一種礦用本質(zhì)安全型信號(hào)機(jī)的設(shè)計(jì)

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 苗 瓊

1.引言

信號(hào)機(jī)是控制交叉路口交通信號(hào)的重要設(shè)備，是交通信號(hào)控制的重要組成部分，各種交通控制方案，最終都要由信號(hào)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用于地面的信號(hào)機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速且十分成熟，不同尺寸、不同色彩、不同應(yīng)用場(chǎng)合的信號(hào)機(jī)一應(yīng)俱全，但其作為非本質(zhì)安全型產(chǎn)品不能應(yīng)用煤礦井下。煤炭作為特殊的能源行業(yè)，對(duì)其應(yīng)用于本環(huán)境中電子設(shè)備的電子能量有一定的限制要求。目前，現(xiàn)有的礦用信號(hào)機(jī)產(chǎn)品大多顯示圖案固定、指示信息量有限、控制方式單一、使用不夠靈活，只能滿足固定的應(yīng)用場(chǎng)合或者和其相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)配套，不具有廣泛的通用性。

圖1 信號(hào)機(jī)組成框圖

圖2 信號(hào)機(jī)控制板電路原理圖

圖3 信號(hào)機(jī)顯示板電路原理圖

圖4 軟啟動(dòng)電路原理圖

為滿足煤礦不同工況的應(yīng)用，同時(shí)為解決本公司現(xiàn)有KXH16X16信號(hào)牌顯示面積小、亮度低的問題，筆者設(shè)計(jì)了一款新型礦用本質(zhì)安全型信號(hào)機(jī)。在本信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)中借鑒了LED數(shù)碼管的“段位”思想，將不同的顯示圖案獨(dú)立設(shè)計(jì)、控制。信號(hào)機(jī)可顯示的圖案有：紅色“X”，黃色“◎”，綠色“←”、“→”、“↑”，這樣可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)圖案的獨(dú)立顯示或者組合顯示，從而豐富顯示圖案，提供更多的指示信息。同時(shí)，信號(hào)機(jī)可通過撥碼開關(guān)方式配置顯示亮度和控制方式，亮度調(diào)節(jié)分為4檔，控制方式包括RS485總線控制、外部頻率端口控制和外部開關(guān)量輸入端口控制，靈活的設(shè)計(jì)使得本產(chǎn)品可以應(yīng)用于煤礦井下需要信號(hào)指示的眾多場(chǎng)合。

2.信號(hào)機(jī)組成

如圖1所示，信號(hào)機(jī)由控制板和顯示板構(gòu)成?？刂瓢灏ǎ弘娫茨K、軟啟動(dòng)模塊、控制器、頻率采集模塊、開關(guān)量輸入采集模塊、開關(guān)量輸出控制模塊、圖案控制信號(hào)隔離模塊和通信模塊。顯示板包括：電源模塊和LED圖案模塊。

圖5 信號(hào)機(jī)軟件程序流程圖

信號(hào)機(jī)支持3種控制方式：RS485通信控制、頻率輸入控制和開關(guān)量輸入信號(hào)控制。RS485通信控制支持多種協(xié)議模式，可接入本公司監(jiān)控系統(tǒng)，或與其他廠家產(chǎn)品配接時(shí)可以使用MODBUS協(xié)議。頻率控制時(shí)，在頻率采集端口輸入規(guī)定范圍頻率值時(shí)顯示相應(yīng)的圖案。開關(guān)量控制時(shí)，可接入2路的開關(guān)量輸入信號(hào)，支持4種顯示圖案。

信號(hào)機(jī)通過撥碼開關(guān)來配置通信地址、通信協(xié)議模式、通信速率和顯示亮度等工作參數(shù)。通信地址范圍1～255，通信速率支持1200bps和4800bps兩種，通信協(xié)議支持開放的MODBUS協(xié)議和本公司系統(tǒng)協(xié)議，信號(hào)機(jī)顯示亮度分為4個(gè)等級(jí)，亮度依次增強(qiáng)，在實(shí)際使用中用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求調(diào)節(jié)顯示亮度。

3.信號(hào)機(jī)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控電路

信號(hào)機(jī)控制板選用NXP公司最新的32位Cortex-M0內(nèi)核MCU作為主控制器，具有32K的FLASH和8K的SRAM，集成1路支持RS485通信模式的UART接口和4路的頻率捕獲接口，正常工作下，最高的時(shí)鐘速率可達(dá)48Mhz，電路原理圖如圖2所示。

信號(hào)機(jī)由本安電源供電，（12～19）V的本安電源經(jīng)過軟啟動(dòng)電路，再經(jīng)過DC/DC電源模塊轉(zhuǎn)換到5V供RS485通信使用，5V通過LDO轉(zhuǎn)化為3.3V供MCU使用。信號(hào)機(jī)具有靈活的配置功能，主控板通過2個(gè)撥碼開關(guān)可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)機(jī)通信地址、通過信速率、通信協(xié)議、顯示亮度和控制方式的配置。2路開光量輸入信號(hào)和1路的頻率采集信號(hào)電路設(shè)計(jì)時(shí)都采用光耦隔離措施，有效避免了外部干擾信號(hào)的影響。同時(shí)，頻率信號(hào)通過光耦隔離后，需再經(jīng)過斯密特觸發(fā)器整形處理，濾除外部信號(hào)的干擾和擾動(dòng)，才能送入MCU的捕獲端口進(jìn)行采集。LED控制信號(hào)經(jīng)過74LV245隔離后驅(qū)動(dòng)LED圖案。

