陳敏

（重慶市科能高級技工學(xué)校，重慶 400037）

PLC技術(shù)煤礦井下應(yīng)用研究

陳敏

（重慶市科能高級技工學(xué)校，重慶 400037）

針對煤礦井下網(wǎng)線覆蓋范圍只有100m，光纖在井下焊接不安全等問題，研究電力線傳輸技術(shù)在煤礦井下使用的技術(shù)可行性以及安全可行性。設(shè)計(jì)了安全可靠的電力線傳輸技術(shù)。經(jīng)產(chǎn)品測試，綜合數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過處理后的電力線傳輸技術(shù)符合煤礦井下安全規(guī)程要求，網(wǎng)線覆蓋距離達(dá)到2km，可以取代光纖傳輸，杜絕了井下光纖焊接的安全性問題。

工業(yè)以太網(wǎng)；PLC；電力線載波；本質(zhì)安全；信號耦合

隨著國家對煤礦安全的日益重視以及煤礦綜合自動化程度的不斷提升，煤礦井下廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語音電話系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)等大量使用，煤礦井下通訊數(shù)據(jù)量越來越大。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)由于其帶寬高、光纖傳輸距離遠(yuǎn)以及環(huán)網(wǎng)冗余的保護(hù)機(jī)制等特點(diǎn)，可以滿足生產(chǎn)礦井的需要。

但是，由于工業(yè)以太網(wǎng)在高帶寬模式下，只有光纖傳輸與網(wǎng)線傳輸模式，該兩種模式存在一定的缺陷：光纖傳輸在煤礦掘進(jìn)巷道等需要移動通訊設(shè)備的地方溶解光纖非常不方便；網(wǎng)線傳輸距離只有100m左右。煤礦掘進(jìn)等地方需要隨時移動設(shè)備，并且需要傳輸工業(yè)視頻等高帶寬設(shè)備信息，工業(yè)以太網(wǎng)暫時無法滿足該功能的需求。而具有傳輸距離遠(yuǎn)、有一定網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬以及以電纜為傳輸介質(zhì)的PLC技術(shù)完全可以解決以上問題。

1 技術(shù)簡介

電力線通信（Power Line Communication，英文簡稱PLC）技術(shù)是指利用電力線通信數(shù)據(jù)和媒體信號的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻信號加載于電流，利用電源線進(jìn)行傳輸，接受信息的適配器再把高頻信號從電流中分離出來，信號經(jīng)過濾波處理，轉(zhuǎn)換為用戶需要的各種類型信號。

電力線通信技術(shù)具有的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要單獨(dú)鋪設(shè)通信電纜，只要設(shè)備具有交流電源就能把信號進(jìn)行傳輸；另外，電力線技術(shù)采用電纜傳輸，用戶維護(hù)方便，維護(hù)時不需要考慮光纖焊接時需要準(zhǔn)備的大量安全措施。

2 PLC在煤礦的運(yùn)用領(lǐng)域及可行性分析

由于PLC載波技術(shù)物理載體雖然為電力線，但是信號本質(zhì)上是基于電流傳輸，煤礦相關(guān)于瓦斯監(jiān)控等停電仍然需要運(yùn)行的系統(tǒng)是不能用PLC進(jìn)行傳輸，因此，PLC主要運(yùn)用于視頻信號傳輸以及非涉及到安全生產(chǎn)系統(tǒng)的信號傳輸。

PLC通信技術(shù)相當(dāng)成熟，但是該技術(shù)只考慮非爆炸性環(huán)境使用，在安全技術(shù)方面存在很多問題，不能簡單把該技術(shù)直接運(yùn)用于煤礦井下，需要對各種輸出信號進(jìn)行有效的安全處理措施。

3 相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)

PLC通信由于其技術(shù)的特殊性質(zhì)，在煤礦領(lǐng)域進(jìn)行使用需要做好幾方面的工作：第一，設(shè)備工作電源的安全性設(shè)計(jì)；第二，由于電源干擾大，需要進(jìn)行信號濾波處理。

為了確保技術(shù)的安全性，輸出信號必須進(jìn)行本質(zhì)安全處理。

（1）電源設(shè)計(jì)。PLC通信載波芯片目前都采用5V工作電源。RJ45網(wǎng)絡(luò)信號輸出為本質(zhì)安全型信號，根據(jù)煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)要求，工作電源必須設(shè)計(jì)過流過壓雙重保護(hù)。具體設(shè)計(jì)電路見電源設(shè)計(jì)圖1。采用晶閘管保護(hù)，保護(hù)電壓為5.6V，電源電路雙重過壓保護(hù)電路如圖1。

圖1 電源電路圖

（2）耦合信號濾波處理。輸出PLC信號為非本安信號，作為井下設(shè)備，非本安信號與本安信號和外殼之間需能承受3000VAC耐壓。選用變壓器進(jìn)行信號耦合，變壓器變比為1:1，原邊和副邊隔離耐壓為3750VAC。原邊增加C7、C8高耐壓電容將變壓器與工頻交流強(qiáng)電隔離，使通信電路能完全隔離電力網(wǎng)工頻信號。電路原理見PLC信號耦合電路圖2。

圖2 PLC信號耦合電路

選擇限流電阻為1MΩ，其功率：W=U2/ R=660×660÷(106+106)=0.2178W

最大功耗為：Wmax=W×1.7=0.2178×1.7=0.37W

設(shè)計(jì)電阻為1MΩ，功率為0.5W。

R7、R8為限流電阻，輸入電壓為660VAC。電流值I:I=U÷R=660÷2÷106=0.33mA

副邊設(shè)計(jì)RC濾波電路，增加共模抑制，查模抑制TVS。T2變比為1：1，T2副邊電流也為0.33mA，選擇副邊電阻為0.51Ω0.125W。

（3）技術(shù)安全性。PLC技術(shù)運(yùn)用于煤礦井下，輸出信號除了要滿足隔離耐壓要求，還需要滿足：第一，相關(guān)安全的PCB設(shè)計(jì)要求；第二，本安信號必須滿足本質(zhì)安全需求，相應(yīng)設(shè)計(jì)安全柵電路。

①PCB設(shè)計(jì)要求。PCB設(shè)計(jì)時，本安端子與非本安端子之間電氣間隙不小于50mm。當(dāng)電壓峰值為660V時，導(dǎo)電部件間的距離參考GB3836.4-2010中6.3節(jié)。

②信號隔離與安全柵電路。RJ45輸出為本安信號，輸出信號與設(shè)備外殼以及非本安端具有一定耐壓隔離。電路設(shè)計(jì)時采用網(wǎng)路數(shù)據(jù)變壓器，該變壓器采用雙鐵芯，設(shè)計(jì)接地線，原邊與副邊之間支持1500VAC隔離。

網(wǎng)絡(luò)RJ45信號輸出信號電壓為3.3VDC，安全柵電路設(shè)計(jì)2個雙向TVS，電壓為3.6VDC，保險(xiǎn)絲為0.2A2Ω。限流電阻選擇為2.2Ω，保護(hù)電壓為3.3V。由于電阻絲的熔斷具有一定時間時間，限流電阻需要在這個時間能保證正常工作，保護(hù)電流值ILIM：

選擇限流電阻功率為2W。安全柵電路圖如圖3所示。

圖3 安全柵電路圖

4 試驗(yàn)測試

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，煤礦井下產(chǎn)品必須滿足隔離耐壓測試。產(chǎn)品經(jīng)過測試，非本安端與外殼之間耐壓值為3082VAC,非本安端與本安端之間耐壓值為3107VAC，本安端與外殼之間耐壓值為1500VAC。

通過模擬現(xiàn)場進(jìn)行了傳輸距離與傳輸帶寬測試，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳輸距離與帶寬測試表

5 結(jié)語

通過對PLC技術(shù)耦合濾波的研究以及各種信號安全隔離的處理，實(shí)現(xiàn)了PLC技術(shù)在煤礦井下的使用。產(chǎn)品模擬現(xiàn)場進(jìn)行一系列測試得知，信號安全處理以后的PLC技術(shù)能在網(wǎng)絡(luò)帶寬為5.4Mbps情況下使用普通電纜為通訊載體，其傳輸距離可達(dá)到2km。

目前該技術(shù)產(chǎn)品正進(jìn)行安標(biāo)送檢工作中，經(jīng)過相應(yīng)的技術(shù)研究以及安全性研究，相信PLC技術(shù)在煤礦局部區(qū)域能代替光纜傳輸技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。

[1]國家煤礦安全監(jiān)察局. 煤礦安全規(guī)程[S]. 煤炭工業(yè)出版社，2009.

[2]王贊基，郭靜波. 電力線擴(kuò)頻載波通信技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2000(21).

[3]謝俐. 電力線載波數(shù)字通信技術(shù)研究與實(shí)踐[D]. 重慶大學(xué)，2009.

[4]李昌. 電力線載波通信的集群式防盜報(bào)警系統(tǒng)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008,(6).

[5]吳長康. 本質(zhì)安全型安全柵原理簡介[J]. 電工電氣，2009(12).

[6]國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB3836.4-2010.

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