本安电磁阀

本安电磁阀（精选7篇）

本安电磁阀 篇1

本起动器为一多功能起动器, 它除了具备过载、短路、断相、短闭和漏电闭锁等基本保护功能外还增加了逆相、电机过热、排气高温、环境高、低温、油细、油滤等保护功能。起动回路为本质安全型。本起动器采用了液晶汉字显示模块作为显示单元, 可对开关的各种运行状况及保护状态进行详尽的显示, 同时又增加了一块由LED发光块组成的显示板, 以对开关的各种运行状况及保护状态进行直观的显示;本起动器的所有电气相关参数均可在智能保护器上进行设置或修改。

1 功能简介

常规保护功能有过载、短路、断相和漏电闭锁保护, 与普通起动器相同, 这里不再介绍, 重点介绍特殊功能。

(1) 逆相保护、缺相保护保护功能:当相序接反时由智能保护器实现逆相保护, 断开起动回路, 不能开机, 同时显示屏显示逆相保护。调整相序后再通电直至相序正确时方可使用。当三相电源缺相时, 保护器亦能实现缺相保护。三相电压的取样由30VA的三相变压器将660V或1140V电压变换为40V~70V提供。逆相保护在开机前检测, 开机后不再检测。 (2) 将空压机的油细、油滤、电机高温、排气高温等保护接点接入本起动器的相应接点, 当上述保护动作时, 即可由本起动器实现上述保护并断电停机, 同时显示屏显示相应的保护状态。注意油细、油滤保护延时6s动作。电机高温、排气高温保护延时2s动作。 (3) 起动器的起动回路为本质安全电路, 具备远、近控制功能。远控时还具备控制电缆短路保护功能。 (4) 液晶汉字显示屏和附加的LED发光块显示板可对开关的所有状态用汉字进行显示。还可对各项参数时间进行设定。进入相应画面后, 即可用设置键对相应参数进行设置。 (5) 本起动器的前门上由左至右共有六个按钮, 依次为:起动 (近控) 、复位、功能、上升、下降和漏电试验。起动器右侧有一个与隔离换向开关手把闭锁的停止按钮。使用复位、功能、上升、下降四个按键即可实现各项参数的设置。 (6) 起动器的主回路出线引入装置为4个, 可引入电缆外径为φ42mm~φ51mm;主回路出线中型引入装置1个, 可引入电缆外径为φ20mm~φ25mm, 用于风机出线;控制线引入装置为5个, 引入电缆外径为φ1 2 m m~φ3 3 m m。

2 电路原理

(1) 该起动器主回路为常规电路, 无特殊之处, 二个九芯接线柱为控制功能接线端子。

(2) 合上起动器隔离开关手把送电, 单片机智能保护器通电工作, 系统首先检测三相电源的相序及缺相否, 相序不正确或缺相时, 智能保护器实现逆相保护, 不允许开机, 调整相序或用隔离换向开关换相。开机后不再检测相序。

(3) 智能保护器对负荷侧绝缘状况进行检测, 如果检测到发生漏电或接地故障时, 起动器实现漏电闭锁保护, 起动器不能起动, 液晶显示屏显示漏电保护状态, 相应的漏电闭锁故障灯亮。当负荷绝缘恢复到正常值后起动器自动退出漏电闭锁状态, 起动器允许起动。开机后不再检测绝缘。

本智能保护器对负荷侧绝缘电阻的闭锁值根据电源电压的高低自动调整, 无需进行人工转换。660V时为22K、1140V时为40K。

(4) 智能保护器对环境温度进行检测, 当检测到环境温度高于或低于用户设置的高、低温动作值时, 系统实现温度保护, 起动器不能起动。

(5) 智能保护器对油细、油滤、排气高温和电机高温四路进行检测, 当任一路处于保护状态时, 系统即实现相应的保护, 起动器不能起动。开机后出现上述故障时, 系统亦实现相应的保护, 起动器停机。

(6) 本起动器的起动回路为本安先导电路, 其本安工作电源由BK3本安电源变压器输出AC24V本安电源提供。只有当上述保护功能均处于正常状态时, 本安起动回路才能接通电源实现起动。

(7) 起动时, 按下前门上的起动按钮 (远控时则使用远控起动按钮) , 本安先导回路通电起动, 1ZJ吸合, 1ZJ1接通2ZJ继电器电源, 2ZJ吸合, 2ZJ2、2ZJ3首先切断漏电检测回路, 2ZJ1接通真空接触器CJZ线圈的电源, 起动器吸合接通负荷电源, 其辅助触点CJZ4闭合实现自保, CJZ2、CJZ3断开漏电检测电路, 液晶显示屏显示开机状态画面, 运行灯亮。

(8) 停机时, 按下起动器的停止按钮, 先导回路电源断电, 1ZJ释放, 2ZJ随之释放, 真空接触器CJZ断开, 实现停机, 漏电检测回路接通。

(9) 起动器开机后, 智能保护器对负载进行过载、短路、断相及相电流不平衡状态进行保护, 系统连续地对上述状态进行检测, 当出现过载、短路、断相及相电流不平衡时, 智能保护器进行相应的保护停机, 并在显示屏显示相应保护, 保护特性完全按照国家标准设计。

需注意的是智能保护器对过载、短路、断相及相电流不平衡保护的实现是以用户设置的主回路电流值和风机电流值为依据计算的, 所以用户对上述两个电流值的设置务必要准确。

除短路保护外, 其余所有保护动作后, 均可在3min内自动复位。

3 参数的设置

本单片机智能保护器应用户的要求, 可设置参数相当多, 使用前必须对这些参数进行设置, 否则可能不能正常工作。

4 使用、及注意事项

(1) 使用前必须首先根据现场的电源电压设定好起动器的工作电压。

电源电压的设置需要人工设置的只有一处:即控制变压器的电源端, 由一个660V←→1140V切换开关来选择合适的电源电压, 注意出厂时均位于1140V位置。然后进入软件电源电压等级设置, 以确定电压参数, 其余均已实现智能化, 无需人工干预。 (2) 起动器通电后, 首先要检查液晶显示屏的显示状态, 如各项保护功能正常时应显示停机画面;如三相电源的相序不正确时, 将显示逆相保护, 起动器不能起动, 应改变三相电源的相序。 (3) 根据负载空压机电动机的额定电流, 设定好主回路的工作电流值, 以确保在出现故障时能及时执行保护。主回路电流的设定范围为20A~200A。 (4) 对小风机的额定工作电流进行设置, 可根据风机的额定电流值来设置风机的电流值, 风机电流的设定范围为0.1A~9.9A。 (5) 起动器显示正常时, 可先将远、近控开关置于近控位置, 然后用前门上的起动按钮对起动器试运行, 并观察熟悉显示屏的各个画面。起动器出厂时均置于近控位置, 以便用户检测。 (6) 起动器前门上设有一个漏电试验按钮, 在停机状态时可模拟漏电试验, 以检测起动器的漏电闭锁功能。开机后请不要再进行试验。 (7) 本起动器还设有强制运行功能, 用户进入专用模式后, 在强制启动设置项设定为采用强制启动, 然后确认后退出, 即可实现在故障情况下带病强制开机运行。此时保护功能不投入。

