礦用多路輸出本安電流間接采集方法研究

陳 輝

(天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

礦用多路輸出本安電源作為煤礦安全監(jiān)控、人員定位和瓦斯抽放等系統(tǒng)的供電電源，是煤礦井下主要的本安供電設(shè)備[1，2]。由于本質(zhì)安全要求和被供電本安設(shè)備的輸入沖擊，礦用輸出本安電源每一路的帶載能力有限，負(fù)載較大時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)現(xiàn)象[3，4]。因此，對(duì)每一路本安輸出的電流大小進(jìn)行采集并進(jìn)行就地顯示和上傳至系統(tǒng)上位機(jī)作為礦用多路輸出本安電源的功能之一對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和系統(tǒng)故障診斷具有重要意義。

1 本安電流直接采集方法

礦用多路輸出本安電源一般由一個(gè)控制板和幾個(gè)電源板組成。由于本質(zhì)安全要求，GB 3836.4規(guī)定礦用多路輸出本安電源不同本安回路之間的隔離耐壓要求為500VAC[5]。因此礦用多路輸出本安電源的本安輸出電流采集一般采取電源板本安輸出端采集、與控制板進(jìn)行隔離通信的直接采集方法，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示(以2路輸出本安電源為例)。

電源板通過(guò)隔離DC/DC電源模塊將非安輸入轉(zhuǎn)換為固定輸出的直流電壓，然后經(jīng)過(guò)雙重本安保護(hù)電路輸出本質(zhì)安全電源[6]。為采集本安輸出電流，在本安輸出端串聯(lián)電流采樣電阻，本安電流流經(jīng)采樣電阻兩端產(chǎn)生微弱電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后進(jìn)電源板MCU A/D引腳進(jìn)行A/D采集?？刂瓢錗CU通過(guò)光耦隔離與每一路電源板依次進(jìn)行通信獲取每一路本安電流的采集結(jié)果，然后進(jìn)行分析處理并上傳至上位機(jī)。

圖1 本安電流直接采集方法結(jié)構(gòu)框圖

本安電流直接采集法在本安輸出端直接進(jìn)行電流采集，采集精度較高，但每一個(gè)電源板為此增加了MCU及其外圍電路、光耦等器件，并且需要編寫(xiě)MCU程序并制定控制板與電源板間的通信協(xié)議，這在很大程序上增加了硬件和軟件的成本和產(chǎn)品的復(fù)雜程度。并且，由于礦用輸出本安電源本安輸出電纜鋪設(shè)距離較長(zhǎng)，井下電磁環(huán)境惡劣，本安輸出電纜耦合的電磁干擾極易導(dǎo)致電源板MCU復(fù)位和死機(jī)等現(xiàn)象[7-13]，這又在很大程度上降低了產(chǎn)品的可靠性。因此，本安電流直接采集方法在產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中效果較差。鑒于此，本文提出了一種本安電流間接采集方法。

2 本安電源間接采集方法

本安電流間接采集方法相比本安電流直接采集方法采用完全不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將電流采樣電阻置于控制板上每一路電源板非安供電處，通過(guò)采集電源板DC/DC電源模塊前端的非安輸入電流來(lái)計(jì)算本安輸出電流，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

相比較而言，本安電流間接采集方法將電流采樣電阻和運(yùn)算放大器由電源板遷移至控制板，每一路電源板非安輸入電流流經(jīng)電流采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后直接進(jìn)入控制板MCU A/D引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和相關(guān)計(jì)算。電源板僅保留DC/DC電源模塊和本安保護(hù)電路，不再設(shè)有MCU和光耦隔離通信等電路，電源板也無(wú)需編程MCU和控制板進(jìn)行通信。這在很大程度上簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，節(jié)省了硬件設(shè)計(jì)成本和軟件設(shè)計(jì)成本，也很好的避免了電源板MCU因線路耦合干擾導(dǎo)致復(fù)位或死機(jī)等故障報(bào)警問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的可靠性。

圖2 本安電流間接采集方法結(jié)構(gòu)框圖

3 本安電流間接采集方法硬件設(shè)計(jì)

圖2中，電流采樣電阻串聯(lián)在非安輸入端正極上，即所謂的高端電流采集。高端電流采集共模電壓高，運(yùn)算放大器需選用高共模輸入的專(zhuān)用運(yùn)算放大器，成本也較高。

在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)中，電流采集一般采用低端采集，即電流采樣電阻置于電源的負(fù)極上。低端采集對(duì)運(yùn)算放大器要求較低，采用常規(guī)運(yùn)放放大器即可。非安輸入電流采集硬件原理如圖3所示，N1為常用運(yùn)算放大器LM358，信號(hào)放大倍數(shù)通過(guò)匹配電阻設(shè)置為16倍。

