保证输出稳定的直流 电压。 图图1转换接口结构转换接口结构 Fig. 1 Structure of conversion interface 反激及限能电路采用两级电压反馈的反激拓扑 与输出前后两级限压的方式， 如 图 2 所示。限流电 路采用阻性电阻限流， 因此， 电路设计满足“ ia” 安全 防爆等级设计要求。其工作原理 当输出电源所带 负 载 的 电 流 值 小 于 0. 2 A 时 ， 输 出 额 定 电 压 值 PW M 调 制 的 占 空 比 主 要 由 稳 压 比 较 器 U、 电阻 R、R7决定， 输出电压稳定在设定值12 V，其最高输 反激及 限能电路 传感器 14 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 出电压值由ZD5 ZD7的稳压值决定； 当负载电流大 于 0. 2 A 时 ， 限 流 电 阻 RS1上 的 压 降 增 大 ， 此时 PW M调制的占空比由稳压二极管Z4、 电 阻 决 定 ， 其输出的最高电压值Vm ax为 Zdi的稳压值和Q2 的触发电压值之和， 最大输出电流值为Vm axARsi。 由于信号能量相对较小， 所以， 限能电路中采用 具有线性输出特性的保护电路， 具体电路如图3 所 示 ， 由保险丝F 与 稳 压 二 极 管 Z8 Z13U 成三级 限压电路， 由电阻Rs对输出电流进行限制， 电路满 足“ ia” 等级安全设计要求。信号转换电路保护原 理 一旦本安输出端出现过压， 限压稳压管将迅速导 通 ， 其最高电压将限制在Vz 〇 . 8 V ， Vz为限压稳 压管击穿电压； 若本安输出端发生短路， 由 于 Rs的 限流作用， 输出的最大电流为Vz 0. 8 VARs。 图图3限能电路限能电路 Fig. 3 Energy limiting circuits 3关键元件分析及计算 在电路中， 输出能量的限制主要由保险丝、 可控 硅 、 稳压二极管、 限流电路等关键元件决定， 这些元 件的性能和功耗必须满足GB 3836. 42010标准 中的要求[10]。因此， 下面对这些关键元件的相关参 数进行分析和计算。 电源额定输出电压为12 V ， 电源转换电路中稳 压二极管Z5的限压值应至少高出额定电压值2 V ， 考 虑 5 1 的偏差， 则 限 压 值 范 围 为 13. 3〜14. 7 V 。 因此，电源最高输出电压为14.7 V 。为提高电源效 率 ， 限流电阻Rs1应尽可能小且满足式（ 1和式（） 51 m a x 50m a x I s1 7 ⑴ 4 24 152. 62 54.6 不同输入频率下的信号测试结果见表2。从 2 0 1 8 年 第 5 期林 引 一 种 矿 用 瓦 斯 管 道 设 备 防 爆 等 级 转 换 接 口 设 计 15 表 2 可知， 频率误差为0,满足实际需求。 表表2不同频率下的信号测试结果不同频率下的信号测试结果 Table 2 Test results using different frequency signals 序号 输入频率/Hz输出频率/Hz 误差/ l 1200 200 0 2500 500 0 31 0001 0000 41 5001 5000 52 0002 0000 62 5002 5000 5结语 在现有“ ib” 安全防爆等级的瓦斯抽放监控系统 基础上， 通过增加安全等级转换接口对瓦斯管道设 备进行升级改造， 使其满足“ ia” 安全防爆等级要求。 测试结果表明， 矿用瓦斯管道设备安全等级转换接 口具有电源转换效率较高、 信号失真小、 体积小、 成 本低等特点， 适用于瓦斯抽放监控系统的升级改造。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 *于月森， 谢冬莹， 伍小杰于月森， 谢冬莹， 伍小杰.本安防爆系统与本安电源结本安防爆系统与本安电源结 构特点及分类探讨构特点及分类探讨[P].煤炭科学技术煤炭科学技术，2012,40 3 78-82. YU Yuesen, XIE Dongying, WU Xiaojie. Discussion on features and classification of intrinsic safe flame proof system and intrinsic safe electric power structure[J]. Coal Science and Technology，，2012, 40378-82. [2 ]房绪鹏， 于志学， 马伯龙， 等房绪鹏， 于志学， 马伯龙， 等.本安电源双重化保护电本安电源双重化保护电 路 冗 余 方 式 对 比 研 究路 冗 余 方 式 对 比 研 究[ J ] .煤 矿 安 全 ，煤 矿 安 全 ，2017,486 119-122. FANG Xupeng，， YU Zhixue，， MA Bo long，， et al. Redundancy modes comparison study on dual protection circuit of intrinsically safe power[J*. Safety in Coal Mines,2017,486 119-122. [ 3]张旭， 张红娟， 靳宝全 ， 等张旭， 张红娟， 靳宝全 ， 等.矿用本安输出直流稳压电矿用本安输出直流稳压电 源设计源设计[J].煤矿安全煤矿安全，2015,46880-83. ZHANG Xu,ZHANG Hongjuan,JIN Baoquan,et al. Research on an intrinsic safety DC regulated power supply for underground coal mine[J]. Safety in Coal Mines,2015,468 80-83. [4 ]柏思忠柏思忠. ia等级电源中的熔断器再保护电路设计等级电源中的熔断器再保护电路设计[J]. 工矿自动化，工矿自动化，2015，，41 7 107-109. BAI Sizhong. Design of re-protection circuit for fuse in power supply with grade ia[J]. Industry and Mine Automation,2015,417 107-109. [5 ]柏思忠柏思忠.瓦斯抽放管道设备瓦斯抽放管道设备ia等级防爆型式探讨等级防爆型式探讨[J]. 工矿自动化，工矿自动化，2015，，415 55-57. BAI Sizhong. Discussion on ia grade explosion-proof type of gas drainage pipeline equipment[J]. Industry and Mine Automation,2015,415 55-57. [ 6] 左官芳左官芳.矿 用 隔 爆 兼 本 安 型矿 用 隔 爆 兼 本 安 型ia电源电路设计与检测电源电路设计与检测 [J ].科技资讯，科技资讯，20151755-56. ZUO Guanfang. Design and test of mining flameproof and intrinsically safe power supply circuit for level of protection “ia“[J]. Science g Technology Ination,201517 55-56. [ 7] 于志学， 房绪鹏， 赵扬于志学， 房绪鹏， 赵扬.一种一种“ a” 级新型本质安全型电” 级新型本质安全型电 源设计源设计[J ].工矿自动化，工矿自动化，2017，，438 83-86. YU Zhixue , FANG Xupeng , ZHAO Yang. Design of novel intrinsically safe power supply with “ ia“ grade [J]. Industry and Mine Automation , 2017 , 43 8 83-86. [ 8] 游青山游青山.本安电源的自动测试老化系统设计本安电源的自动测试老化系统设计[J].煤炭].煤炭 工 程，工 程，2016，，4812128-130. YOU Qingshan. System design of an automatic tes-- aging system for intrinsically safe power supply[J]. Coal Engineering , 2016 4812 128-130. [ 9] 林引林引.矿用高可靠性本安型传感器电源电路设计与实矿用高可靠性本安型传感器电源电路设计与实 现现[J ].煤炭科学技术，煤炭科学技术，2013，，41688-91. LI Yin. Design and realization on power of high reliable intrinsic safe sensor [J ]. Coal Science and Technology ,2013，，416 88-91. [ 0 ] GB 3836. 4 2010爆 炸 性 环 境 第爆 炸 性 环 境 第4部分由本质安全部分由本质安全 型型 ”保护的设备保护的设备[S].