矿用本质安全型远程中继电源设计.pdf

第 4 2卷 第 1 1 期 2 0 1 6年 1 1月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 2 No． 1 1 NO V ．2 O1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 1 0 0 1 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 1 ． 0 0 5 林引． 矿用本质安全型远程 中继 电源设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 1 9 2 2 ． 矿用本质安全型远程中继电源设计 林 弓 中煤科 工 集 团重 庆研 究 院有 限公 司 ，重庆4 0 0 0 3 9 摘 要 为满足 井 下超 长 工作 面传 感 器的远距 离传 输 需求 ， 设 计 了矿 用本 质安全 型远 程 中继 电源 。在本 安 电源与 传感 器之 间并联 一级 输 出为 2 4 V 的矿 用本质 安 全型远 程 中继 电源 ， 可补偿 单 级 2 4 V 本 安 电 源在供 电电缆 上产 生 的压 差 ， 从 而延 长本 安 电 源的供 电距 离。测 试 结果表 明 ， 该 中继 电源可使 2 4 V 本安 电源 的供 电距 离延长至少 2 k m， 且具有启动电流小、 输 出电压稳定、 性价比高等优点。 关键 词 矿 用传感 器 ；中继 电 源 ； 本 安 电源 ；供 电距 离 中 图分类 号 TD 6 1 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 O 一 2 8 1 6 2 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 0 2 8 ． 1 6 2 3 ． 0 0 4 ． h t ml De s i g n o f mi ne us e d i nt r i n s i c a l l y s a f e r e mo t e r e l a y p o we r s u p pl y LI N y i n CC TEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，Ch i n a Abs t r a c t I n o r de r t o s a t i s f y l o n g d i s t a n c e t r a n s mi s s i on r e q ui r e m e nt s of s e ns o r us e d on u nd e r g r ou nd s u p e r l o n g wo r k i n g f a c e ，a mi n e u s e d i n t r i n s i c a l l y s a f e r e mo t e r e l a y p o we r s u p p l y wa s d e s i g n e d ．Pa r a l l e l c on ne c t i n g a m i ne us e d i nt r i ns i c a l l y s a f e r e m o t e r e l a y po we r s u pp l y be t we e n t he s e ns or a nd i nt r i n s i c a l l y s a f e p o we r s u pp l y c a n c o mpe n s a t e d i f f e r e nt i a l pr e s s ur e o n p o w e r s u ppl y c a bl e of s i n gl e 2 4 V po we r s up pl y， a n d e xt e nd po we r s u ppl y d i s t a nc e．