此功能带有一定的风险性, 在强制运行过程中, 用户一定要随时注意设备的运行状态, 发现问题立即停机, 以免发生危险, 运行结束后务必要关闭强制启动功能

本起动器对开关的各种运行状态及故障状态均有相应的汉字提示, 用户亦可根据显示的信息对起动器进行维修与检查。

本安电磁阀 篇2

在煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱中,非本安电路和本安电路并存。为了防止非本安电路的能量窜入本安电路,需要在本安电路和非本安电路之间进行合适的结构布置,并采取电气隔离措施[1]。其中结构布置应保证本安电路与非本安电路有适当的安全距离;电气隔离措施是指在本安电路和非本安电路之间放置隔离电路,防止危险能量窜入本安电路,以保证本安电路的防爆性[2]。本文按照GB3836.4—2010《由本质安全型“i”保护的电气设备》对煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱中本安电路的结构和电气要求,介绍本安电路的结构布置及电气隔离方法,针对采掘设备上通信、监控、传感等电子设备输出的各种本安信号,在电气控制箱中设计对应的本安非本安隔离电路(如通信隔离电路、模拟量隔离电路、开关量隔离电路),以实现本安电路与非本安电路的可靠电气隔离,确保本安电路的防爆性能。

1 结构布置

煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱的防爆性能不仅取决于电路的电气参数,还依赖于电路的结构布置[3]。合适的结构布置可防止由非本安电路与本安电路混触、漏电、击穿等原因造成的非本安电路危险能量窜入本安电路的问题,避免破坏本安电路的防爆性能[4]。

1.1 电气间隙和爬电距离

煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱中印刷电路板、元件出线脚、继电器触点及接线部位、插接件、内部接线端子等的本安电路与非本安电路裸露导体之间的电气间隙和爬电距离须大于GB3836.4—2010中表5的规定值。当导体和元件容易发生移动时,应适当加大移动部位的电气间隙和爬电距离。对于本安电路裸露导体与地之间及本安电路裸露导体之间的电气间隙和爬电距离,若击穿后影响本安性能,也须大于GB3836.4—2010中表5的规定值。若裸露导体部位胶封或印刷电路板涂2遍以上绝缘漆,则电气间隙和爬电距离可缩小为规定值的1/3。按照GB3836.4—2010中表5的要求,设计的本安电路与非本安电路裸露导体之间的电气间隙应大于3 mm,爬电距离大于3 mm,在绝缘涂层下电气间隙和爬电距离为1 mm,本安电路与外壳的电气间隙大于3 mm。

1.2 绝缘及耐压

本安电路与外壳之间的绝缘应能承受500 V工频耐压,与非本安电路之间的绝缘应能承受1 500 V工频耐压;本安电源输入、输出之间的绝缘应能承受2 500 V工频耐压。工频耐压试验历时1 min,无击穿、无闪络现象。

1.3 接线端子

煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱的本安电路外接端子应设在单独接线腔内。若不能满足这一要求,则本安电路外接端子可以与非本安电路外接端子设在同一接线腔内,但是非本安电路外接端子裸露带电部位外缘与本安电路外接端子裸露带电部位外缘之间的距离应大于50 mm。若不能保证50 mm的距离,需用接地金属板或绝缘隔板将本安电路外接端子和非本安电路外接端子隔开。隔板应安装牢固,嵌入深度大于1.5 mm,且隔板应高出接线端子,隔板顶部边缘至两侧接线端子的距离之和大于50 mm。本安电路接线端子旁应设“本安端子”字样或“ib”标记。

1.4 本安布线

本安电路使用的导线绝缘应能承受500 V工频耐压,且导线为蓝色,并与非本安电路的导线单独捆扎,分开布置。本安电路接插件中的插头、插座应分开布置,并应有防误插措施,本安插件为蓝色。

1.5 电源变压器

给本安电路直接供电的电源变压器输入绕组应设有短路保护[5],变压器上本安电路的接线端子与其它非本安电路的接线端子应布置在两侧,并能承受输出绕组的短路电流,在热保护器动作之前不应超过绝缘等级的允许温度,且不应损坏。此外,本安电路供电绕组与其它绕组应分开布置,并在两种绕组中间采用铜质材料接地屏蔽,变压器铁芯接地。

1.6 本安隔离栅印制板

隔离栅的印制板设计及电路板工艺处理要充分考虑绝缘强度及本安电路的耐压要求。印制板导电铜箔之间、元器件导电部位和焊点之间的爬电距离应大于1 mm,电气间隙大于3 mm,元件焊好后正反两面刷2遍绝缘清漆并烤干。

2 电气隔离

电气隔离措施用于将本安电路和非本安电路可靠分离,防止非本安电路的能量或其它能量窜到本安电路而影响本安电路的性能[6]。采用光电耦合器隔离本安电路和非本安电路的方法简单可靠,同时可减少许多防爆性能试验。因此,在条件允许的情况下,应尽量采用光电耦合器对本安电路和非本安电路进行隔离。采掘设备上传感器和仪表输出的开关、电压、电流、电阻、通信等本安信号需经本安隔离后才能输入非本安电路。以下为在煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱设计中采用的本安非本安隔离电路。

2.1 RS485通信隔离电路

图1为RS485通信隔离电路。A2、B2为本安端,A1、B1为非本安端,R1、R6为限流电阻,R2、R4为上拉电阻,R3、R5为下拉电阻,V1为本安电源,V2为非本安电源,D1、D2为反向二极管。该电路可实现本安电路与非本安电路的通信隔离。

2.2 模拟量隔离电路

图2为模拟量隔离电路。Vi为 0～10 V输入电压或0～20 mA输入电流,Vo为0～10 V输出电压,R1、R2为取样电阻,R5为限流电阻,V1为本安电源,V2为非本安电源,IC1、IC4为运算放大器,IC2、IC3为光耦。由于IC1、IC2之间存在传输时延,IC1和R4组成的负反馈电路显得滞后,容易引起自激振荡,可采用电容C1消除自激振荡。IC2、IC3初级串联,共用同一激励电流,IC4和R7、R8组成输出级,以提高模拟量隔离器的输出能力。通过调节电阻R8,使输出电压Vo随输入电压Vi线性改变。

2.3 压频变换电路

图3为压频变换电路。该电路将本安输入信号隔离为非本安频率信号,输入到电气控制箱内的非本安电路。Vi为 0～10 V输入电压,fo为输出频率,R1、C1组成低通滤波电路,V1为本安电源,V2为非本安电源,在R2、R3、C3、Vi不变的情况下,通过调节R6改变fo。

2.4 电阻信号隔离电路

图4为电阻信号隔离电路。Ri为本安设备输出的0～500 Ω可变电阻信号,V1为本安电源,Vi为 0～10 V输出电压,V/V为模拟量隔离电路,V/f为压频变换电路。电阻信号通过恒流源电路转换为0～10 V电压,经模拟量隔离电路或压频变换电路输入非本安电路。

2.5 开关量隔离电路

图5为开关量隔离电路。R1、R2为限流电阻,V1为本安电源,V2为非本安电源,IC1为光耦4N35,用于隔离输入节点信号。

2.6 继电器隔离电路

继电器在控制中可用于隔离本安电路和非本安电路。若继电器线圈回路为本安电路,而继电器常开或常闭触点控制回路为非本安电路,则继电器触点控制回路的电压、电流、容量应分别小于250 V、5 A和100 VA。若超限则须用绝缘板或接地金属板隔离,以防止继电器触点动作引起空气电离,从而影响本安性能。

