矿用隔爆兼本质安全型

矿用隔爆兼本质安全型（精选7篇）

矿用隔爆兼本质安全型 篇1

矿用隔爆兼本质安全型动力中心由天地 (常州) 自动化股份有限公司研制推出, 为移动式成套设备, 由矿用隔爆型高压真空开关、矿用多绕组干式变压器和多电压多回路矿用隔爆兼本质安全型组合开关等组合而成。该动力中心适用于含有甲烷混合气体、具有煤尘爆炸危险的煤矿井下, 可向综采工作面各采、运、支设备供、变电, 满足采煤工作面多电压的供电需要, 一次电压为6、10kV, 二次电压为3.45、1.2、0.693kV, 并提供完善可靠的控制与保护。

该动力中心具有以下特点: (1) 多电压、多回路、大容量、结构紧凑、高产高效; (2) 以工业计算机为控制核心, 具有短路、过流、断相、漏电闭锁、漏电、过压、欠压、电动机热敏、超温保护、双屏蔽电缆绝缘监视等各种保护功能; (3) 全中文液晶显示系统, 具有在线检测、实时监控、自诊断、互诊断、故障查询、记忆等功能; (4) 提供标准的Modbus、以太网协议通信功能, 为数字化矿山开采提供强有力的技术保障与支持。

矿用隔爆兼本质安全型 篇2

该产品采用先进的电力电子技术、热管散热技术实现煤矿井下电动机的重载启动、功率平衡、变频调速、 方向控制、软启软停、能量回馈等功能,可消除机械及电气冲击,延长设备使用寿命,达到节能降耗的效果。

该产品控制方式灵活,通信接口 丰富,自动调节 多台电动 机功率平 衡,是调速型 液力耦合 器、CST (Controlled Start Transmission,可控启动传输)等机械设备的理想替代产品,可实现节能运行,即根据实际负载情况,自动控制电动机的转速,降低电动机设备损耗,并且其结构简单,采用快开门结构,安装、检修、维护方便。

矿用隔爆兼本质安全型 篇3

1 隔爆兼本质安全型开关的工作原理

我国生产的真空矿用隔爆兼本质安全型开关是多种多样的, 根据其用途、使用场合及断开容量的不同, 分为断路器用、负荷开关用和接触器用开关等多种结构形式。真空开关无论采用哪种结构, 工作原理基本上都是一样的。主要由隔爆壳体、控制箱和主回路构成。主回路由进出线接线腔、隔离开关和真空接触器组成, 控制箱是组合开关的核心单元, 主要由主控板、保护板和控制电源系统组成。是针对煤矿井下大功率双速电机的启动运行和设备的顺序启动运行而设计研制的。组合开关主控板 (控制系统) 通过内部一个总执行控制器, 经过数据传输系统与每一个驱动装置通信, 执行控制器负责处理组合开关内部操作的所有启动、停止指令。

2 隔爆兼本质安全型开关的组成特点

真空开关可以控制的主要设备有采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机、乳化液泵、皮带运输机、喷雾泵、工作面及巷道照明等。真空开关的核心部件是真空灭弧室, 由动静触头、金属屏蔽罩、波文管和一个由陶瓷圆环构成的容器及其他零部件组成。屏蔽罩主要防止触头在燃弧过程中产生大量金属蒸汽和液滴喷溅;波纹管与动触头和密封容器法兰焊接, 保证在动触头做轴向运动时, 容器内的真空度不受影响。机构动作, 动触头分离, 在动触头间隙中形成有金属蒸汽的等离子体和其他带电粒子组成的真空电弧。这些金属蒸汽和带电粒子迅速向四周扩散, 被位于触头周围的金属屏蔽罩所凝聚, 电流过零时, 金属蒸汽减少最终触头间隙出现真空状态, 由于真空介质很高的绝缘强度, 触头之间的恢复电压已不再使间隙击穿, 电路就能可靠的分合了。组合开关外形结构如图1, 由主腔和接线腔组成, 其长方型箱体由优质钢板焊接而成, 由主腔和接线腔组成。主腔为平移式快开门结构, 主要有控制器件、保护组件等, 接线腔主要有电源、负载、照明、控制等接线端。