The t e s t r e s ul t s s ho w t ha t t he r e l a y p o w e r s u pp l y c a n ma ke p o we r s u pp l y di s t a nc e o f 2 4 V i nt r i n s i c a l l y s a f e p owe r s up pl y e x t e n d a t l e a s t 2 km ，a n d h a s s ma l l s t a r t c ur r e n t ， s t a bl e o ut p ut v ol t a ge a nd hi gh pe r f o r m a n c e t o p r i c e r a t i o． Ke y wo r ds mi ne s e n s o r；r e l a y p o we r s up pl y；i n t r i ns i c a l l y s a f e p o we r s up pl y；p owe r s up pl y d i s t a nc e 0 引言 目前 ， 国 内大 部 分煤 矿 安 全监 控 系 统 生产 厂 家 均采 取从 监控 分站 处 取 电 为 传感 器 供 电 的方 式 ， 其 供电电压一般为 1 8 ， 2 1 ， 2 4 V， 本安电源 的供电距离 一 般 在 2 k m 左 右 。随 着 煤矿 机 械化 水 平 的 快速 提高和综采综掘工艺的大量应用 ， 煤矿井下 已经大 量 出现 了 长 距 离 采 掘 工 作 面 ， 其 距 离 远 远 超 出 了 2 k m， 这样的长距离将造成 瓦斯传感 器、 一氧化碳 传 感器 等 无 法 正 常 运 行 ， 从 而 影 响 企 业 的安 全 生 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 5 - 0 9 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 9 - 1 6 ； 责任编辑 胡娴 。 基 金项 目 中煤科工集团重庆研究院 自立项 目 2 0 1 0 0 2 1 1 6 。 作者简介 林引 1 9 7 9 一 ， 男 ， 四川资中人 ， 副研究员 ， 现 主要从事矿用 电源 、 安全监控系统 、 电子产品可靠性设计 等相关技术研究工 作 ， E - ma i l i d l in y n 1 6 3 ． c o rn。 [ 1 8 ] XU B i n g ，Z HANG Yi n f e n g ，C HE N G Mi n ． A n t o a c h i e v e s a f e r a n d mo r e p r o d u c t i v e u n d e r g r o u n d e f f e c t i v e me t h o d f o r l o n g wa l l a u t o ma t i o n i n t h i n c o a l mi n i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mi n i n g S c i e n c e s e a m[ C ] ／ ／ T h e 1 0 t h I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 0 1 5 ， 2 5 6 8 6 5 8 7 6 ． 0 n I n d u s t r a I n f o r ma t i c s ， B e i i i n g ， 2 0 1 2 5 6 5 5 6 9 ． E 2 o ] 姜学云． 回采 面刮板 输送 机弯曲段长度 的计 算E J ] ． 煤 1- 1 9 ] R AL S TO N J C， RE I D D C， DUN N M T， e t a 1 ． 炭科学技 术 ， 1 9 8 5 ， 1 3 1 0 1 7 1 9 ． L o n g wa l l a u t o ma t i o n d e l i v e r i n g e n a b l i n g t e c h n o l o g y 2 O 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 产r 2 ] 。为进一步促进煤矿安全监控技术的发展与应 用 ， 国家安全生产监督管理总局下达了新修订的 煤 矿安全监控系统通用技术要求 。修订稿 中对提高 传感器本安供 电距离给 出了明确的意见 为满足长 距离掘进巷道等监控需求 ， 向传感器及执行器远程 本 安 供 电距 离 由 2 k m 修 改 为 2 k m， 3 k m 或 6 k m_ 3 ] 。为了提高本安 电源对瓦斯传感器 、 一氧化 碳传感器等的供 电距离， 参考文献[ 2 ] 从提高本安电 源输 出 电压 、 降 低传 感 器 工 作 电压 和 减 少 线 缆耗 损 等方面进行 了讨论 ， 结合现场实际情况 ， 提 出了远距 离供电的一些建议 。参考文献E 4 ] 指 出降低传感器 功耗是实现本安电源远距离供电中最经济适用的方 法 ， 并验证了该方法 的可行性 。参考文献E s ] 提出了 减少本安电源暂态 冲击 电流的方法 ， 从而提高 了本 安 电源 的供 电距离 。 在 上 述研 究 的 基础 上 ， 本 文设 计 了一 种具 有 升 压功能 的本质安全型中继 电源 ， 将其布置在现有本 安供电电源与传感器之 间， 可有效延长本安 电源 的 供 电距离。 1 本 安 电源远 距离供 电分 析 本安电源向矿用传感器远程供电的等效电路模 型如图 1 所示 ， 其中矿用供电电缆一般采用多芯截 面积为 1 ． 5 mm 的电缆 ， 其分布电容为 6 0 n F ／ k m， 分布 电感 为 0 ． 8 mH／ k m， 分布 电阻 为 1 2 ． 8 Q／ k m。 ⋯⋯⋯⋯⋯。。1 r⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 ‘- ⋯⋯⋯⋯⋯‘ 。 _本 耋 皇 篓 ～ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．i ⋯ 苎 ⋯ 图 1 本安 电源 向传感器远程供 电等效 电路模 型 根 据欧姆 定律 可知本 安 电源 、 电缆 、 负载 之 问的 电压关 系 U。一 侬 U 1 式 中 U。为 本 安 电 源 输 出 电压 ； 工为 供 电 电缆 流 过 的电流 ； R为供电线路电阻； u 为传感器输入电压 。 矿用监控系统中传感器的工作 电压范围为 9 ～ 2 4 V， 一旦传感器的输入电压低于 9 V， 传感器将不 能正常工作 。瓦斯传感器在不同供 电电压下 的功耗 情 况见 表 1 。 在现有 的供 电方式 下， 按照式 1 可 以计算 出 2 4 V 本 安 电 源 对 瓦 斯 传 感 器 的 供 电 距 离 为 4 ． 4 k m。由于传感器为空性负载 ， 启动时存在瞬间 电流值 ， 实际测试 时 2 4 V本安 电源的供电距 离为 3 ． 5 k m。 而 目前 2 4 V本 安电源 的输 出电流大多 可 表 1 低浓瓦斯传感器功耗 以达 到 4 7 0 mA， 相 对于 传感 器消 耗 的 1 3 3 ． 4 mA 电 流， 本安电源输出有很大的剩余能量 。因此 ， 在本安 电源 远距 离供 电 中 ， 传 感 器 不 能 正常 工 作 主要 是 由 于供 电电缆上产生 的电压降过大 ， 而不是本安电源 输 出能量 不够 造成 的 。 2本质 安全 型 中继 电源远 程供 电方案 中继 电源 远 程供 电等 效 电路 模 型如 图 2所示 。 在本 安 电源 与传 感器 之 间增 加并 联 一 级输 出为 2 4 V 的本 质安 全型 中继 电 源 ， 以 补偿 单 级 2 4 V 本 安 电源在供电电缆上产生 的压差， 从而延长本安 电 源的供 电距 离 。 Uo U1 I o 一 ml R1 Ⅲ0 R0 ‘ 宁e ．查 塞 皇 ． j ． 皇皇 篓． ． ． i i． ．皇 鐾 曼 迥j 鉴 ． j i⋯ ． 曼登 图 2 中继电源远程供 电等效电路模型 根据 能量 守恒原 理及 欧姆定 律 可得 P。≥ R1 Pi R。 P 2 I 1一 Pi R。 P ／ u1≤ 0 ． 7 A 3 式中 P 。 为本安电源输 出功率 ； 为流过第 1 段供 电电缆 的电流 ； R 为 第 1 段 供 电线 路 电 阻 ； Pi 为 中 继电源静态和转换消耗功率 ； 。为流过第 2段供 电 电缆的电流 ； R。为第 2段供电线路电阻； P 为传感 器功 耗 ； U 为 中继 电源 输 出 电压 ； 为 本安 电源输 出电流 。 假设供电电缆采用截面积为 1 ． 5 mm。的电缆 ， 本安 电源输 出能量按照最大本安参数 能量 的 7 O 计算 ， 传感器功耗数据参考表 1 ， 中继 电源的转换效 率估计为 6 O ， 中继 电源的最低 工作 电压设计 为 1 5 V， 则根据式 2 、 式 3 可以估算出第 1级供 电 电缆上的电阻值 为 6 1 ． 6 4 Q， 即距离 为 2 ． 4 k m， 消 耗在第 1级供 电电缆上 的电流为 1 4 6 mA。从算出 的数据可知 ， 本质安全型中继 电源远程供 电方案是 可行 的 。 3 本质 安全 型 中继 电源硬件 设计 供电电缆上的压降主要是 由电缆中的电阻和电 2 0 1 6年 第 1 1期 林 引 矿 用本质 安全 型远 程 中继 电源设计 2 1 流 引起 的 ， 而 改动 电 缆上 的 电阻 阻值 的成 本 相 对 较 高 。冈此 。 为有效降低压差， 需要控制电缆上的电流 值 。本 质安全 巾继 电源 的T 作原 理 如 冈 3所示 ， 该电源 主要包 括软 启动 电路 、 储能 电路 、 升压 电路 和 限 能 电路 4个 部分 。 