胡智芳

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 2.重慶安標(biāo)檢測(cè)研究院有限公司）

0 引言

由于我國(guó)煤炭經(jīng)濟(jì)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(shí)刻威脅著煤礦的生產(chǎn)安全，時(shí)刻威脅著礦井人員的生命及煤礦的財(cái)產(chǎn)安全，所以尋找一種能對(duì)瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)控，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警及控制對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有非常重要意義。甲烷斷電儀主機(jī)通過測(cè)量甲烷濃度、邏輯判斷和執(zhí)行輸出三個(gè)部分完成預(yù)定的報(bào)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(yùn)輸設(shè)備單軌吊車上的車載式甲烷斷電儀主機(jī)大部分存在檢測(cè)精度和可靠性不高的弱點(diǎn)；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(jī)采用的是電磁繼電器，在應(yīng)用中有明顯的延時(shí)長(zhǎng)、可靠性低的缺點(diǎn)，使得煤礦安全生產(chǎn)中瓦斯事故仍得不到保證。針對(duì)目前這種車載式甲烷斷電儀主機(jī)的測(cè)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?jī)?nèi)容：檢測(cè)甲烷濃度的檢測(cè)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(shí)現(xiàn)的主機(jī)；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(jì)甲烷濃度檢測(cè)、電源緩啟動(dòng)、交直流切換、斷電控制、聲報(bào)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(yàn)證明［2-4］，這款主機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完善功能需求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行；另外，外部電源和備用電源的切換供電，實(shí)現(xiàn)完成甲烷濃度的檢測(cè)、可靠的斷電控制以及聲光報(bào)警、可靠的通信、甲烷濃度上傳等功能。

1 甲烷斷電儀主機(jī)的工作原理

甲烷斷電儀主機(jī)通過數(shù)字485信號(hào)下發(fā)尋址采集和采集頻率信號(hào)兩種方式，信號(hào)送至甲烷斷電儀主機(jī)，由GD32F103c8t6芯片進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示甲烷傳感器檢測(cè)的甲烷濃度值濃度，通過預(yù)置主機(jī)的報(bào)警點(diǎn)和斷電點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)吸合，控制被控設(shè)備供電運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 甲烷斷電儀主機(jī)工作原理

2 斷電控制邏輯

當(dāng)監(jiān)測(cè)的甲烷濃度在（1.5～1.8）%CH4時(shí)，甲烷斷電儀主機(jī)應(yīng)及時(shí)報(bào)警，當(dāng)甲烷濃度≥1.8%CH4時(shí)，斷電儀主機(jī)及時(shí)切斷設(shè)備電源。單片機(jī)將接收到的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，換算為實(shí)際的甲烷濃度值，使得數(shù)據(jù)得到直觀的顯示。報(bào)警點(diǎn)、斷電點(diǎn)、復(fù)電點(diǎn)等功能由遙控器進(jìn)行設(shè)定并存儲(chǔ)，通過中間繼電器控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出控制電路的報(bào)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(dòng)電路（見圖2）向后級(jí)電路供電。

圖2 緩啟動(dòng)電路

當(dāng)甲烷斷電儀僅為直流供電時(shí)，GD32F103c8t6芯片判斷后觸發(fā)JL_CTL信號(hào)，Q2導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)直流供電，當(dāng)甲烷斷電儀切換為交流供電時(shí)，GD32F103c8t6芯片判斷后停止觸發(fā)JL_CTL信號(hào)，Q2關(guān)閉，Q1關(guān)閉，實(shí)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(hào)傳輸處理

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

頻率信號(hào)與甲烷濃度的轉(zhuǎn)換關(guān)系［9］為：

式中，G為檢測(cè)輸出信號(hào)Pi對(duì)應(yīng)的甲烷濃度值，%CH4；Gm為輸出電信號(hào)上限對(duì)應(yīng)的甲烷濃度值，%CH4；G0為輸出電信號(hào)下限對(duì)應(yīng)的甲烷濃度值，%CH4；Pi為檢測(cè)的輸入電信號(hào)，Hz；Pm為輸出電信號(hào)范圍上限標(biāo)稱值，Hz；P0為輸出電信號(hào)范圍下限標(biāo)稱值，Hz。

甲烷斷電儀主機(jī)采用兩路RS485半雙工的通訊方式進(jìn)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(jī)通訊。因甲烷斷電儀主機(jī)的供電為非安，所以需要將信號(hào)處理成本安，RS485 A／B信號(hào)線上設(shè)計(jì)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(jì)

為保證甲烷斷電儀主機(jī)外接的甲烷傳感器和聲光報(bào)警器的供電需求，采用兩路24V／550mA的本安電源模塊（見圖5）進(jìn)行供電。一路外接聲光報(bào)警器同時(shí)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(jí)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(jì)

由GD32F103c8t6芯片將實(shí)時(shí)采集到的甲烷濃度與設(shè)定的報(bào)警值、斷電值進(jìn)行比較，當(dāng)甲烷濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即從GD32F103c8t6芯片的IO口C_JDQ／L-DD輸出控制信號(hào)，使得Q10導(dǎo)通，控制繼電器動(dòng)作。電路中繼電器需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，第一安全設(shè)計(jì)，需在繼電器的控制端放置兩個(gè)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(gè)二極管作為整體進(jìn)行澆封（見圖6）。

圖6 斷電控制電路

7 軟件設(shè)計(jì)

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(gè)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(duì)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)確定傳感器狀態(tài)正常后，再進(jìn)入甲烷濃度及狀態(tài)監(jiān)控等工作。

8 甲烷斷電儀主機(jī)的檢測(cè)

評(píng)定甲烷斷電儀主機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，主要檢驗(yàn)跟蹤誤差、7天穩(wěn)定性、控制執(zhí)行時(shí)間這三個(gè)技術(shù)性指標(biāo)［10］。

跟蹤誤差是用濃度為（0.5、1.5、2.5）%CH4±0.1%CH4的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)氣體的差值，作為基本誤差。測(cè)試結(jié)束后用清潔空氣清洗3min，再進(jìn)行一次試驗(yàn)，24h后再按上述方法進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算跟蹤誤差值。

連續(xù)工作七天，每隔12h測(cè)試其功能，調(diào)整零點(diǎn)用0.5%CH4通（150mL／min），試驗(yàn)期間不得調(diào)整斷電儀主機(jī)。漂移量按下式計(jì)算：

式中，δ0為零點(diǎn)的漂移量；δ1.5為1.5%CH4甲烷濃度漂移量；D為標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度，%CH4；Di為實(shí)際測(cè)量次數(shù)的顯示值，%CH4；N為實(shí)際測(cè)量次數(shù)。

執(zhí)行控制時(shí)間檢測(cè)，主機(jī)需帶模擬負(fù)載，待送電穩(wěn)定運(yùn)行后，外接可調(diào)的電流、電壓、頻率等信號(hào)發(fā)生器，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到斷電時(shí)，記錄輸入信號(hào)與輸出點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間，連續(xù)測(cè)試三次，取最大值。

9 結(jié)束語(yǔ)

本主機(jī)按煤礦防爆安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過安標(biāo)認(rèn)證專業(yè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的礦用隔爆技術(shù)嚴(yán)格的檢驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)礦井安裝和使用過程中，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高技術(shù)要求，運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠。