一種礦用本安電源的FMEA分析研究*

楊 柳，楊瑞俊

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

礦用本安電源作為煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中不可缺少的一種安全供電設(shè)備，直接影響到礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性，關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)、抗災(zāi)能力和礦工安危。由于礦井環(huán)境的特殊性，礦用本安電源必須滿足較高的可靠性要求。

根據(jù)GB 3836.1-2010和GB 3836.4-2010要求，礦用本安電源應(yīng)在滿足本質(zhì)安全防爆要求的前提下有較強(qiáng)的帶載能力，并具備輸入輸出端必須電氣隔離、保護(hù)隔離環(huán)節(jié)多重化、適應(yīng)較大范圍的電網(wǎng)波動(dòng)、不間斷供電、故障自動(dòng)恢復(fù)、體積小、可靠性高等特點(diǎn)[1，2]。

本文通過(guò)故障模式影響分析(FMEA)的方法，分析了礦用本安電源的故障模式及其影響，給出了礦用本安電源故障模式的嚴(yán)酷度，并針對(duì)高嚴(yán)酷度的故障模式提出改進(jìn)措施，以提高礦用本安電源可靠性。FMEA常用2種基本方法：功能分析法和硬件分析法，針對(duì)不同的系統(tǒng)選擇不同的方法[3]。本文采用硬件法進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)工作原理

礦用本安電源的主要功能電路：AC/DC電路、直流穩(wěn)壓電路、一級(jí)過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)電路、二級(jí)過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)電路。礦用本安電源結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其工作原理為：將礦用電網(wǎng)中的AC 127 V通過(guò)AC/DC電路將轉(zhuǎn)換為直流23 V。之后通過(guò)兩片集成芯片LM317進(jìn)行雙重穩(wěn)壓。再利用開(kāi)關(guān)電源芯片TOP244Y和高靈敏電壓比較器LM393為核心器件的過(guò)壓/過(guò)流功能電路，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)過(guò)壓和過(guò)流的保護(hù)。最終輸出本安DC12V電壓。

圖1 原理框圖

2 系統(tǒng)組成和層次定義

根據(jù)本安電源的結(jié)構(gòu)框圖，確定初始約定層次為本安電源，其最低約定層次為各結(jié)構(gòu)組成，即AC/DC、直流穩(wěn)壓電路、兩級(jí)過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)電路。因?yàn)榇吮景搽娫措娐方Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，故無(wú)約定層次。

本安電源的結(jié)構(gòu)及層次框圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)及層次框圖

3 嚴(yán)酷度定義

根據(jù)GJB/Z 1391-2006，嚴(yán)酷度的定義為故障模式所產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度[4]。本文中的嚴(yán)酷度指最低約定層次的各組成部分對(duì)本安電源影響的嚴(yán)重程度。

本安電源用于井下環(huán)境，對(duì)安全性要求很高，故在分析中，安全性不可忽視。此次分析中的嚴(yán)酷度定義，安全性是主要因素之一，故Ⅰ、Ⅱ 類嚴(yán)酷度定義，均應(yīng)以安全性為準(zhǔn)則進(jìn)行。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)酷度可定義為四級(jí)，等級(jí)數(shù)字越小，嚴(yán)酷度等級(jí)越高，評(píng)分越大。系統(tǒng)嚴(yán)酷度定義和評(píng)分見(jiàn)表1。

表1 嚴(yán)酷度定義及評(píng)分

4 FMEA分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行FMEA分析，分析表格見(jiàn)表2。共分析電路故障模式7個(gè)，其中Ⅰ類故障模式1個(gè)、Ⅱ類故障模式1個(gè)、Ⅲ類故障模式3個(gè)、Ⅳ類故障模式2個(gè)。分析給出設(shè)計(jì)/使用補(bǔ)償措施10種，分別為：檢查輸入電網(wǎng)是否正常、檢查輸出端連接情況、查明電路保護(hù)原因并排除故障、檢查輸入端接觸是否良好、降低負(fù)載、檢查前端電路工作情況、增加元器件篩選和工藝篩查、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、定期檢查維修。

表2本安電源FMEA分析表

序號(hào)產(chǎn)品或功能標(biāo)志功能故障模式故障原因故障影響局部影響最終影響嚴(yán)酷度類別設(shè)計(jì)/使用補(bǔ)償措施1AC/DC電路將交流電壓輸入轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出2直流穩(wěn)壓電路穩(wěn)定直流電壓輸出3一、二級(jí)過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)電路過(guò)壓時(shí)啟動(dòng)保護(hù)使得輸出為零過(guò)流時(shí)啟動(dòng)保護(hù)使得輸出為零不啟動(dòng)無(wú)輸出輸出電壓超差無(wú)輸出過(guò)壓保護(hù)失效過(guò)流保護(hù)失效絕緣電阻超差無(wú)輸入電壓輸入功率不足輸出端短路電路保護(hù)輸入功率不足負(fù)載過(guò)重?zé)o輸入芯片損壞電路出現(xiàn)短路或斷路元器件損壞電路出現(xiàn)短路或斷路元器件損壞絕緣層老化不啟動(dòng)功能喪失Ⅲ檢查輸入電網(wǎng)是否正常檢查輸入端接觸是否良好無(wú)輸出功能喪失Ⅲ檢查輸出端連接情況查明電路保護(hù)原因并排故輸出電壓超差無(wú)影響Ⅳ檢查輸入端接觸是否良好降低負(fù)載無(wú)輸出功能喪失Ⅲ檢查前端電路工作情況增加元器件篩選和工藝篩查過(guò)壓保護(hù)失效跳火花Ⅰ優(yōu)化電路設(shè)計(jì)增加元器件篩選和工藝篩查過(guò)流保護(hù)失效過(guò)熱Ⅱ優(yōu)化電路設(shè)計(jì)增加元器件篩選和工藝篩查絕緣電阻超差無(wú)影響Ⅳ定期檢查維修

5 結(jié)論

本安電源在井下應(yīng)用廣泛，是常用設(shè)備之一，故其安全性要求高。在本安電源的設(shè)計(jì)中，采用FMEA分析方法，對(duì)電源各組成部分的故障模式進(jìn)行分析，可在設(shè)計(jì)期內(nèi)采取措施，避免潛在危險(xiǎn)源，提高本安電源的安全性和可靠性。