3 应用

中煤科工集团太原研究院研制的采掘设备上布置有多个本安设备,如传感器、语音报警器等。采掘设备本安系统如图6所示。

图6中,各个本安设备输出标准电压信号、电流信号、RS485通信信号、电阻信号以及节点信号,由本安电缆传输到隔爆兼本安型电气控制箱接线腔内的接线端子,并通过本安穿腔端子进入到电气控制箱主腔内的本安非本安隔离栅进行隔离,然后输入到非本安电路。电气控制箱中的本安电源为多个本安设备供电。

4 结语

煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱的本安设计符合GB3836.4—2010的要求,并通过了国家安全生产矿用设备检测检验中心的本安试验。该隔爆兼本安型电气控制箱与各个本安设备构成的本安系统已在煤矿井下采掘设备上使用。现场应用结果表明,该系统安全可靠,维护简便。

摘要：针对煤矿井下采掘设备防爆兼本安型电气控制箱内本安电路与非本安电路并存、非本安电路的能量可能会窜入本安电路而影响本安电路防爆及本安性能的问题,从结构设计和电气隔离两方面介绍了煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱的本安设计方法,给出了电气间隙、爬电距离、绝缘及耐压、接线端子、本安布线、电源变压器、本安隔离栅印制板等结构布置方法以及RS485通信隔离电路、模拟量隔离电路、压频变换电路、电阻信号隔离电路、开关量隔离电路、继电器隔离电路等电气隔离措施。应用表明,采用该方法设计的煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱安全可靠,维护简便,能够满足煤矿井下的防爆要求。

关键词：采掘设备,隔爆兼本安型,电气控制箱,本安设计,结构布置,电气隔离

参考文献

[1]吴长康.本安电路设计方法的探讨[J].电气制造,2009(10):53-56.

[2]徐建平.“防爆安全技术”讲座第9讲本安仪表的结构设计[J].自动化仪表,2008(11):73-77.

[3]孙海燕.矿用软起动器隔爆结构和本安电路设计[D].重庆:重庆大学,2006.

[4]中国电器工业协会.GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备[S].2010.

[5]冯小龙,王鸿渐,张兴华,等.基于LM723的煤矿工作面本安电源的设计及实现[J].煤炭工程,2008(12):18-19.

浅谈本安仪表系统的设计 篇3

关键词：本安防爆,本安仪表,安全栅,参量认证,设计,选型,回路电阻,配线

0 引言

在炼油、化工、石化等行业,经常具有爆炸危险性环境,其生产过程的测量与控制设备必须采取合适的防爆措施。自控仪表设备采用的防爆技术主要有:本安(Exi)、隔爆(Exd)、增安(Exe)、正压(Exp)、浇封(Exm)型等。在众多的防爆技术中,本安防爆技术具有成本低、体积小、重量轻、允许在线测试和带电维护等优点,它是目前唯一适用于0区的技术,因而广泛地应用于过程控制领域。由于本安防爆实质上是系统防爆,其防爆性能不仅与现场本安仪表有关,还与关联设备(安全栅)有关,而且也与系统的电气连接有关。为此,本文结合笔者多年工程设计的经验,就本安仪表系统的设计进行概要介绍。

1 本安仪表系统的构成

本安仪表系统由本安仪表、安全栅及二者之间的连接电缆组成,如图1所示。

2.1 本安仪表

在国家标准所规定的正常工作和故障条件下,产生的任何电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电气仪表。这类仪表需要国家指定的权威机构进行认证,才可以应用在爆炸危险场所。典型产品有变送器、电磁阀、转换器、接近开关等。

除此之外,既不会产生、也不会存储超过1.2V,0.1A,25mW和20μJ的电气仪表认定为简单仪表。这类仪表不需要认证,只要与合格的安全栅配合,就可以应用在爆炸危险场所。主要包括简单触点、热电偶、RTD、LED和电阻性元件等。

2.2 安全栅

安全栅作为本安仪表的关联设备,安装在安全场所,连接本安仪表与非本安仪表,限制到达危险场所中本安仪表的能量在安全值之内。它是本安防爆系统的重要设备,必需经过强制检定合格,方能使用。

2.3 连接电缆

连接电缆存在分布电容和分布电感,在正常的信号传输过程贮存的能量,或受到外界电磁干扰及与其他回路混触产生感应电动势,必对本安系统的防爆性能造成影响。因此,本安系统的连接电缆的分布电容和分布电感必须加以限制。

3 安全栅简介

在本安仪表系统中,安全栅起到限制流入到现场仪表的能量的作用,是系统设计和使用中的关键设备。常用的安全栅主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两种。图2、图3所示分别为基本的齐纳式安全栅和隔离式安全栅原理图。

3.1 齐纳式安全栅

采用在电气回路中串联快速熔断丝、限流电阻和并联限压齐纳二极管实现能量的限制,并通过可靠接地来保证危险区仪表的安全性能。

由于齐纳式安全栅采用器件非常少、体积小、价格低,曾有过广泛应用。但正是因为它的简单,自身原理上存在不少的缺陷:

(1)必须要有专门的本安接地系统,且接地电阻严格要求≤1Ψ;

(2)对供电电源要求高,电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏,从而引起信号的误差,严重时会使快速保险丝烧断而永久损坏(可更换保险丝型除外);

(3)信号有严格的极性要求,根据不同的应用,分别选用正极性、负极性、交流极性;

(4)现场本安仪表必须为隔离型的,非隔离型的仪表不能采用;

(5)信号的一极要接至本安地,大大降低仪表系统抗干扰能力,影响系统的可靠性。

因此,齐纳式安全栅应用范围受到较大的限制特别是DCS广泛使用以后,对仪表信号的隔离要求较高,这类安全栅使用的越来越少。

3.2 隔离式安全栅

隔离式安全栅是通过隔离、限压、限流等措施来限制流入危险场所的能量,从而保证本质安全性能主要由回路限能单元、信号、电源隔离单元和信号处理单元组成。

隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比,虽然线路复杂,价格较高,但它许多优点:

(1)现场回路信号和安全区回路信号有效隔离,隔离式本安仪表系统不需要专门的本安接地,工程施工方便;

(2)输入、输出、电源三隔离型,大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力,提高系统可靠性;

(3)现场仪表信号回路可以接地,也可以是非隔离型的,应用范围广;

(4)保护功能完善,意外损坏的可能性较小,允许现场仪表带电检修,这样可缩短工程开车准备时间和减少停车时间;

(5)有较强的信号处理能力,不同类型的输入可以变换成统一的标准信号输出,给现场仪表和控制系统的应用提供了更大的方便;