3 矿用真空起动器常见故障的分析

为解决煤矿下真空管损坏、烧坏电气设备这一问题。对对真空开关技术原理及常见故障进行分析, 应采取有效措施:一般是在负载端并联电容器, 从而降低截流过电压;在负载端并联电阻、电容过电压抑制器, 可以有效地降低过电压, 减少和阻止电弧重燃, 较好地保护电动机;在使用和维护中, 严禁甩掉阻容过压抑制器。要使真空开关安全可靠运行, 煤矿井下的供电网络采用中性点不接地系统, 通常使用真空起动器来控制较大电动机 (变压器) 的运行与停止。真空起动器的触头是在密封的真空腔内分、合电路的, 触头切断电流时, 仅有金属蒸汽离子形成的电弧, 而无气体的碰撞游离, 因金属蒸汽离子的扩散及再复合过程非常迅速, 从而能快速灭弧和恢复原来的真空度, 可经受多次分、合闸而不降低开断能力。

但在电路中由于真空起动器前后两侧均存在着电感、电容, 电感则为电机的等效电感和导体及变压器的等效电感;电容为导体对地及相间的等效电容、电机的等效电容等。因此真空起动器开断电机回路时产生截流过电压、多次重燃过电压及三相同时截流过电压等三种危害。

具体故障分析与排出方法如表1。

4 井下电气设备的使用、维修及注意事项

在维修、维护时, 严禁带电开上盖, 打开前门时必需将所有隔离换相开关手把放置在分断位置, 拆除本设备的防电板部, 将可能发生触电的危险, 需要拆除时必需本设备停电。维修时不得改变本安电路和与本安电路有关的元件的电气参数、规格、型号。在组合开关使用安装前, 应仔细阅读本使用说明书。组合开关 (尤其是贮存较长时间的起动器) 在使用前应:检查真空接触器的真空灭弧室是否完好, 有无损伤;检查各隔爆接合面有无锈蚀、损伤, 紧固件是否松动;检查导线连接处是否松动;检查有否存在其它不安全、不利运行的情况, 若发现问题, 应及时排除, 方能使用。若进行开关内部维修, 必须首先按下停止按钮, 然后将所有隔离换向开关倒向停止位置锁定并观察电源指示灯熄后, 方可开门, 再经验明确实停电后才可工作。建议每班工作前对组合开关进行一次全面检查, 并利用试验按钮试验保护功能是否正常。进出线电缆连接应牢固, 未使用的进出口应按规定封好, 各防爆面及前门锁扣机构应定期涂油防锈。

结束语

矿用隔爆兼本质安全型真空组合开关在正确操作过程中, 故障诊断的方法是多种多样的, 只要灵活处理, 往往能正确迅速有效地诊断出故障。保障设备正常运转。

摘要：本文通过矿用隔爆兼本质安全型真空起动器操作过程中, 经常会出现各种各样的故障。如果维修人员快速找到故障原因, 来准确排除故障, 对提高劳动生产率, 减少经济损失和保障安全生产都具有重大意义。

关键词：真空,开关,起动器,常见故障,分析

参考文献

[1]周凤鸣.抑制矿用真空起动器的操作过电压[J].电气时代, 1995, 3.

[2]谢书勇.真空断路器操作过电压的保护装置-阻容保护器[J].高压电器, 1997, 6.

矿用隔爆兼本质安全型 篇4

BPJ4/5矿用隔爆兼本质安全型交流变频器由煤炭科学研究总院常州自动化研究院研制推出, 是针对1 140 V电动机而开发的新一代矿用变频器, 核心部件为原装进口产品。该变频器采用矢量控制技术, 适用于交流50 Hz、电压1 140 V的供电系统, 对350 A及以下三相交流电动机进行调速控制, 能实现交流电动机各种负载情况下的平滑启动、停车、调速等功能, 彻底消除机械及电气冲击, 延长设备使用寿命。