3.2 顯示電路

信號(hào)機(jī)顯示板采用戶外高亮LED，在較低的功耗下就可以達(dá)到較好的顯示亮度?？刂瓢迮c顯示板通過12PIN的排線連接，包括LED的供電電源線和LED驅(qū)動(dòng)信號(hào)線。顯示板的電源由控制板提供，經(jīng)過DC/DC電源模塊轉(zhuǎn)換為9V后給LED供電。顯示板可顯示的圖案有：紅色“X”，黃色“◎”，綠色“←”、“→”、“↑”，其中紅色“X”、黃色“◎”、綠色“↑”為獨(dú)立顯示圖案，綠色“←”、“→”是組合顯示圖案。經(jīng)過74LV245隔離后的LED驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以PWM信號(hào)方式控制CEM4953的通斷，實(shí)現(xiàn)圖案的單獨(dú)顯示和組合顯示。

3.3 軟啟動(dòng)電路

信號(hào)機(jī)由本安電源供電，而本安電源具有過流保護(hù)功能。在供電設(shè)備多、供電距離遠(yuǎn)時(shí)，設(shè)備上電瞬間造成的電流沖擊有可能導(dǎo)致本安電源過流保護(hù)，從而造成信號(hào)機(jī)啟動(dòng)異常。從硬件設(shè)計(jì)角度，采用軟啟動(dòng)電路能夠控制設(shè)備輸入電流的上升時(shí)間，限制最大電流，最大程度的減小了設(shè)備上電瞬間對(duì)本安電源的沖擊。當(dāng)線路損耗降低信號(hào)機(jī)供電電壓時(shí)，軟啟動(dòng)電路能夠保證信號(hào)機(jī)在低壓情況下可以正常起動(dòng)。

軟啟動(dòng)電路原理圖如圖4所，Q1和Q2為PNP三極管，Q3為N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。R2和R3對(duì)輸入電壓UIN進(jìn)行分壓，R2和C1構(gòu)成RC延時(shí)電路，C1兩端電壓隨著充電時(shí)間變化緩慢增加，Q3的漏極電流與電路輸出電流呈緩慢的上升關(guān)系。

4.信號(hào)機(jī)軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示，上電后信號(hào)機(jī)進(jìn)行初始化操作，讀取信號(hào)機(jī)的通信地址和配置信息。在RS485總線控制模式下，根據(jù)通信協(xié)議信號(hào)機(jī)接收總線主機(jī)發(fā)送的巡檢命令，獲取圖案顯示的預(yù)案號(hào)；在頻率控制下，信號(hào)機(jī)采集頻率輸入端口的頻率值，關(guān)聯(lián)采集頻率值與顯示預(yù)案號(hào)；在開關(guān)量輸入信號(hào)控制下，信號(hào)機(jī)采集開關(guān)量輸入端口的信號(hào)，關(guān)聯(lián)采集信號(hào)與顯示預(yù)案。信號(hào)機(jī)在獲取顯示預(yù)案號(hào)后，需要判斷預(yù)案號(hào)是否合法有效，預(yù)案號(hào)合法有效時(shí)，判斷當(dāng)前接收到的預(yù)案號(hào)與上次顯示預(yù)案號(hào)是否一致，預(yù)案號(hào)更新時(shí)，進(jìn)行軟切換到新預(yù)案號(hào)對(duì)應(yīng)的圖案，預(yù)案號(hào)未更新變化時(shí)，保持當(dāng)前顯示預(yù)案號(hào)對(duì)應(yīng)的圖案。信號(hào)機(jī)在接收到異常預(yù)案編號(hào)或者初始上電時(shí)，信號(hào)機(jī)顯示閃爍黃環(huán)，表示設(shè)備失控。

信號(hào)機(jī)硬件設(shè)計(jì)中增加了軟啟動(dòng)電路來減少信號(hào)機(jī)啟動(dòng)瞬間對(duì)本安電源的沖擊影響，在軟件設(shè)計(jì)中同樣采用了軟切換的方式來減小因信號(hào)機(jī)顯示圖案切換而造成的電流沖擊。信號(hào)機(jī)采用PWM方式驅(qū)動(dòng)LED圖案顯示，軟切換方式是通過逐漸增加LED驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，使信號(hào)機(jī)的功耗逐漸增加，降低了圖案切換瞬間時(shí)對(duì)電流的需求，直接減小了對(duì)本安電源沖擊，保護(hù)了本安電源，增加了本安電源的供電設(shè)備數(shù)量。

5.結(jié)語(yǔ)

礦用本質(zhì)安全型信號(hào)機(jī)適用于有瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)的煤礦井下，可單獨(dú)使用，也可與煤礦軌道機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、無軌膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)和煤礦信息引導(dǎo)系統(tǒng)聯(lián)合使用，提供信號(hào)指示功能。信號(hào)機(jī)圖案組合顯示功能擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，可滿足煤礦井下多工況的應(yīng)用要求。

目前，該產(chǎn)品已實(shí)際應(yīng)用于山西平朔井工三礦，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明該信號(hào)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?yàn)榈V井無軌膠輪車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)提供正確信號(hào)指示功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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