(6)能扩大检测和控制回路的带负载能力。

(7)可选用一进多出的安全栅,灵活的把信号送至互相独立的多个系统,避免系统之间互相影响。

(8)供电方式灵活,可以选用回路供电,也可以选用外供电,满足不同用户需要。

鉴于以上特点,目前工程设计中越来越多地选用隔离式安全栅。

4 本安系统工程设计

本安防爆是系统防爆。以前我国的本安仪表与安全栅是采用“系统认证”的方式来规定其使用,未经过系统认证的本安仪表与安全栅不允许配套使用。自从2001年6月实施GB3836.4-2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“i”》以后,已经采纳了“参量认证”方式,使得安全栅的选择范围更广,应用更加灵活。为保证设备的安全正常使用,本安系统的本安仪表、安全栅、连接电缆的参数必须满足以下条件:

其中:Uo、Io、Po、Co、Lo分别为安全栅的最大输出电压、最大输出电流、最大输出功率、最大外部电容、最大外部电感

Ui、Ii、Pi、Ci、Li分别为本安仪表的最大输出电压、最大输出电流、最大输出功率、最大外部电容、最大外部电感

Cc、Lc分别为连接电缆的最大允许电容、最大允许电感。

4.1 现场本安仪表选型

现场仪表防爆系统类型设计主要是按照爆炸危险分区、爆炸性气体混合物的分级分组、仪表控制系统信号隔离要求、系统投资等方面进行。

工程设计中,一般由工艺、电气专业根据设备管道布置、工艺操作特点等把爆炸危险区域划分为0区、1区、2区。自控专业根据爆炸危险分区及生产过程中可能产生的爆炸性气体混合物的分级、分组情况,按照GB50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》规定,选择合适的防爆仪表类型:

1区:本安ia、ib型(Ex ia,Ex ib)、隔爆型(Ex d)、正压型(Ex p);

2区:可用于1区的类型、增安型(Ex e)

从上可以看出,本安仪表的适用范围广,在爆炸危险0区,只有本安ia型可以使用。而且,有的仪表其隔爆型产品的防爆级别达不到要求,只能选用本安型产品。

通常,选用本安仪表的选型要注意以下问题:

(1)所选仪表是否按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求设计,并已被国家防爆检验机构认可;通常防爆仪表的认证机构是国家仪器仪表防爆监督检验站NEPSI。

(2)防爆标志规定的等级是否适用于所在危险场所的安全要求;

(3)本安电路是否接地或接地部分的本安电路是否与安全栅接口部分的电路加以有效隔离;

(4)信号传输是以何种方式进行;

(5)明确Ui、Ii、Pi、Ci、和Li参数;

(6)本安仪表的最低工作电压及回路正常工作电流。

值得一提的是,并非要不加区别的全部采用本安仪表系统。从现场仪表安装、维护和投资的角度考虑,采用本安仪表确有优势,但绝大多数工业现场的危险区域划分为1区或2区,应考虑整体仪表系统的性能和投资。比如,大部分电子仪表如变送器、流量计的本安型与隔爆型外壳实际上是一致的,其售价也相同,但本安型要增加安全栅,选用隔爆型仪表反而能节省投资。

即使在同一个装置内,考虑节省投资或是因为部分其它仪表无本安型产品,仪表系统常常采用混合防爆系统。如变送器采用本安型、热电阻热电偶采用隔爆型、电磁流量计隔爆浇注本安混合型,同样能满足规范要求。

4.2 安全栅的选用

(1)选用安全栅必须要遵守以下原则:

a.安全栅的防爆等级必须不低于现场本安仪表的防爆等级。

b.安全栅的本安端认证参数能够满足Uo≤Ui Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc的要求。

注意,安全栅的最大负载参数Co、Lo是其防爆级别对应的参数,当实际使用现场仪表的防爆级别较低时,安全栅的最大负载参数可以按照现场仪表的防爆级别来计算。

(2)应根据现场仪表的情况、检测控制系统的要求、投资情况、用户的维护能力等因素,确定选用隔离式安全栅还是齐纳式安全栅。

(3)按照DCS或二次仪表的要求,确定采用回路供电或是独立供电。

(4)选用隔离式安全栅时,处理后的模拟信号传输采用1~5V电压还是4~20mA电流、开关量信号是采用干接点还是有源接点等,以便于减少模块类型。

(5)选用齐纳式安全栅时,应根据控制室仪表的对现场的供电电压确定安全栅的最高工作电压,检查控制室仪表可能存在或产生的最高电压,确定安全栅最高允许电压。

(6)选用齐纳式安全栅,应根据现场仪表的信号、电源对地的极性,确定安全栅的极性;一般同一装置内尽量选用同极性或交流极性的安全栅,否则容易引起配电和接地的混乱。

(7)根据现场本安仪表的最低工作电压和回路正常工作电流,确定齐纳安全栅的端电阻及回路电阻。回路阻抗不匹配,可能导致回路不能正常工作,应引起重视。

a.安全栅端电阻:若端电阻较大,在现场仪表最大正常工作电流附近,可能由于压降太大,而使现场仪表供电不足,系统无法正常工作;但若端电阻较小,则安全栅Io较大,可能使Io≥Ii,从而不满足安全性能。

b.回路电阻:安全栅的两个端电阻之和Ri加上控制室仪表的转换电阻Rc。一般来说,控制室仪表转换电阻是固定的,只有通过选择安全栅的端电阻来实现阻抗匹配。

c.端电阻Ri的确定:Umax/Ii≤Ri+Rc≤(Us-Vmin)/Imax

Us:安全栅正常供电电压;

Umax:安全栅最高供电电压;

Vmin:现场仪表最小工作电压;

Imax:现场仪表最大工作电流。

如某变送器的最小工作电压为10.5V,最大工作电流为23mA,最大输入电流为100mA,二次仪表的转换电阻为250Ψ,安全栅的供电电压为24V,最高工作电压是26.4V则安全栅的端电阻必须满足:14Ψ≤Ri≤337Ψ。

(8)确定回路供电的二次仪表或DCS卡件没有限流电阻,若有则改选电子限流的产品,否则可能影响现场仪表的正常工作。

(9)避免安全栅的漏电流影响本安现场设备的正常工作,尽量选用齐纳电压接近最高工作电压的产品。

(10)一台安全栅连接一个检测点,避免一个安全栅串入两个回路,同样,也要避免一个检测回路涉及两台安全栅。

4.3 连接电缆

用于本安系统中连接本安现场设备与安全栅的连接电缆,其分布参数在一定程度上决定了本安系统的合理性及使用范围,按规范规定:

(1)连接电缆为铜芯绞线,且每根芯线的截面积不小于0.5mm2,导线绝缘的耐压强度应为2倍额定电压,最低为500V。

(2)连接电缆的长度的确定:

a.根据Cc≥Co-Ci和Lc≤Lo-Li计算电缆的最大外部分布参数

b.按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分别计算电缆长度,取两者中的小值作为实际配线长度L。(式中:Ck、Lk分别为电缆的单位长度电容、单位长度电感)。

按照设计规范,本安仪表系统的连接电缆宜采用本安电缆。这是因为非本安电缆的分布电感分布电容值较大的原因。只要非本安电缆能满足分布参数满足系统要求,同样是可以使用的。下表列出常用仪表电缆的典型分布参数,以备参考。

4.4 本安系统配线设计

本安系统配线相对于隔爆系统来说要求较低。规范对本安防爆系统的规定也不多,但配线是否规范,对防爆性能的影响不容忽视,主要注意如下:

(1)慎防本安回路与非本安回路混触。为此,本安回路与非本安回路不得共用一根电缆;本安电缆与非本安电缆不得共用一根保护管敷设;本安电缆与非本安电缆在同一个线槽内敷设时,中间应有金属隔板隔开;

(2)原则上本安电缆和非本安电缆不共用同一个现场接线盒。

(3)本安线路与非本安线路通过同一个控制柜与仪表线路连接时,本安电路采用专用的端子板,与其它电路之间的距离应大于50mm,必要时应采用绝缘隔板隔离。

(4)本安回路的连接电缆及其钢管、端子板应有蓝色标志或缠上蓝色胶带,以便识别。

(5)多个单元的本安回路采用同一根电缆时,应采用分组屏蔽的电缆,以防各单元之间的电磁干扰。

(6)桥架外的非铠装和无屏蔽电缆应穿镀锌钢管敷设,以防机械损伤,并减小电磁干扰。

(7)本安电缆屏蔽层应该在安全侧接地,严禁两侧同时接地。

5 结语

随着本安防爆技术在我国石油、化工等危险产业中的广泛应用,本安防爆系统已得到普遍重视。自控设计人员应该从爆炸危险性环境入手,了解现场的情况,严格按照有关规范的要求,认真选择好防爆仪表和安全栅,作好系统配线设计,以保证本安防爆系统正常工作,确保生产现场设备和人身安全。

参考文献

[1]徐建平.仪表本安防爆技术.机械工业出版社,2002,1.

[2]GB50058-1992.爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范.

推行本安管理 实现安全高效生产 篇4

煤炭生产作为在水、火、瓦斯、煤尘、顶板五大自然灾害集聚条件下的高危作业行业, 矿难成为我国安全生产的高频词。而神东为全国安全生产形势的转变做出了突出贡献。2005年突破亿吨大关, 百万吨死亡率0.0098, 是全国平均水平的1/280, 重点煤矿的1/82。此后, 曾三度实现产煤亿吨以上零死亡。2010年首次突破2亿吨, 百万吨死亡率0.0165。2005年至2010年, 我国煤炭生产平均百万吨死亡率为1.551, 美国平均为0.034, 而神东矿区仅为0.013。成绩的取得, 得益于本质安全管理体系的推广与实施。

一、神东推行本质安全管理体系的文化保障与物质基础

(一) 推行本质安全管理的文化保障

本质安全文化是神东第一企业文化, 是神东员工对安全工作集体形成的一种力量共识。关于“本质安全”, 是近年来安全生产管理下的一个崭新概念, 推行“本质安全”管理的关键首先在于安全理念的升华。传统的安全管理认为, 发生事故是必然的, 不发生事故是偶然的。而神东本安管理体系提出, “所有风险皆可控制, 所有意外皆可避免”, 同时形成了“党委抓督察宣教、行政抓全面管理、分管抓监督检查、总工抓技术管理、工会抓群网、团委抓青岗、纪检抓效能、妇联抓协管、员工互相监督”的“九位一体”安全文化管理体系, 自上而下突出加强整个企业的意识文化、行为文化和制度文化的建设, 为全面推选本质安全管理体系提供了有力的文化保障。

意识文化是提升神东企业员工安全思想境界的重要前提。意识文化主要包括安全第一的哲学观、珍惜生命的情感观、安全生产的效率观、综合效益的价值观、人机环境的系统观和本质安全的科学观。自觉培养“安全无小事, 小事当大事, 确保不出事”, “安全就是企业的第一效益、员工的第一福利、干部的第一责任”的安全意识, 真正促使员工从要我安全向我要安全主动转化。

行为文化是保证安全生产的关键环节。通过层层教育、日常教育、全员教育;重点培训、岗位培训、特殊培训;三不伤害、三违控制;严格检查、严格监督、严格纪律等等手段, 不断提高行为文化的执行力。

制度文化是安全管理机制的根本手段。以严肃的纪律、明确的责任和规范的管理为主线, 将加强人的管理贯穿企业文化建设的全过程, 强化无隐患管理技术理念、安全目标管理理念、安全系统工程理念和安全行为科学理念, 狠抓管理机制, 建立完善的安全责任考核体系, 真正做到凡事有章可循、有人管理、有人监督、有人考核、有奖有罚。

(二) 推行本质安全管理的物质保障

神东公司实现煤矿群体的本质安全具备了基本的物质条件。第一, 实现了采掘工作面生产集中化、矿井建设大型化、主运输系统胶带化、井巷支护锚喷化和安全监测监控自动化的高产、高效、高安全新型现代化矿井。第二, 通过不间断的安全投入和不间断的矿井改造, 使得矿井设计更加优化、井下系统更加完善、生产布局更加合理、生产装备更加先进。第三, 多年来安全质量标准化建设的不断深入和广泛开展, 筑实了安全基础, 涌现了一大批标准化样板矿井。第四、积极推进科技创新, 大力实施科技兴安, 使安全生产信息化、自动化管理水平得到不断提升。第五、具有神华特色的风险预警预防预控系统的建立, 初步形成了与一流的装备技术水平相匹配的抗灾减灾能力。

总体上看, 神东公司本质安全化具有四个基本特征:一是人的安全可靠性。要求安全的个体不论在何种作业环境和条件下, 都能够按规程操作, 杜绝“三违”, 实现个体安全。二是设备的安全可靠性。即确保设备不论在动态过程中, 还是静态过程中, 始终处在能够安全运行的状态。三是系统的安全可靠性。力求在日常的安全生产和管理中, 不因人的不安全行为或机器设备的不安全状态而发生重大事故, 形成人机互补、人机制约的安全系统。四是管理科学的安全可靠性。规范制度体系, 杜绝管理失误, 努力实现企业安全管理零缺陷, 工程质量零次品, 机电设备零故障, 标准工作零差距, 现场生产零隐患, 检查监管零死角, 员工作业零“三违”, 最终达到零死亡, 零创伤。形成无灾可救、无险可抢、无事故发生的安全格局。

二、推行本安体系, 实现安全高效生产的方法与手段

(一) 坚持安全生产高于一切, 把“零伤害”作为最重要的工作目标

神东作为特大型中央煤炭企业, 坚持把“安全第一、预防为主、综合治理”的方针贯彻到煤矿建设、生产、运营的全过程, 坚持把安全生产摆在“高于一切、重于一切、先于一切、影响一切”的位置。当生产和安全发生矛盾时, 做到生产无条件服从安全, 宁可停产也要确保安全。在生产与效益发生矛盾时, 宁舍一切, 不舍安全。坚持安全是保障效益的第一要素。严格按照要求增加安全投入, 吨煤平均提取安技措资金6.8元, 累计投入的安全资金达88.4亿元, 通过专款专用, 持续增强了企业防灾抗灾的能力。

把保护员工的生命安全和健康, 作为一切工作的出发点和立足点。把安全作为送给员工最大的福利, 从加大劳动保护投入、改善员工工作、生活条件等方面着手, 切实保障员工健康和安全, 全方位提升员工综合安全健康幸福指数。

神华集团提出了“煤矿可以做到不死人”和“瓦斯超限就是事故”两个安全理念;神东提出“只有感悟不到的隐患, 没有避免不了的事故”和“零事故生产”的安全理念。在安全理念的贯彻过程中, 逐步确立了“零死亡”的工作目标, 而且竭尽全力坚持不懈为之奋斗。

