煤炭产量远程监测装置的设计与应用

摘要：针对目前煤矿安全事故频发造成的人员伤亡和经济损失，要求对矿井煤炭产量实现远距离安全监测。基于调制解调器MCl45442和高精度A／D转换CS5532设计了产量监测装置，提出了将电气设计和防爆技术结合起来的应用方案。设计了装置的信号采集电路和远程传输电路，将用于信号传输回路的隔离式安全栅电路、用于井下分站的本质安全型防爆型式及隔爆外壳的设计这3种防爆技术同时应用到装置中。国家检验机构检验结果表明，该装置性能稳定、抗干扰性能好，能够有效实现防爆。
关键词：产量监测；远距离传输；防爆技术；本质安全电路；安全系数

    煤炭生产作为我国能源生产的一个支柱产业，在国民经济中占有重要地位。煤炭产量的监测更是关系到国家和企业的根本利益，但中国煤炭产业的安全生产形势却不容乐观。煤矿安全事故频发，造成了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失，因此对煤矿产量的安全监测刻不容缓。本文设计的煤矿产量远程监测装置就是针对以上情况研发设计的。

1 装置总体设计
    煤炭产量监测装置通过称重传感器和速度传感器分别采集矿井输送皮带上单位长度的物料重量和皮带运转速度，由MODEM调制后远距离传输至井上接口。井上仪表对数据处理后显示出相应产量，实现了对矿井煤炭产量的监测整体框图如图1所示。

    隔爆兼本安型电源给分站和传感器提供稳定的直流稳压电源。本安型分站负责采集重量与速度信号并采用抗干扰性能好的MODEM方式远传至井上接口。井上接口中的MODEM通过将分站的载波信号解调为标准RS232信号，实现了与显示仪表的通信。井上接口具有通信指示和故障检测功能。
    煤炭产量监测装置使用了多种防爆措施。井下危险区域采用：隔爆兼本安型电源，本安型称重传感器，本安型速度传感器，本安型分站。井上安全区域采用：矿用一般型的信息传输接口。

2 性能设计
2．1 电气设计
    煤炭产量监测装置的控制芯片选用C8051F023型单片机，它含有丰富的外设资源，5个通用的16位定时器，2路UART，22个中断源，满足了分站／接口的2路独立频率量采集／还原，定时中断采集，串口接收／发送等功能，节约了生产成本，提高了装置的抗干扰性。
    煤炭产量监测装置采用了MODEM方式进行远程传输，电气原理如图2所示。满足了矿井远距离传输与抗干扰的要求。设计使用了MODEM芯片MCl45442，其原理就是将“0”和“l”这2种数字信号分别调制成不同频率的2个音频信号，在发送和接收端其对应不同的频率。该芯片支持300波特率的全双工或半双工通信；具有低功耗模式，电流消耗仅200μA，抗干扰性能较好，误码率小于10-6。

    装置采用了集成有仪表放大器的24位MD转换器CS5532，电气原理图如图3所示，该芯片受温度影响小，称重精度高，在实际应用中满足了煤炭产量监测准确性的要求。

    煤矿用防爆称重传感器采用并联方式连接，5 V供电，传感器的输出精度为2 mV／V，所以满量程输出为10 mV，为了使测量结果更精确。在设置A／D转换器的满量程范围时应尽量的小。可以在编程时通过设置增益寄存器和内部放大寄存器来设置输入范围。CS5532可量化的满量程输入信号的范围由增益设定和VREF+、VREF-之间的参考电压决定。转换器的满量程输入信号范围为((VREF+)-(VREF-))／(GxA)其中G就为增益放大器的系数，VREF+和VREF-分别为参考电压的正和负。A的值为l和2可选，当参考电压选择位VRS设为0时，A=2，当VRS设为1时，A=1。本装置中参考电压为2．5 V，即VREF+为2．5 V，VREF-为0 V，A=l，增益G设置为128，所以满量程输入范围为2．5／128≈20 mV，可以满足现场传感器测量精度的要求。
2．2 数据帧格式设计
    煤炭产量监测装置数据帧格式采用ASCII码方式，这种方式能有效减少误码率，即将一位十六进制数(例如：Ox3E)分成2个字节的ASCII码(0x33和0x45)传输。按以往的十六进制帧格式，在数据帧有效段内可能会出现与起始位和结束位相同的字节，导致帧接收出错。以ASCII码方式编写帧格式时，可以有效解决以上问题。装置采用的数据帧一共为16个字节，如图4所示，起始位为0x01，结束为0x03，数据帧内容为前8字节的两路速度量，后4个字节的重量A／D转换值。