矿用隔爆兼本质安全型 篇5

在煤矿巷道掘进中, 传统的矿用局部通风机不具备调速功能, 为了排放瓦斯或其他原因需要控制通风机风量时, 常采用扎风筒、遮挡局部通风机入口、断开风筒、接三通风筒等方法来调节进入工作巷道的风量[1], 其方法简单易行, 但都需要人工进行操作, 一旦操作不当则可能导致重大事故。随着科技进步, 近几年来矿用隔爆型变频调速装置也开始用于局部通风机的速度调节, 配合瓦斯浓度传感器, 可以安全快捷地进行自控排放瓦斯, 不过该类变频调速装置存在2点不足:第一是采用热管散热器, 由于是被动散热, 散热器体型大, 导致调速装置体型大, 不方便在巷道中安放布置;第二是变频器在对通风机的电动机进行速度调节时, 只是根据输出频率来调节转速, 并不知道局部通风机的实际输出风量。为此, 研制了煤矿风机用隔爆兼本质安全型变频控制装置, 其与局部通风机连接在一起, 并利用通风机风道内的巨大风量为风道式变频调速装置的散热器散热, 其结构紧凑, 同时该变频控制装置还可在线测量和显示通风机工作风量、风压、功率、效率等参数, 为瓦斯通风管理提供可靠数据。

1 变频控制装置的结构

煤矿风机用隔爆兼本质安全型变频控制装置由风道式隔爆变频调速装置、控制及显示装置和机壳组成, 安装在对旋式局部通风机的集流器及一级筒体之间, 见图1。

2) 控制及显示装置内安装有液晶显示面板、操作按钮、PLC、控制变压器、中间继电器等元器件。其中液晶显示面板和操作按钮共同完成人机信息交互功能;PLC是整台设备的核心控制器件, 负责运行操作程序, 读取瓦斯浓度传感器的信号, 并通过MODBUS总线与变频器进行通信, 控制变频器的输出频率。

3) 对旋式局部通风机则与普通风机完全一样, 只是在其集流器与一级筒体之间安装了隔爆变频调速装置。

2 变频控制装置的安装与布置

煤矿风机用隔爆兼本质安全型变频控制装置与对旋局部通风机安装在进风巷, 动力电源通过隔爆型真空磁力启动器接入风道式隔爆变频调速装置, 同时T1、T2、T3瓦斯浓度传感器的信号线缆接入控制及显示装置内。根据《煤矿安全规程》的相关规定, 高瓦斯矿井的掘进工作面可布置2台矿用智能局部通风机, 一备一用, 2台智能风机之间用通信线缆连接, 如果其中1台出现故障, 另1台可自动启动。其安装布置见图2。

3 变频控制装置的工作原理

如图2所示, T1、T2、T3为瓦斯浓度传感器, 分别检测掘进工作面、掘进出口、回风混合处的瓦斯浓度, 变频控制装置根据T1、T2、T3的瓦斯浓度值来自动调节通风机输出风量, 保证通风过程中巷道各个地点的瓦斯浓度不超过标准规定。

3.1 自控排放瓦斯功能

当T1、T2、T3中任意一个瓦斯浓度值超过允许值时, 变频控制装置进入自控排放瓦斯状态, 此时系统程序以T3的甲烷体积分数小于1.0%为判别条件, 当T3值增大, 输出频率减小时, 通风机输出风量也减小;当T3值减小, 输出频率增大时, 通风机风量增大。变频控制装置在30~50 Hz内连续调节输出频率, 进行最大效率安全排放瓦斯。当T1、T2、T3的甲烷体积分数降到允许值以内时, 延时10 min后, 系统完成排放瓦斯过程, 自动返回自控通风状态[2]。

3.2 自控通风功能

当T1、T2、T3的瓦斯浓度值都在允许值以内时, 变频控制装置进入自动通风状态。此时, 输出频率为30~50 Hz。调速装置输出频率由T1值决定, 在T1的甲烷体积分数小于1.0%条件下, 当T1值增大, 输出频率增大, 风机风量增大;当T1值减小, 输出频率减小, 风机风量减小, 频率在30~50 Hz连续可调, 实现节能通风。

3.3 在线测量风量功能

变频控制装置通过电动机功率来判断风机的风量和压力, 其工作原理如下[3]:

1) 预先测定通风机在各频率下的空气动力性能曲线, 见图3。

2) 将试验数据输入控制程序中, 在任意频率下的风机功率、风量、压力可以通过通风机相似原理算出。

3) 在已知频率下, 风机功率与风机风量、压力呈一一对应关系, 通过变频器可直接测得通风机的电动机功率, 由功率的对应关系可以得到通风机运行的实时风量、压力。

如果掘进巷道瓦斯浓度变化不大, 用户也可以根据需求通风量来指定风机运行风量, 变频控制装置通过风机功率来判断风机风量和压力, 自动调节输出频率, 使通风机始终在用户指定风量点运行, 以达到节能运行的目的。

3.4 其他功能

1) 主备通风机自动切换功能。

2) 温度保护功能。变频控制装置能对局部通风机的电动机绕组温度进行监控, 一旦发现温度超过保护限制, 则自动停机保护, 并切换到备用智能风机工作。

3) 风电闭锁功能, 瓦斯电闭锁功能。

4) 报警功能。当变频控制装置有故障出现时, 液晶显示屏的画面会自动弹出中文报警信息, 指出故障现象和处理方法。

5) 记忆功能。在自控排放瓦斯功能下, 变频控制装置能够循环保存最近10次的排放瓦斯过程, 并能查询起始时间、瓦斯浓度、排放瓦斯结束时间、运行最高频率、运行最低频率。

4 结语

煤矿风机用隔爆兼本质安全型变频控制装置, 在高瓦斯矿井能够根据掘进巷道内的瓦斯浓度值进行自控排放瓦斯、自控通风;在低瓦斯矿井可按需求风量进行定风量通风, 实现通风机的节能运行。该变频控制装置的研制成功为煤矿掘进巷道的通风及瓦斯排放提供了新装备、新工艺。

摘要：煤矿风机用隔爆兼本质安全型变频控制装置由风道式隔爆型变频调速装置、控制及显示装置和机壳组成, 其结构紧凑, 与矿用对旋式局部通风机连接安装成一体。该变频控制装置具有自控排放瓦斯和节能运行功能, 为矿井掘进巷道通风及瓦斯排放提供了新装备和新工艺。

关键词：瓦斯排放,按需通风,变频调速,局部通风机

参考文献

[1]郭团结, 谷艺星.浅谈独头巷道瓦斯排放方法、措施及注意事项[J].科技情报开发与经济, 2008 (3) .

[2]国家安全生产监督管理总局, 国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[S].北京:煤炭工业出版社, 2010.

矿用隔爆兼本质安全型 篇6

这些重组整合矿井煤炭资源比较分散, 地质构造相对复杂, 受技术条件和开采工艺的限制, 设备配套不成熟或不适应, 大部分采用简易机采或炮采的方式, 安全性差、生产效率低、资源浪费严重。大量的整合矿井由于缺乏相应的开采工艺和设备, 无法开展生产作业, 因此我公司开发研究了一种适合中小型矿井使用的短壁大采高电牵引采煤机。该采煤机体积小、结构紧凑、使用方便, 而且采高能达到5 m以上, 解决了生产的难题, 促进了煤炭生产安全高效顺利进行。

本文设计的电控系统采用三菱公司的FX2N-48MR、FX2N-4AD、FX2N-4AD-PT作为控制核心, 台达DOP-B系列触摸屏作为人机界面, 不仅具有极强的抗干扰能力, 还具有完善的保护功能及故障后快速排除的功能, 完全满足短壁大采高电牵引采煤机的工作需求。

1 电控系统的总体设计

1.1 功能特点

(1) 采用PLC与工业计算机控制系统, 工作性能稳定, 动作点精确, 全过程监控; (2) 屏幕显示界面, 实时显示机器工况; (3) 故障巡检程序, 便于现场的问题分析及维护; (4) 遥控技术应用, 实现了离机操作, 使采煤机操作更加安全可靠; (5) 主启动及牵引控制回路, 采用芯线控制; (6) 控制器具有过载、过流、温度、瓦斯等保护及开机预警功能; (7) 控制器具有压力、油温等检测显示, 联机网络通讯功能; (8) 通过控制器高度集成, 使得强电与弱电有效隔离, 提高控制系统的安全可靠性; (9) 牵引部采用1 140 V变频器进行直接驱动; (10) 操作方式有2种:近控和遥控。近控为在面板进行操作;遥控为利用遥控器进行离机操作, 保证了操作的灵活及操作者的人身安全。

1.2 控制要求及保护功能

1.2.1 恒功率控制

电机是采煤机的动力来源, 为了充分利用截割电机的功率, 同时也不使电机超载而损坏, 对截割电机设置了恒功率保护, 根据电机学P=1.732UIcos公式, 功率P正比于电流I, 所以采用电流互感器检测截割电机的单相电流, 就可知道电机的负荷情况, 电流互感器将检测到的电流值送入控制器中进行比较, 当电机超载 (P>120%Pe) 时, 控制器发出减速信号。采煤机自动降速运行, 直至退出超载区。

1.2.2 重载停机

重载停机功能是为了避免截割电机严重过载而损坏所设置的。当截割电机的负荷P>150%Pe时, 通过控制器的检测, 使截割电机接触器断电。

1.2.3 截割电机热保护

截割电机定子绕组内埋有Pt100热电阻, Pt100直接接入控制器中。当电机绕组温度达到135℃时, 牵引降速30%运行;达到155℃时, 通过控制器的检测, 使截割电机接触器断电。

1.2.4 牵引电机过流保护

采用一支电流互感器检测牵引电机的单相电流送至控制器中进行比较, 当电流的电机达到120%Ie时, 控制器发出减速信号, 采煤机牵引自动降速运行, 直到电机退出超载区。当牵引电机严重过载 (I>150%Ie) 时, 控制器输出控制信号, 采煤机停止牵引, 显示屏显示相应界面。

1.2.5 防滑保护

本控制系统除机械抱闸外, 增设制动电阻, 达到制动功能, 在倾斜角工作面上不出现下滑和飞车现象。

1.2.6 瓦斯传感器保护

本电气系统增设了瓦斯报警功能, 随机连续检测采煤机周围环境瓦斯, 当瓦斯浓度超过1.00%CH4时, 传感器立即发出声光报警信号, 当瓦斯浓度达到或超过1.5%CH4时, 控制器报警并且发出断电信号, 切断采煤机总电源。

1.2.7 液压系统保护

对液压系统的压力和温度进行检测, 当系统压力不在正常范围或超温时, 进行报警, 提醒操作者及时停机检修。

1.2.8 冷却水压力保护

压力达到额定值允许采煤机启动, 否则不能启动。

1.3 显示系统

为了在控制系统与操作、维护人员之间建立良好的人机界面, 系统内设计了触摸屏液晶显示系统。

(1) 系统状态显示:作为运行时的主界面, 实时显示截煤电机、牵引电机的电流、功率;截煤电机、制动电阻、电控箱、液压油的温度;采煤机的运行方向及速度。触摸屏通过与CPU交换数据, 来决定每个显示单元的状态。如图1所示。

(2) 故障状态显示:显示故障类型及故障参数。如电机超温温度、电机过载率、PLC模块电源故障、硬件故障、数据溢出等。

(3) 系统参数设定:在采煤机正常运行前进行系统参数设定, 如保护时间、保护值、PLC系统参数等, 并且可以开启或关闭部分保护功能。触摸屏通过PC/PPI电缆与CPU通讯, CPU在每个扫描期都要响应通讯请求处理, (下转第134页) 完成指定存储单元的读/写操作, 进行相应的输出控制。整定值参数如图2所示。

2 电控系统的软件设计

系统程序流程框图如图3所示。

为了实现采煤机的控制及保护功能, 电控系统程序设计涉及到以下几个方面:

(1) 程序具有控制PLC系统按预定方式运转、完成人机对话、远程控制等功能, 其主要任务是系统自检、初始化、条件触发响应等。

(2) 程序按作业顺序结构进行设计, 系统初始化后, 首先进行变频器充电延时。在延时期间, CPU完成漏电、水压、瓦斯等信号的循环检测, 以判断是否满足送电条件。在各项条件均满足后, 启动截割电机。截割电机启动后, CPU根据近控或遥控信号, 对变频器发出控制指令, 驱动行走电机进行相应的动作。在运行中实时监测电流、温度等各种传感器信号, 是否满足给定条件, 判别后作出报警或停机的处理。同时监测摇臂动作信号, 如截升、截降、截内、截外、铲升、铲降等动作信号, 驱动电磁阀进行相应的动作。

3 结语

该短壁电牵引采煤机由一个控制腔和一个接线腔组成。其控制部分与行走变频器设计为一个箱体, 减少了控制线与主回路频繁穿过墙体, 简化了接线, 也便于现场故障的排除。特别是选取了1 140 V变频器, 节省了一个1 140/380 V变压器及变压器腔体, 极大地缩小了采煤机的体积, 减少了故障点。这些改进为保障设备的连续正常运行, 提高工作效率, 起到了良好的作用。

电控系统采用模块化程序设计方法, 配合可靠的硬件电路, 对机组的各种控制操作灵活方便;对于运行中的各种故障进行提示, 极大了减少了排除故障的时间, 减轻了现场维护人员的压力。该电控系统已在晋煤集团金鼎公司第一代短壁电牵引采煤机上试验成功, 第二代机组正在组装。其运行结果表明:系统操作灵活、维护方便、性能稳定、工作可靠, 是短壁电牵引采煤机的最佳控制系统。

参考文献

[1]电牵引采煤机使用说明书 (电气部分) .上海天地

[2]MITSUBISHI.FX2N系列微型可编程控制器使用手册

矿用隔爆兼本质安全型 篇7

目前,随着信息化的发展,计算机广泛用于煤矿生产过程的数据采集、安全监控、数据分析、机械控制等。由于煤矿行业有别于其它行业,存在着作业环境复杂、危险性高、强度大等特点。因此,煤矿对各种通信设备的性能有进一步的要求。目前,用于井下的计算机采用键盘等输入设备与其直接相连,虽然键盘等做了防水、防爆、防尘处理,但是在传输过程中仍然会受到外界噪声的影响以及本身设备之间信号的参考点存在电势差容易形成“接地环路”,造成信号在传输过程中失真。同时由于输入设备与计算机直接相连,计算机为各种外设提供电源,由于主机所提供电源不是本质安全(以下简称本安)电源,所以,当主机开启时或在正常使用或出现故障时,容易产生的电火花或热效应的能量不能保证控制在小于0.28 mJ(即瓦斯体积分数为8.5%,最小点燃能量),这样就存在安全隐患。因此,要保证计算机稳定可靠安全运行,应在各个过程环路中使用信号隔离法,断开过程环路,独立供电,实现输入输出之间完全隔离,并保证高抗干扰性能。本文针对煤矿井下电气设备要求本质安全的特点,设计了一种用于本安键盘与矿用隔爆兼本安型计算机之间通信的信号隔离器。

1 信号隔离器总体结构

矿用隔爆兼本安型计算机信号隔离器主要包括输入设备接口、主机接口、USB信号隔离芯片、光电耦合器、本安电源等,如图1所示[1]。

信号由输入设备发出,通过信号隔离芯片进行信号控制,满足光电耦合器(6N137)信号工作要求,信号在光电耦合器中进行光电转换,由电信号转换成光信号然后再转换成电信号传送到主机。通过USB2.0通信协议,计算机在接收完信号后需要向输送方传回接收应答信号,所以本设计采用了2路转换电路设计,实现键盘到主机、主机到键盘的通信[2]。在通信过程中,输入设备(本安键盘)以及隔离器都是由本安电源进行供电。

2 信号隔离器硬件电路设计

矿用隔爆兼本安型计算机信号隔离器硬件电路主要包括3个部分:(1) 5 V电源转换电路;(2) 信号隔离芯片外围硬件电路;(3) 光耦隔离电路。

2.1 5 V电源转换电路设计

由于煤矿井下作业的特殊环境,对供电电源有着严格的要求。下位机通常情况下由本安电源供电,这种电源在正常的工作和故障状态下,其输出的最高电压、最大电流均具有本质安全的性能。在隔离器工作时采用的是5 V的本安电源,有时本安电源并不是5 V,因此,为了满足实际工作的需要,必须将本安电源的电压调控到5 V左右。5 V电源电压转换电路如图2所示。在该转换电路中使用MAX1659芯片作为核心控制芯片[3]。