(二) 以强有力的安全技术支撑, 推动企业安全高效发展

煤矿生产始终处于动态的自然条件变化过程中, 各类安全隐患客观存在, 只有通过不断的科技创新, 运用世界上最先进的开采装备、开采技术和采煤工艺, 才能弥补煤矿生产先天性的缺陷, 真正将煤矿工人从动态高危的环境下解放出来。

根据矿区煤层赋存稳定、倾角变化小的特点, 神东理性突破煤矿设计规范, 改革了传统煤矿多盘区、多工作面的系统布局, 实行条带式布置、单一工作面生产模式, 简化了生产系统, 减少了许多安全隐患环节, 提高了矿井安全可靠性。通过不断优化综采工作面推采长度, 进一步缩小了矿井生产系统的分布范围, 缩短了工作面准备工作, 减少了采煤设备的搬用时间和次数, 极大地提高了生产系统的稳定性, 矿井安全系数大幅提升。

神东在国内首家实现了辅助运输无轨胶轮化, 彻底摆脱了因传统运输方式和设备落后, 导致井下辅助运输系统占用人员多、劳动强度大、效率低的弊端, 改善了矿井安全环境, 提高了工作效率, 避免了占传统矿井三分之一的辅助运输事故。

引进了自动化程度高、可靠性强、高性能、大功率的世界一流煤矿开采装备, 井下综采、连采和运输实现100%机械化和员工的一键遥控, 降低了员工劳动强度和工作面人员数量, 提高了井下人员安全系数和矿井抵御风险、灾难的能力。根据工作面采高实际, 先后建成了世界首个5.5米、6.3米、7米大采高重型工作面, 缩短了员工井下作业时间, 提高了员工的安全保障系数。针对不同采高的综采工作面, 配置了国内外一流的高阻力液压支架, 中厚煤层工作面液压支架工作阻力达到12000k N, 7米重型工作面支架工作阻力达到18000k N, 为员工井下作业搭建了一道牢固的“钢铁长城”。在顶板条件较差的掘进工作面, 推广使用掘锚机等采掘设备, 实现了掘进开采和顶板支护同步跟进, 大大减少了掘进过程中顶板冒落伤人的可能性。

创立了煤炭企业信息化系统, 将信息化延伸到井下作业。全公司所有井工矿井均装备了行业领先的安全监测监控系统, 建立了完善可靠的煤矿安全监控监测网络, 实时采集井下瓦斯、CO、风速、温度等各类数据, 发现异常情况及时报警, 并进行相应处理, 提高了安全事故应急处理能力, 确保了安全高效生产。配备了井下人员和车辆定位系统, 能够及时、准确地将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面, 使煤矿管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和员工的运动轨迹, 发生事故时, 救援人员可根据人员定位及安全监测综合系统所提供的数据、图形, 迅速掌握有关人员的位置, 及时采取相应的救援措施, 提高了应急救援工作效率。

建设了覆盖全矿区, 具有国际领先水平的特大型矿井综合自动化系统, 除井下移动设备外, 采、掘、机、运、通全面实现了远程控制、监测、维护和故障诊断, 全部生产过程和设备控制均可以在地面调度室完成, 实现了生产各环节的集中远程自动化控制和部分固定岗位无人值守, 使矿井人员减少了36%, 全员工效提高了22%, 效率是传统煤矿的30倍, 用人仅为传统煤矿的3%, 实现了精干高效和系统安全、可靠、高效运行的双赢。

坚持“以人为本”, 加大粉尘控制力度, 通过采用机械内外喷雾、架间自动喷雾、运输系统闭式和湿式降尘等先进的煤尘治理技术, 创造了有利于员工健康的工作环境和劳动条件。提高劳保用品标准, 配备了先进可靠的个体劳保防护用品。近几年, 没有发现新增矽肺病等职业病人群。

(三) 构建科学管理体系, 实现煤炭生产向本质安全转化

神东矿区开发建设二十多年来, 为了从根本上探索建立一整套有效的煤炭生产安全管理体系, 实现煤炭安全生产全过程管控, 创出了独特的神东安全管理模式。2007年3月, 由国家安全生产监督管理局和神华集团共同立项, 联合中国矿业大学 (北京) 共同承担实施“煤矿本质安全管理体系”项目在神东上湾煤矿正式启动实施。该项目以安全风险预控为核心, 以危险源辨识为基础, 以切断事故发生的因果链为手段, 以人的不安全行为预控与管理为重点, 控制物的不安全状态, 改善环境的不稳定性, 消除管理中的缺陷, 采用PD-CA持续改进的管理方法, 实现“人-机-环-管”最佳匹配, 从源头上遏制安全事故的发生, 实现“一切意外均可避免”、“一切风险皆可控制”的风险管理目标。在总结上湾煤矿试点经验的基础上在全公司推广实施, 使本安管理思想和理念逐步在现场工作中得到了强化和提升。

2009年7月启动了B/S结构的本安管理信息系统建设项目, 并于2009年底建成投入运行, 构建了上下互动、资源共享、统一管理、集中控制的安全信息管理平台, 充分利用信息化可以追踪的优点, 将涉及安全生产的危险源进行集中与分级控制, 实现了危险源的识别、评估、监控、消除闭环管理。

(四) 强基固本, 科学管理, 助推企业整体安全管理水平的提升

神东矿区开发建设以来, 认真贯彻落实国家安全生产的法律、法规, 不断完善安全管理体制机制, 强化安全生产责任落实, 努力建设本质安全型矿井。

1、体制建设不断加强, 安全生产责任进一步落实, 为安全生产提供可靠保障

公司坚持把健全和完善安全生产管理体制机制作为抓好安全工作的根本手段, 不断强化安全生产责任落实, 进一步明确安全管理职责, 细化安全绩效考核, 形成了一套完善的安全生产责任机制。

建立了公司、部门、二级单位、区队、班组、员工六级安全生产责任体系, 层层签订安全生产责任状, 明确安全主体责任;实施“安全生产一票否决”制度, 将安全指标完成情况与干部提拔、评先树优、风险年薪和绩效工资紧密挂钩;推行安全风险年薪制度, 严格落实公司各级业务保安责任;将工资总额的30%作为安全绩效工资, 坚持按月考核兑现。制定了一系列安全管理奖惩考核办法, 建立了严格的安全生产问责制度, 对事故责任人及责任单位进行处罚和问责, 并扣除风险年薪和安全绩效工资。

严格执行领导干部跟班带班规定, 各矿井领导每月下井次数不少于20次, 公司领导每月下井次数不少于10次。节日期间和特殊时段严格执行了干部双岗值班、跟班制度, 进一步强化现场安全管理。

2、坚持以人为本, 不断提升员工素质, 实现长治久安

公司坚持把安全教育培训作为实现安全生产的重要保障, 新建了建筑面积为9572平方米的现代化教育培训大楼, 建成了具有国家煤矿安全二级培训资质的教育培训中心, 开展全员性、持续性、针对性的安全技术培训。每年对区队干部、班组长实行集中轮训, 同时实行拓展训练和军事化管理, 全面提升执行力;突出“三项岗位”人员 (企业主要负责人、安全管理人员、特种作业人员) 和“三新”员工 (新员工、新岗位、新设备) 的培训工作;对全体员工分岗位、分工种、分专业进行知识更新培训, 全面提升员工安全技术素质。