图 3本质安 全型中继 电源工作原理 软启 动 电路 主要 用 于降低 中继 电源 启动 时 的瞬 问 电流 ， 储 能 电路 主要 用 于 维 持 中继 电源 正 常肩 动 后 的稳 定性 ， 具体 电路 如 图 4所 示 。 【 电后 本安 电 源先 对电 容 C 充 电 ， 电容 充 电完 成后 开 启 M S管 Q ， 这样 分 时启 动电路 可 以避 免 启 动 时 电容 的 瞬 时 大 电流 导致 电路 无法 正常 _1 作 的情况 。 4 电 源软 启 动 搜储 能 电 路 升 压 电路 可将 9 ～2 4 V 电 压转换 为 2 4 V 直 流 电 ， 具 体 电路 如 图 5所 示 。该 电路 主控 制 芯 片 选 用 静态 功 耗 相 对 较 小 、 电 路 转 换 效 率 高 达 9 2 的 L M5 0 2 2 ， 可使 本 安 电源 的输 出 能 量 尽 量 传 输 至 负 载 。 南于 电源 电路 为升 压 电 路 ， 为保 证 后 级 限能 电 路 的安 伞性 和可靠 性 ， 需 增 加 一 级 不 可恢 复 的过 压 保护 电路 。过 保 护 电路 m Z D 。 ， R ． R C 。 ， F 和 MC R 组 成 。 当升压 电路输 f { j 电压超 过 2 6 V 时 ， 将 触发 MC R 导 通 ， 保 险丝 F ． 熔 断 ， 从 而达 到保 护 后 级 电路 安全性 的 日的 。 罔 5升 电路 『 f 1 于 电路 r f 1 有 超过 安 火 化 要求 的输 出能 量 ， 需 电路中增加限能电路。限能电路采川传统的两 级 过流 和两 级过 电路 。浇封 主要是 对 电路 中超过 安 伞火 花要求 的电容进 行 浇封安 全处 理 。 4测试 结 果 本 质安 全型 巾继 电源 近端 的开机 波形 如 罔 6所 示 ． 从 图 6可 以看 f I j ， 中继 电源 具 有 5 0 0 ms的开 机 延 时输 H { 时间 ， 其 冲击 电流最 大 值 为 2 9 8 mA。 小 于 传统 2 4 V本安电源输i “的 4 7 0 mA。 网 6 本质安全型中继电源近端， r 机波形 5个 输 入 电压 下 的测 试 结 果 见 表 2 。从 表 2可 知 ． 9 ～2 4 V 输 入电压 波 动范 『韦 I 内 ， 整机 电源 的效 率都 5 4 ． 1 以 表 2本质安伞型巾继电源测试结粜 序号 输入电压／ V 输入电流／ mA 输} I { 功率／ w 效率／ 1 9 2 1 6 ． 3 1 ． 2 6 1 ． 6 2 1 2 1 6 6 ． 5 l J 2 6 0 ． 1 3 1 5 1 3 3 ． 8 l _ 2 5 9 ． 8 4 1 8 1 l 8 ． 7 1 ． 2 5 6 ． 2 5 2 4 9 2 ． 4 1 ． 2 5 4 ． 1 输 入电压范 为 9 ～2 4 V 时 的低浓 瓦斯 传感 器 的供 电距离 测试 结果 见表 3 。从 表 3 可 知 。 2 4 V 本 安 电源 带低 浓 瓦斯传 感器 时 的实际 最大 供 电距 离 为 3． 5 k m 。 衷 3 2 ,1 V 本 安 电源 供 电距 离 测 试 结 果 川 巾继 电源 为 3 ． 5 k m 处 的低 浓 瓦斯 传 感 器 供 电 ． r h 本 安 电源 为 中继 电源 供 电 。 将 术 发 电 源 与 巾 第 4 2卷 第 1 1 期 2 0 1 6年 1 1月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 1 NO V ．2 O 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 1 0 0 2 2 0 6 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 1 1 ． 0 0 6 顾俊， 刘亚兵． 矿井融合调度通信多业务 网关系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 2 2 2 7 ． 矿井融合调度通信多业务网关系统设计 顾 俊 ， 刘 亚 兵 。 1 ． 天地 常州 自动化股份有限公司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 山西阳泉煤业 集团 有限责任公司 ，山西 阳泉0 4 5 O 0 0 摘要 针对 现有 部分 矿 井通信联 络 系统 不能与矿 井融合 调 度 通信 系统业 务 平 台进 行通 信 业 务 对接 的 问 题 ， 提 出 了一种 基 于 S I P协议 和标 准媒 体格 式 的矿 井融合调 度 通信 多业务 网关 系统 设计 方案 ， 阐述 了 系统 总 体架构及 I P广播 、 文本消息、 工业视频三类网关业务的通信流程与控制处理设计 。