DJC4.0／660-Z礦用車載甲烷斷電儀主機的設(shè)計

胡智芳

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司 2.重慶安標檢測研究院有限公司）

0 引言

由于我國煤炭經(jīng)濟的高速發(fā)展，煤礦的安全生產(chǎn)事故也隨著不斷增加，因此煤礦安全生產(chǎn)引起高度重視。煤礦安全生產(chǎn)事故中的瓦斯事故尤為頻繁，時刻威脅著煤礦的生產(chǎn)安全，時刻威脅著礦井人員的生命及煤礦的財產(chǎn)安全，所以尋找一種能對瓦斯進行實時測量與監(jiān)控，并及時進行預(yù)警及控制對煤礦安全生產(chǎn)具有非常重要意義。甲烷斷電儀主機通過測量甲烷濃度、邏輯判斷和執(zhí)行輸出三個部分完成預(yù)定的報警、斷電控制功能，它的產(chǎn)生給礦井安全生產(chǎn)帶來好消息，很快便成為礦井安全生產(chǎn)最重要的輔助設(shè)備。然而，目前應(yīng)用在煤礦輔助運輸設(shè)備單軌吊車上的車載式甲烷斷電儀主機大部分存在檢測精度和可靠性不高的弱點；其次，在斷電控制技術(shù)上，由于目前使用的大多車載式甲烷斷電儀主機采用的是電磁繼電器，在應(yīng)用中有明顯的延時長、可靠性低的缺點，使得煤礦安全生產(chǎn)中瓦斯事故仍得不到保證。針對目前這種車載式甲烷斷電儀主機的測量精度不高、斷電控制可靠性不高、通信功能不完善及電源供電等問題［1］，本文做如下研究內(nèi)容：檢測甲烷濃度的檢測頭選擇基于半導(dǎo)體激光器的光譜吸收的原理；數(shù)據(jù)通信功能部分選擇RS-485總線、RJ45網(wǎng)口通信技術(shù)實現(xiàn)的主機；斷電控制部分選擇新型固態(tài)繼電器，大大提升可靠性。圍繞GD32F103c8t6芯片的架構(gòu)，設(shè)計甲烷濃度檢測、電源緩啟動、交直流切換、斷電控制、聲報警、數(shù)據(jù)傳輸、顯示以及本安電源輸出等硬件電路。通過試驗證明［2-4］，這款主機達到設(shè)計要求，完善功能需求，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運行；另外，外部電源和備用電源的切換供電，實現(xiàn)完成甲烷濃度的檢測、可靠的斷電控制以及聲光報警、可靠的通信、甲烷濃度上傳等功能。

1 甲烷斷電儀主機的工作原理

甲烷斷電儀主機通過數(shù)字485信號下發(fā)尋址采集和采集頻率信號兩種方式，信號送至甲烷斷電儀主機，由GD32F103c8t6芯片進行處理，驅(qū)動數(shù)碼管顯示甲烷傳感器檢測的甲烷濃度值濃度，通過預(yù)置主機的報警點和斷電點，實現(xiàn)繼電器觸點吸合，控制被控設(shè)備供電運行，如圖1所示。

圖1 甲烷斷電儀主機工作原理

2 斷電控制邏輯

當(dāng)監(jiān)測的甲烷濃度在（1.5～1.8）%CH4時，甲烷斷電儀主機應(yīng)及時報警，當(dāng)甲烷濃度≥1.8%CH4時，斷電儀主機及時切斷設(shè)備電源。單片機將接收到的傳感器信號進行處理，換算為實際的甲烷濃度值，使得數(shù)據(jù)得到直觀的顯示。報警點、斷電點、復(fù)電點等功能由遙控器進行設(shè)定并存儲，通過中間繼電器控制設(shè)備實現(xiàn)信號輸出控制電路的報警或切斷設(shè)備電源。

3 交直流供電轉(zhuǎn)換

甲烷斷電儀采用兩種供電方式［5-8］，一種是交流供電AC 127V／AC 220V／AC 380V／AC 660V，一種是直流供電DC 24V，直流供電用外接的隔爆兼本安型電池箱。交流輸入經(jīng)過AC-DC模塊轉(zhuǎn)換為24V直流輸出，直流輸入通過緩啟動電路（見圖2）向后級電路供電。

圖2 緩啟動電路

當(dāng)甲烷斷電儀僅為直流供電時，GD32F103c8t6芯片判斷后觸發(fā)JL_CTL信號，Q2導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通，實現(xiàn)直流供電，當(dāng)甲烷斷電儀切換為交流供電時，GD32F103c8t6芯片判斷后停止觸發(fā)JL_CTL信號，Q2關(guān)閉，Q1關(guān)閉，實現(xiàn)交流通過AC-DC模塊轉(zhuǎn)換為24V直流輸出供電（見圖3）。