3、创新安全监管思路和方法, 不断强化现场安全管理水平

公司坚持创新安全管理思路和方法, 明确监管方向和重点, 提高了安全监管的针对性和实效性。针对基层生产单位中夜班安全力量投入少、管理较薄弱的实际, 成立了常态化、专业化、规范化的安全生产督察队, 坚持每天分两组在中夜班深入基层单位, 及时掌握作业现场的安全动态, 有效促进了中夜班生产现场动态达标。严格落实步行检查制度和工单制检查制度, 明确了检查路线、检查周期、检查标准, 规范了检查程序, 保证了检查效果。定期组织对各大生产系统进行排查, 全面强化了现场安全管理。

成立了安全生产管理委员会、安全技术专家组等专业管理机构, 定期对公司各矿井和地面生产系统进行安全评价和安全现状诊断, 分析存在的潜在风险, 进行超前预控;对公司各类检查发现的安全隐患逐项制定整改落实措施, 并进行跟踪挂牌督办, 做到闭环管理。

4、以国家级救援基地落成为契机, 不断强化应急救援服务职能

公司不断强化应急救援队伍建设, 完善应急救援组织机构, 配齐专业技术人员和一流救援装备、基础设施, 加强应急救援演练, 推行军事化管理模式, 有效提升综合管理水平、设施装备操作水平和队伍综合实战能力。建成了国家矿山救援鄂尔多斯基地, 成为全国23个国家矿山救援基地之一, 是内蒙古境内建成的第二个国家级矿山救援基地。

公司主动承担社会责任, 安排救护消防大队积极开展地方救援服务工作。1997年以来, 神东救护消防大队共处理各类事故1625起, 其中:井下救护146起, 地面灭火1479起, 抢救人员生命102人, 挽回直接经济损失1.2亿元。2008年“7.31”赵家梁煤矿冒顶事故救援中, 8名遇险矿工被困123小时后成功获救;2009年“10.17”高庄煤矿冒顶事故救援中, 3名遇险矿工被困196小时后成功获救, 书写了神东救护消防大队的辉煌篇章。

总之, 安全生产是企业生存和发展的根本前提, 是落实科学发展观的必然要求, 是“以人为本”的根本体现, 是构建和谐社会的关键所在。神东公司通过大力推行本质安全管理体系, 强化“人、机、环、管”的全方位管控, 建立了自我约束、持续改进的安全生产长效机制, 从根本上提高了企业安全管理水平, 为煤炭等高危行业的安全管理探索出了一条有益之路。

摘要：本文通过对神华集团神东煤炭公司全面推行本质安全管理体系, 强化“人、机、环、管”的全方位管控, 从根本上提高企业安全管理水平, 有效控制各类事故的发生, 实现矿井安全高效生产的总结, 进一步证明了推广和实施本质安全体系是实现安全生产的前提和保障。

嵌入式本安智能电源的设计 篇5

关键词：煤矿,本安智能电源,嵌入式系统,ARM920T

0引言

随着我国煤矿机械化、自动化程度的提高, 本质安全 (简称本安) 型电气设备在井下监控、通信、信号、仪表和自动化系统中应用日益广泛, 这就需要为其提供本安供电电源。然而, 目前煤矿现场使用的本安电源驱动电流不大、输出状态无法自动调节, 限制了煤矿自动化设备的使用。为了解决这些问题, 笔者设计了一种嵌入式本安智能电源, 该电源能在符合本安性能要求的前提下输出大电流, 且时刻对输出状态进行监控并反馈给整流电路, 从而自动调节其输出状态, 满足了工作面自动化系统中不同电气设备的快速、实时供电需求。

1嵌入式本安智能电源的设计方案

该电源针对各电气设备不同的供电要求, 并联运行多个整流模块。其中体现智能的监控模块采用嵌入式系统[1] ( Embedded System) 的专用计算机系统, 实时地采集和分析所有的输出回路电流;它能使不同的负荷对应该电源内部不同的整流电路, 避免出现超负荷或者功率浪费的现象。该电源使用以S3C2440为核心的ARM9系列的ARM920T处理器, 利用ARM920T处理器的全功能电源管理控制器 (PMC) , 优化整个电源的功耗, 并支持普通、空闲、慢时钟及Standby工作模式, 提供不同的功耗等级及事件响应延迟时间。在空闲模式下, ARM920T处理器时钟禁用并等待下一次中断 (或主复位) ;慢时钟模式是复位后选择的模式, 在该模式下, 主振荡器及PLL关闭以降低功耗;Standby模式是慢时钟模式与空闲模式的结合, 它使ARM920T处理器能更快速响应唤醒事件, 并保持较低的功耗。

2嵌入式本安智能电源的设计

2.1 电源工作原理

该电源使用交流电输入, 在多路变压整流滤波之后, 经高速逻辑开关输出。ARM920T处理器根据检测回来的信号分析输出端电流使用的情况, 开关输出相应的控制信号, 实时快速地对电气设备进行供电。另外, 该电源利用ARM920T处理器外围的以太网控制器编写Socket程序对设备进行监测和控制。

2.2 电源硬件结构

该嵌入式智能电源主要由嵌入式系统、变压、整流、滤波模块组成, 如图1所示。

(1) 嵌入式系统

图2 为嵌入式系统结构图。嵌入式系统控制软件的设计主要为实现A/D转换、分析数据、处理数据等。其中A/D转换可用硬件电路或软件实现, 用软件实现可以简化硬件电路, 但可能影响处理速度, 要视情况而定。A/D转换后的数据, 经过分析、处理, 最后通过控制信号传递给整流单元。

嵌入式系统的ARM920T处理器中的控制器内嵌了实时操作系统RTOS (Nut/ OS) 和TCP/IP 协议, 可用其编写一个Socket 服务守候进程。当用户通过Internet远程访问电源控制器时, Socket服务守候进程通过100 M 网口接收网络连接信息并对它作出回应。在整个嵌入式系统中, 要不定时地监测和控制现场设备, 采用面向连接的Socket 编程模式完成客户机与电源控制器之间的通信。电源控制器和RS485 总线被控设备之间采用RS485 总线主/从式结构。当电源控制器启动后, 从FLASH存储器中读取事先下载好的命令表文件, 当用户不发送控制命令时, 嵌入式系统按一定的定时时间, 自动向下层控制模块发送循检指令, 由控制模块程序对命令进行解码, 提取出地址信息, 当命令中所含的地址信息与自己的地址相同时, 则解析命令并进行相应的处理, 同时反馈执行结果;否则, 抛弃接收到的命令。命令字符串是按事先约定好的固定格式发送和接收的。图3为电源网络控制器结构图。

(2) 整流模块

为了获得合适的直流电压, 需要全波整流模块将交流电转换为直流电压。图4所示的整流模块电路图中, 由于电气设备的数量和容量增多, 需要在整流模块之前加入缓上电控制电路, 防止负载的增加对其它设备的影响, 然后用DC/DC模块LM2674N将其它12 V电压转换成5 V电压。