3 防爆设计
3．1 隔离式安全栅电路设计
    煤炭产量监测装置中的信号传输回路采用的是隔离式安全栅电路(图5)和齐纳式安全栅相比，具有无需可靠安全接地的优点。

    4只齐纳二极管Vz1～Vz4组成双重化的过压保护电路限压。限流电阻用于限制可能流过本质安全电路的电流。需要注意的是：为了防止检修或替换影响本质安全性能的任何单元，需将安全栅电路全部灌封环氧树脂。
3．2 本安设计
    本安防爆是一种通过限制电路能量使得电器装置在井下安全工作的低功耗技术。本安设备在正常运行和故障的情况下可能产生的电火花和热效应分别低于爆炸性危险气体的最小点燃能量和自燃温度。本安技术具有安全可靠性高。适用范围广，可带电维护等优点，基于这些优点，井下分站采用了本质安全型的防爆型式。在设计本安电路和评定电路本安性能时，考虑了最小点燃曲线，电流／电压安全系数等因素。
3．2．1 安全系数计算
    安全系数是指最小点燃电流(或电压或能量)与本安电路的电流(或电压或能量)相比的倍数。即：
    
    例如：本安型分站中最大陶瓷电容为10 μF。图6为I类电气设备的电容性电路的最小点燃电压曲线。因此，可得：当电阻值为零时，10 μF 对应的最小点燃电压为28 V(即图6中A点的横坐标)，电路供电电压为5 V，因此其安全系数最小为：
   

    计算得到的安全系数5．6大于国标规定的ib级安全系数1．5(ib级安全系数是指正常工作和施加产生最不利条件的非计数故障时，安全系统最低为1．5)。
3．2．2 本安系统设计要求
    产量监测装置经过国家防爆检验机构特定的电路分析测试认证后，得到本安型分站的本安参数为：Ui=5．8 V，Ii=1．4 A，Li=O，Ci= 40μF。传输接口的本安参数为：Uo=5．8 V，Io=165．0 mA，Lo=20 mH，Co=94 μF(如图7所示)。本安分站和传输接口之间的传输电缆分布参数为R≤45Ω／km，C≤0．06 μF／km，L≤0．8 mH／km。装置中传输电缆最长能达到20 km。所以电缆最大允许分布电容Cc=1．2 μF，电缆最大允许分布电感Lc=16 mH。符合本安防爆性能要求的Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc的要求。

3．3 隔爆技术
    隔爆外壳的作用是在内部气体爆炸时能够将能量限制在内部，而不传递到壳体外部。所以型式检验时对隔爆箱的结合面有严格的要求。该装置中的隔爆兼本安型电源箱采用的是孔位于外壳的外侧的样式，如图8所示，图8中a为孔与外壳的内侧之间的距离；b为防爆接合面的宽度。按照GB3836．2中的规定，应符合当b<12．55 mm时，a≥6 mm；当12．5 mm≤b≤25 mm时，a≥8 mm；当b≥25 mm时，a≥9 mm的要求。在实际应用中，采用b=25 mm，a=11 mm符合要求，通过内部点燃不传爆试验检验。

4 结束语
    煤炭产量监测装置将相关信号采集、远程传输以及防爆技术应用到电路和外壳设计当中。经过国家安全生产检验中心的检验，在实现煤炭产量监测性能的同时能够有效防爆。该装置具有安全可靠，性能稳定等优点，在实际应用中，有效提高了煤炭监管人员的工作效率。