圖3 非安輸入電流采集硬件原理圖

4 本安輸出電流的理論計(jì)算

根據(jù)圖3，由運(yùn)算放大器的特性可知：

式中，VinI為運(yùn)算放大器輸出電壓，V；Iin為流經(jīng)采樣電阻RSNS的電流，即DC/DC模塊的輸入電流，A；RSNS為電流采樣電阻，Ω；R1，R2，R3為運(yùn)算放大器匹配電阻，Ω。

對(duì)運(yùn)算放大器輸出電壓VinI進(jìn)行A/D采集可計(jì)算DC/DC電源模塊的輸入電流為：

對(duì)于DC/DC電源模塊，由其轉(zhuǎn)換效率關(guān)系可知：

Pout=Pin×η

即Vout×Iout=Vin×Iin×η

式中，Iout為DC/DC模塊輸出電流，即本安輸出電流，A；Vin為DC/DC模塊輸入電壓，V；Iin為DC/DC模塊輸入電流，A；η為DC/DC模塊轉(zhuǎn)換效率；Vout為DC/DC模塊輸出電壓，V。

Vin為DC/DC電源模塊輸入電壓，即圖2中的非安輸入電壓。由于礦用多路輸出本安電源一般配有后備電池，在電池供電和交流供電時(shí)對(duì)于控制板來(lái)說(shuō)其非安輸入電壓不同，且在電池供電時(shí)電池電壓逐漸降低，該非安輸入電壓的大小可通過(guò)控制板MCU A/D采集得知。因此，式(3)中除DC/DC電源模塊轉(zhuǎn)換效率η外其他變量均為已知或可由MCU A/D采集得知。對(duì)于選定的DC/DC電源模塊(以金升陽(yáng)URF2418LP-20WR3為例)，其輸出電壓固定，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，可測(cè)得在不同輸入電壓和輸入電流—輸出電流的條件下電源模塊的轉(zhuǎn)換效率，見(jiàn)表1(由于輸出電流實(shí)際為所求未知量，在表1中不再列出)。

根據(jù)表1查找在不同輸入電壓和輸入電流條件下的電源模塊轉(zhuǎn)換效率，代入式(3)即可計(jì)算DC/DC模塊輸出電流，即本安輸出電流。由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)表1僅為有限個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在實(shí)際計(jì)算用需要根據(jù)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二維插值計(jì)算。

表1 不同輸入電壓和輸入電流條件下DC/DC電源模塊(URF2418LP-20WR3)的轉(zhuǎn)換效率

5 本安輸出電流的插值計(jì)算

常用的二維插值方法有Nearest插值法、分片線性插值法、雙線性插值法、三次內(nèi)插值法等[14]。由于Nearest插值法采用最近節(jié)點(diǎn)的值作為結(jié)果，因此不具有連續(xù)性[15]。考慮到控制板MCU的計(jì)算能力，本設(shè)計(jì)選擇分片線性插值法。分片線性插值法是二維插值中最簡(jiǎn)單的具有連續(xù)性的插值方法[16]。

分片線性插值示意如圖4所示，已知四個(gè)插值點(diǎn)(矩形的四個(gè)頂點(diǎn))處的函數(shù)值：

f(xi，yj)=f1，f(xi+1，yj)=f2，

f(xi+1，yj+1)=f3，f(xi，yj+1)=f4

圖4 分片線性插值示意圖

第一片(下三角形區(qū)域)，(x，y)滿(mǎn)足：

插值函數(shù)為：

f(x，y)=f1+(f2-f1)(x-xi)+(f3-f2)(y-yj)

(4)

第二片(上三角形區(qū)域)，(x，y)滿(mǎn)足：

插值函數(shù)為：

f(x，y)=f1+(f4-f1)(y-yj)+

(f3-f4)(x-xi)

(5)

令I(lǐng)in為x，Vin為y，則分片線性插值函數(shù)的程序流程如圖5所示。

圖5 分片線性插值程序流程圖

將η代入式(3)即可得出DC/DC模塊輸出電流，即本安輸出電流。通過(guò)驗(yàn)證，通過(guò)這種方法計(jì)算的本安輸入電流誤差在3%以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)比分析了礦用多路輸出本安電源本安電流直接采集方法和間接采集方法的結(jié)構(gòu)框圖，介紹了礦用多路輸出本安電源本安電流間接采集方法的硬件實(shí)現(xiàn)方法和基于分片線性插值的程序計(jì)算方法。結(jié)果表明，礦用多路輸出本安電源本安電流間接采集方法極大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了硬件成本并提高了硬件可靠性，在礦用電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有較高的實(shí)用價(jià)值。