MAX1659允许的输入端电压范围很宽:2.7～16.5 V。输出的方式有2种:一种是准输出5 V,一种是可变输出,范围为1.25～16 V。最大输出电流为350 mA时,芯片只消耗120 μA的电流。空负载时,只消耗30 μA电流。同时MAX1659具有过热保护、过流保护和反向电压保护功能。电压转换电路设计时把MAX1659输出控制引脚2与电源相连,也就是使其保持高电平,保证输出端不断输出5 V电源VCC2。

2.2 信号隔离电路设计

矿用隔爆兼本安型计算机信号隔离器采用信号隔离芯片CH315H控制上位机和下位机的传输信号。CH315H支持全速USB和低速USB传输,支持USB设备的动态插拔。信号隔离电路如图3所示。输入信号通过UD+、UD-进入隔离芯片。下位机隔离芯片由转换的本安电源供电,上位机隔离芯片由主机供电。发光二极管D1用于指示USB数据是否正常传输;电容C1、C3用于隔离芯片内部节点退耦,C2用于电源退耦[4]。

2.3 光耦电路设计

由于USB信号全速传输为12 Mbit/s,那么这就要考虑光耦的速度和速度对称性对信号迟滞和平衡的影响,因此,在选择光耦时采用传输速率大于10 Mbit/s的光耦,可以选择单通道6N137或者HCPL601高速光耦。高速光电耦合器6N137 由磷砷化镓发光二极管和光敏集成检测电路组成。通过光敏二极管接收信号并经内部高增益线性放大器把信号放大后,由集电极开路门输出。该光电器件具有10 Mbit/s的高速性能,因而在传输速度上完全能够满足隔离总线的要求[5]。图4为光电耦合器硬件设计电路。当6N137的3 管脚作为输入端,2管脚作为电源使能端时,这时会得到同相逻辑传输,同时在3管脚处接限流电阻R1,如果不加限流电阻或者电阻过小,6N137内部的发光二极管导通电流会对管脚2处的电源产生较大的冲击,尤其是数字波形较陡时,上升、下降沿的频谱很宽,会造成相当大的尖峰脉冲噪声[6]。在输出端由主机内部电源VCC1对其供电,在VCC1(脚8)和地(脚5)之间必须接一个高频特性良好的电容C1,如瓷介质或钽电容,而且应尽量放在脚5和脚8附近(不要超过1 cm)。这个电容不仅可以吸收电源线上的纹波,又可以减小光电隔离器接受端开关工作时对电源的冲击。脚7是使能端,当它在0～0.8 V时强制输出为高(开路)。脚6是集电极开路输出端,通常加上拉电阻R0,减少6N137的耗能,降低对电源的冲击。

3 结语

矿用本安型计算机信号隔离器具有良好的信号隔离功能,能够准确有效实时地传送键盘输入的数据,同时在矿井特殊复杂的工作环境中具有良好的抗干扰性能;可以自动识别USB全速(Full-Speed)或者低速(Low-Speed);具有自动检测传输状态的功能(通过发光二极管进行检测)。由于该隔离器将上位机与本安键盘供电分别隔离开,这样当上位机启动时,就不会对键盘产生回路冲击电流,有效地避免电火花的产生,有利于煤矿井下安全工作。同时键盘使用单独的本安电源供电,使电路在工作时产生的热能量减少,满足井下作业安全要求。

参考文献

[1]岳周,冯伟.新型信号隔离器和安全栅的特点及扩展应用[J].自动化仪表,2007(增刊1):40-42.

[2]刘荣.圈圈教你玩USB[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[3]罗强.基于单片机的嵌入式工程开发详解[M].北京:电子工业出版社,2009.

[4]张楠楠,尤一鸣.恶劣环境下的高性价比的数据采集系统[J].天津工业大学学报,2003,22(1):81-83.

[5]邵辉,舒嵘.光电隔离器6N137的特性和应用[J].电子技术,1996,23(2):38-39.