测试结果表明， 该设计方 案 可较好 地 支撑全 矿 井融合调 度通 信 业务 实现 。 关键 词 融合 通信 ； 调度 通信 ；多业 务 网关 ； S I P协议 中图分类号 TD 6 5 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 1 0 2 8 1 6 2 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 1 0 2 8 ． 1 6 2 4 ． 0 0 6 ． h t ml De s i gn o f mul t i s e r v i c e g a t e wa y s y s t e m f o r mi ne i n t e g r a t i o n d i s p a t c h i ng c o mmu ni c a t i o n GU J u n ，LI U Ya b i n g 1 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，C h i n a； 2． S h a n x i Ya n g q u a n C o a l I n d u s t r y Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，Ya n g q u a n 0 4 5 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m t h a t s ome mi ne c o mm un i c a t i o n s ys t e m s c a nno t c on ne c t wi t h s e r vi c e pl a t f o r m o f m i n e i nt e gr a t i o n di s pa t c h i ng c o m mun i c a t i o n s y s t e m ，a de s i gn s c he m e o f mul t i s e r vi c e ga t e wa y 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 8 1 0 ； 修回 日期 2 0 1 6 - i 0 1 0 ； 责任 编辑 盛男 。 基金项 目 天地科技股份有 限公 司技术创新基金资助项 目 K J 一 2 0 1 5 - C Z GF - 0 2 。 作者简介 顾俊 1 9 8 2 一 ， 男 ， 江苏 常州人 ， 工程师 ， 主要从事 I P网络与通信、 矿井无线／ 有线通信 系统 的研发工作 ， E - ma i l g u j u n c z 1 6 3 ． e o m。 继 电源的供电距离逐 步增加 ， 测试 中继电源工作状 态下的最大供 电距离 ， 测试结果见表 4 。从表 4可 知， 在 2 4 V 本安电源与低浓 瓦斯传感器之 间增加 一 个中继电源后 ， 可使 2 4 V本安 电源对瓦斯传感器 的供 电距离 提高 2 k m， 达 到 5 ． 5 k m。 表 4 中继电源供电距离测试结果 5结语 针对井下超长工作 面传感器 的远 距离传输需 求 ， 提 出 了一 种 本 质安 全 型 中继 电 源设 计 方 案 。测 试 结果 表 明 ， 该 中继 电源 具 有 启 动 电流 小 、 输 出稳 定 、 性价比高等优点 ， 可 以使 2 4 V本安电源的供 电 距 离有 效延 长 2 k m。 参考文献 谢俊生 ， 王森 ， 游 青山． 矿井安全 监控 电源系 统的研 究 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 7 7 1 7 5 ． 李 志． 关 于 延长 对 瓦斯 传感 器 供 电距 离 方法 的探 讨 E J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 2 ， 4 3 2 6 7 6 9 ． 孙继平 ． AQ6 2 O l 煤矿安 全监控 系统 通用 技术要 求 修订意见E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 1 - 7 ． 汤朝明． 矿用传感 器超 远距离传 输技 术研究 E J ] ． 矿业 安全与环保 ， 2 0 1 2 ， 3 9 3 4 4 4 6 ． 王 文清． 提高 矿 用本 安 电源 带 载能 力 的研 究 与 实践 E J ] ． 煤 炭工 程 ， 2 0 0 8 1 1 1 0 4 1 0 6 ． ] ] ] ] ] 口