煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護(hù)的有效技術(shù)措施

文/謝春華

對(duì)于微電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)浪涌防護(hù)是非常關(guān)鍵的一環(huán)，對(duì)于電子信息系統(tǒng)，尤其是煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)，隨著井下電子信息設(shè)備越來(lái)越多，如果遭遇浪涌，對(duì)電子信息設(shè)備的影響大，因此為維護(hù)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行，探索其浪涌防護(hù)技術(shù)將具有顯著現(xiàn)實(shí)意義。

1 浪涌的影響

一般情況下，電子信息設(shè)備遭遇浪涌主要有兩種情況，一種是設(shè)備供電線(xiàn)路周邊遭遇雷擊，產(chǎn)生雷電流感應(yīng)，而在電路當(dāng)中出現(xiàn)瞬時(shí)強(qiáng)大電壓或電流。對(duì)于微電子設(shè)備而言，在這種情況下會(huì)因?yàn)樗查g的強(qiáng)大的電壓而倒是設(shè)備出現(xiàn)損壞。另一種情況則是電路在切換開(kāi)關(guān)時(shí)，可能會(huì)在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大過(guò)電壓，如主電源系統(tǒng)在切換開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的干擾等。

對(duì)于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)而言，其是為了保證煤礦安全生產(chǎn)而特別設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，如果該系統(tǒng)遭遇浪涌危害，那么有可能出現(xiàn)兩種情況，第一種情況是當(dāng)浪涌強(qiáng)度大且超過(guò)了系統(tǒng)設(shè)備的承受能力，那么極有可能在設(shè)備遭遇浪涌后直接損壞。在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮到如何去抑制這種情況。當(dāng)發(fā)生過(guò)電壓或過(guò)電流，但過(guò)電壓或過(guò)電流都不強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生累積性的浪涌危害，即第二種浪涌的危害形式，它可以讓系統(tǒng)設(shè)備半導(dǎo)體元件的性能發(fā)生衰退，縮短設(shè)備的使用壽命，這種危害在前期不一定能夠感受到，但到了后期一旦出現(xiàn)問(wèn)題，造成的影響也非常大，所以這方面在安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也是需要考慮的。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護(hù)分析

2.1 關(guān)于基于CAN總線(xiàn)的安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護(hù)思考

在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，CAN總線(xiàn)是一種常用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，安全監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性非常重要，CAN總線(xiàn)如果遭遇浪涌那么將可能造成極大的危害，所以研究煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的浪涌防護(hù)技術(shù)具有顯著現(xiàn)實(shí)意義。在CAN總線(xiàn)的浪涌防護(hù)當(dāng)中，目前國(guó)內(nèi)外通常使用浪涌防護(hù)裝備來(lái)抑制浪涌，包括GDT、MOV、TVS、TSS等，這些防浪涌元器件基本上都是非線(xiàn)性元件，在設(shè)計(jì)當(dāng)中通常會(huì)布置在CAN接口的電路兩端，并且并聯(lián)在電路當(dāng)中。這些防浪涌元器件相對(duì)來(lái)說(shuō)都能夠起到比較好的浪涌防護(hù)作用，但是因?yàn)樵O(shè)備的響應(yīng)時(shí)間、流通容量、鉗位電壓等不一樣，如果用在CAN總線(xiàn)當(dāng)中哪種性能會(huì)更好，目前來(lái)說(shuō)尚沒(méi)有一個(gè)較為準(zhǔn)確的定論。在煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中往往會(huì)憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可能會(huì)造成在后續(xù)使用當(dāng)中不滿(mǎn)足可靠性要求。

在一個(gè)典型的基于CAN總線(xiàn)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理，上位機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)連接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的分站。在現(xiàn)場(chǎng)的分站每一個(gè)分站接點(diǎn)都有內(nèi)嵌CPU，有各種傳感器。CPU將各種傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化成CAN標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，在將信號(hào)上傳上位機(jī)并轉(zhuǎn)發(fā)到執(zhí)行器接點(diǎn)。

一個(gè)典型的井下分站包括總線(xiàn)，CAN收發(fā)器，光電耦合器，CAM控制器，CPU，數(shù)字量輸入電路和數(shù)字量輸出電路。其下還有傳感器，執(zhí)行單元等硬件。對(duì)于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)而言，耦合途徑是浪涌的主要傳導(dǎo)方式，對(duì)于硬件設(shè)備而言，對(duì)浪涌最敏感的設(shè)備是CAN接口電路，因此在基于CAN總線(xiàn)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮從三個(gè)方向上來(lái)進(jìn)行防浪涌，包括抑制干擾源，削弱干擾源的影響力，切斷耦合途徑，提高敏感設(shè)備的抗干擾能力。

CAN總線(xiàn)是一種串行通信，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮借鑒成熟的RS485的抗干擾設(shè)計(jì)，并選擇市面上現(xiàn)有的防浪涌器件并放置在CAN線(xiàn)路當(dāng)中，形成整體的浪涌防護(hù)體系。

2.2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護(hù)