圖3 交直流供電轉(zhuǎn)換電路

4 信號傳輸處理

設(shè)定的甲烷斷電儀主機的甲烷濃度值在（0.00～4.00）%CH4范圍內(nèi)對應(yīng)的甲烷傳感器輸出頻率信號為（200～1000）Hz，信號接收電路將頻率信號進行放大、整形后發(fā)送GD32F103c8t6芯片進行處理，顯示。

頻率信號與甲烷濃度的轉(zhuǎn)換關(guān)系［9］為：

式中，G為檢測輸出信號Pi對應(yīng)的甲烷濃度值，%CH4；Gm為輸出電信號上限對應(yīng)的甲烷濃度值，%CH4；G0為輸出電信號下限對應(yīng)的甲烷濃度值，%CH4；Pi為檢測的輸入電信號，Hz；Pm為輸出電信號范圍上限標稱值，Hz；P0為輸出電信號范圍下限標稱值，Hz。

甲烷斷電儀主機采用兩路RS485半雙工的通訊方式進行上、下行數(shù)據(jù)傳輸，上行傳輸以2400bps傳輸速率與中心站通訊，下行傳輸以4800bps傳輸速率由甲烷傳感器與甲烷斷電儀主機通訊。因甲烷斷電儀主機的供電為非安，所以需要將信號處理成本安，RS485 A／B信號線上設(shè)計安全柵電路（見圖4），由電阻R48／R49、穩(wěn)壓管D7／D8／D11／D12 BZG04-8V2（DO-214AC）組成限流限壓電路。

圖4 RS485安全柵電路

5 本安電源輸出設(shè)計

為保證甲烷斷電儀主機外接的甲烷傳感器和聲光報警器的供電需求，采用兩路24V／550mA的本安電源模塊（見圖5）進行供電。一路外接聲光報警器同時給內(nèi)部蜂鳴器供電，另外一路接甲烷傳感器。

圖5 電源安全柵電路

IC1和IC2為24V／550mA的本安電源模塊，由內(nèi)部24V隔離變壓模塊及兩級限壓限流電路組成，構(gòu)成可靠的本安電源輸出。

6 控制輸出設(shè)計

由GD32F103c8t6芯片將實時采集到的甲烷濃度與設(shè)定的報警值、斷電值進行比較，當(dāng)甲烷濃度達到設(shè)定值時，即從GD32F103c8t6芯片的IO口C_JDQ／L-DD輸出控制信號，使得Q10導(dǎo)通，控制繼電器動作。電路中繼電器需要進行特殊設(shè)計，第一安全設(shè)計，需在繼電器的控制端放置兩個二極管，用于能量泄放，第二繼電器作為打火元件，需要與兩個二極管作為整體進行澆封（見圖6）。

圖6 斷電控制電路

7 軟件設(shè)計

軟件程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為數(shù)據(jù)采集，濃度值的轉(zhuǎn)換、顯示及遙控參數(shù)設(shè)定，斷電條件判定和復(fù)電條件判定這幾個部分。為了安全起見，首次上電1min內(nèi)，斷電儀仍處于斷電狀態(tài)，并對傳感器的狀態(tài)進行判斷，當(dāng)確定傳感器狀態(tài)正常后，再進入甲烷濃度及狀態(tài)監(jiān)控等工作。

8 甲烷斷電儀主機的檢測

評定甲烷斷電儀主機的可靠性和穩(wěn)定性，主要檢驗跟蹤誤差、7天穩(wěn)定性、控制執(zhí)行時間這三個技術(shù)性指標［10］。

跟蹤誤差是用濃度為（0.5、1.5、2.5）%CH4±0.1%CH4的標準氣樣，通（150mL／min）四次，每次3min，記錄斷電儀的顯示值，取后三次的算術(shù)平均值作為測量值與標準氣體的差值，作為基本誤差。測試結(jié)束后用清潔空氣清洗3min，再進行一次試驗，24h后再按上述方法進行測試，計算跟蹤誤差值。

連續(xù)工作七天，每隔12h測試其功能，調(diào)整零點用0.5%CH4通（150mL／min），試驗期間不得調(diào)整斷電儀主機。漂移量按下式計算：

式中，δ0為零點的漂移量；δ1.5為1.5%CH4甲烷濃度漂移量；D為標準甲烷氣體濃度，%CH4；Di為實際測量次數(shù)的顯示值，%CH4；N為實際測量次數(shù)。

執(zhí)行控制時間檢測，主機需帶模擬負載，待送電穩(wěn)定運行后，外接可調(diào)的電流、電壓、頻率等信號發(fā)生器，當(dāng)輸入信號達到斷電時，記錄輸入信號與輸出點的動作時間，連續(xù)測試三次，取最大值。

9 結(jié)束語

本主機按煤礦防爆安全技術(shù)標準進行設(shè)計，通過安標認證專業(yè)檢驗機構(gòu)的礦用隔爆技術(shù)嚴格的檢驗，在現(xiàn)場礦井安裝和使用過程中，各項主要技術(shù)指標均達到標準規(guī)定的最高技術(shù)要求，運行安全、穩(wěn)定、可靠。