為了保證安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護(hù)體系的有效性，考慮在總線(xiàn)及接口之間加入防浪涌設(shè)計(jì)。一般的浪涌防護(hù)，可以考慮在CAN接口前串聯(lián)一個(gè)阻抗，利用阻抗來(lái)對(duì)抗孫太電流，在低頻時(shí)該阻抗為電阻或者電感。在導(dǎo)線(xiàn)之間以及導(dǎo)線(xiàn)與地之間要并聯(lián)一個(gè)阻抗，該阻抗用來(lái)抑制電磁暫態(tài)，這個(gè)阻抗一般可用GDT、TVS等。當(dāng)總線(xiàn)當(dāng)中傳輸?shù)男盘?hào)遠(yuǎn)低于出現(xiàn)的干擾信號(hào)時(shí)，該阻抗就可以作為電容存在于電路當(dāng)中，并且與串聯(lián)的另一個(gè)阻抗形成低通濾波器。當(dāng)總線(xiàn)中傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)大時(shí)，那么并聯(lián)的阻抗就可以作為電感存在于電路中，并且與串聯(lián)阻抗組成高通濾波器。

在考慮做浪涌防護(hù)體系時(shí)，要注意，保護(hù)電路不能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但可能因?yàn)殡姶怒h(huán)境比較惡劣而降低保護(hù)的效果，所以在設(shè)計(jì)浪涌保護(hù)體系時(shí)，務(wù)必要選對(duì)浪涌抑制器，要準(zhǔn)確地把握不同抑制器的性能，防止浪涌保護(hù)器的一些非理想的特性對(duì)系統(tǒng)造成影響。而要保證保護(hù)電路的效果，主要還要考慮保護(hù)器件的殘壓水平，保護(hù)效果越好，那么殘壓水平與被保護(hù)電路的工作電壓越相近。這是理想狀態(tài)下的情況，現(xiàn)實(shí)當(dāng)中并沒(méi)有必要去追求低殘壓水平，因?yàn)檫^(guò)分的追求低殘壓水平可能導(dǎo)致保護(hù)電路本身性能縮減。所以在設(shè)計(jì)浪涌防護(hù)體系時(shí)，一般都考慮做多級(jí)防護(hù)，利用不同浪涌保護(hù)器的性能特性來(lái)進(jìn)行合理的組合，形成多級(jí)保護(hù)的效果。例如，將GDT或MOV作為第一級(jí)保護(hù)，因?yàn)檫@兩類(lèi)保護(hù)器能夠泄放較大的過(guò)電流，可以降低后面設(shè)備因?yàn)檫^(guò)電流帶來(lái)的沖擊。在第二級(jí)保護(hù)中一般可以用MOV或TVS來(lái)進(jìn)一步降低過(guò)電流。如果在加上一個(gè)鉗位元件來(lái)做第三級(jí)保護(hù)，那么則可以將保護(hù)電路中的設(shè)備的電位限制在一個(gè)極低的水平，這一類(lèi)鉗位元件通常可以用TVS或TSS來(lái)構(gòu)成。

在上述多級(jí)保護(hù)電路當(dāng)中為了保證電路之間的配合合理，并且實(shí)現(xiàn)最大的保護(hù)器使用期限，一般還需要考慮在電路之間加入去耦電路。在一類(lèi)電路一般可以通過(guò)電阻或者電感來(lái)組成，不過(guò)注意電阻不適合放在電源回路當(dāng)中，即便電阻可以實(shí)現(xiàn)衰減長(zhǎng)脈沖，但是容易發(fā)熱。而電感則比較適合用在電源回路中，用以消除短脈沖，但對(duì)長(zhǎng)脈沖基本上沒(méi)有效果。所以在CAN總線(xiàn)中考慮將電阻和電感組合起來(lái)運(yùn)用。

因此，在構(gòu)建基于CAN總線(xiàn)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的浪涌防護(hù)體系，應(yīng)注意浪涌防護(hù)體系應(yīng)當(dāng)具備強(qiáng)鉗位能力能夠限制過(guò)載電壓，電路末端的鉗位電壓應(yīng)當(dāng)盡可能地與最大的工作電壓相近。保護(hù)器要具備快速響應(yīng)能力，對(duì)于響應(yīng)時(shí)間而言應(yīng)當(dāng)盡可能地保證在ns級(jí)別。保護(hù)器在系統(tǒng)正常運(yùn)行當(dāng)中要不能夠產(chǎn)生影響或者影響可以忽略不計(jì)，在這一前提下，保護(hù)體系的等效并聯(lián)電阻可以盡可能的大，而串聯(lián)電阻或者并聯(lián)的電容則應(yīng)當(dāng)盡可能小。在遭遇浪涌后，保護(hù)電路當(dāng)中的元件應(yīng)當(dāng)能夠立即恢復(fù)。當(dāng)然還需要考慮一下成本問(wèn)題，所選擇的保護(hù)元件要盡可能的體積小，成本低，方便維護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)上述方法對(duì)基于CAN總線(xiàn)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行防浪涌設(shè)計(jì)，在實(shí)踐當(dāng)中產(chǎn)生了應(yīng)有的效果，通過(guò)在系統(tǒng)的直流電源端口和信號(hào)端口構(gòu)造多級(jí)防護(hù)，并利用500V浪涌信號(hào)對(duì)該多級(jí)保護(hù)體系進(jìn)行實(shí)際測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)多級(jí)保護(hù)電路的限制，在靠近電源芯片的峰值電壓為30V，信號(hào)端的峰值則為29.6V，基本上可知上述方法是有效的。但在實(shí)際測(cè)試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)GDT因?yàn)轫憫?yīng)動(dòng)作比較慢而存在漏掉峰值電壓的可能，好在下級(jí)的保護(hù)器提供了快速響應(yīng)能力，可保護(hù)系統(tǒng)，但對(duì)下級(jí)保護(hù)器的使用壽命影響非常大。所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中關(guān)鍵還是要選對(duì)保護(hù)器。只要保護(hù)器選對(duì)，在浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，難度就很低了。