3过压保护电路设计

为防止电路不正常时出现过压, 电路应具备过压保护功能, 因此在稳压限流电路后应接上过压保护电路, 如图5所示。

正常情况下, 本安电源输出12 V 电压, 此时稳压管Z1、晶体管Q3均截止, 12 V输出电压直接供给负载; 当输出大于12 V、小于12.7 V时, Z1导通, Q3因为得不到足够的发射级偏置电压而不导通, 因此, 电源输出电压也直接供给负载; 当输出超过12.7 V时, 稳压管Z1导通、Q3发射级导通, 形成12.7 V的过压保护。二级过压保护可以采用与图5相同的电路并联。

4结语

本文介绍的嵌入式本安智能电源在充分利用高级微处理器外设资源的基础上, 结合其内嵌的RTOS (Nut/OS) 和TCP/ IP 协议, 编制了一个Socket服务守候进程, 实时地采集和分析所有的输出回路电流, 并能够自动调节其输出状态, 满足了工作面自动化系统中不同电气设备的快速、实时供电需求。该电源具有高效稳定的特点。目前, 该电源正处于测试调试阶段, 通信软件功能还有待完善。

参考文献

[1]王彦瑜, 郭玉辉, 乔卫民, 等.基于ARM7内核和嵌入式系统的VME总线控制器的研制[J].核电子学与探测技术, 2005, 25 (5) .

本安电源的理论研究与应用 篇6

煤矿井下各类传感器、单片机等电气设备的工作电压一般有24 V,18 V,12 V,5 V等电压等级,且本安电源要求输入输出必须进行电气隔离。目前,本安电源大多仍采用线性电源实现,由于线性电源存在着许多不足,因此,该设计采用单端反激式DC/DC变换器,它所需的外围元器件少,电路简单,有较好的电压调整率,还可以实现多路输出。因此,笔者以LT1247为控制芯片设计一种单端反激式本安电源,为满足本安要求,采用高开关频率来减小变压器原边电感量,并在不影响电路性能的前提下,尽量采用小电容或者小电感,采取一些措施来减小电容的瞬间放电电流,从而降低电火花能量。文中具体介绍输入整流滤波电路的设计,给出了该电源主回路电路图,并分析了其工作原理。

1 电源总体结构框图设计

根据煤矿用直流稳压电源的标准,井下除停车场、主运巷外,电源的输入电压一般为交流127 V标称值的75%～110%,即95～140 V。由于煤矿井下本安电路、电气设备绝大多数属于ib等级,故本电源设计了两级过流过压保护电路,最终实现本安直流输出四。它主要由输入整流滤波、DC/DC变换、输出整流滤波和第二级过流过压保护电路组成,其总体结构框图如图1所示。

2 本安电源的设计

本电源的驱动芯片采用Linear Technology公司生产的电流控制型PWM控制器LT1247,它完全兼容常用的UC1843系列芯片,并进行了一些改进,将贯通图腾柱上下两个开关管的电流降低到最小,使电路的工作频率高达1 MHz;对电流比较器部分增加了消隐电路(Blanking),这样无需在电流传感器后级加滤波电路,从而将信号的延迟时间控制在30 ns以内。

提高频率可以减小变压器原边电感设计,使电源更容易达到本安要求;响应速度快使电路稳定性更好,以适应更高的开关频率。此芯片的启动电压为84 V,欠压保护电压为7.6 V,启动电流仅250 A。单端反激式可实现多路输出,但文中只介绍其中一路18 V/1 A直流输出,其他几路可类似设计。

要实现电气防爆可以考虑3种途径:1)通过限制电气设备电路中的各种参数,特别是储能元件电感与电容的参数;2)采取各种过流过压保护措施来限制电路的火花放电能量和热能;3)通过控制电路来切断电源对输出的影响和设计储能元件的放电回路。

滤波电路应尽量避免使用电感滤波或Lc滤波电路,考虑到本安电源的特殊性(即本质安全性),设计了如图2所示的输入整流滤波电路。

3 本质安全电路相关的数学模型

本质安全理论创建以来,国内外许多专家学者对本质安全电路进行了大量的试验研究。为了更好地描述本质安全电路的放电特性及其能量释放过程,借助以下相关的数学模型进行理论分析。由于电感性电路中有储能元件,在电路断开时会释放大量的能量,感应电压比电源电压高出许多倍,从而形成弧光放电,对周围环境中的爆炸性混合物引燃能力很强。国内外专家学者对电感性电路做了大量的研究与理论分析得到相关数学模型。

1)放电电流线性衰减模型

从能量释放的过程来看,认为放电电流是按照线性规律衰减。当电感电路断开时,假设放电电流经过计算放电时间T,从稳态工作电流按线性衰减规律降到零,所以称为线性衰减模型(见图3)。电感电路实际放电时间与稳态工作电流和电路中电感量有关。

数学函数式为

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放电能量函数为

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放电能量函数为

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上述公式中各个符号代表的含义分别为:i(t)为放电电流 (A);L为电感量 (H);I为稳态工作电流 (A);t为实际放电时间 (s);T为计算放电时间 (s);u(t)为放电电压 (V);E为电源电压(V);R为限流电阻(Ω);W为电路释放的能量(J)。从上述函数关系式可以看出:电路释放的能量分为两部分,一部分为电路中电感储存的能量,另一部分为电源提供的能量。

另一种假设为:电路中的电流经过计算放电时间T,从稳态工作电流I衰减到某一个值(有些资料称为:截弧电流Ii),从而建立了放电电流衰减双直线模型(见图4)。

放电电流为

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放电电压为

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式中各符号的含义同上。

放电电流双直线模型表明:电路的放电能量同样是由两部分构成。利用放电电流线性衰减模型分析电路释放的能量,分析过程简单,但是与具体的电流、电压变化曲线不一致,存在一定的误差。

2)放电电流抛物线模型

假设放电电流经过计算放电时间T从稳态工作电流I下降到截弧电流Ii,则电流变化曲线为不完全抛物线模型。

放电电流为

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放电能量为

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假设放电电流经过计算放电时间T从稳态工作电流I下降零I1,则电流变化曲线为完全抛物线模型。

放电电流为

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放电能量为

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抛物线模型使得用于理论分析的电流变化趋势更加接近实际电流的变化衰减过程。

3)放电电流幂函数模型

放电电流线性衰减和抛物线模型都可以写成幂函数的形式,也就是可以描述成放电电流幂函数模型。

放电电流衰减到截弧电流,放电电流为

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放电能量为

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放电电流衰减到零,放电电流为

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放电能量为

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4)动态伏安特性模型

为了更加准确描述放电电流、电压的动态过程,对电感电路进行实际测试并绘制伏安特性曲线得出动态伏安特性模型。伏安特性方程如下

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式中,Vg为电弧电压(V);Vmax为电弧电压最大值(V);min为最小建弧电压(V);i为电弧电流(A);I为电路稳态工作电流(A);由动态伏安特性模型可以得出:起弧的瞬间电压即为最小建弧电压,流过的电流为电路稳态工作电流。当电弧电流衰减到零时,电弧电压达到最大值。

4 结 语

开关变换器的输出短路能量释放部分主要来源于电源、电感以及电容的储能,并且放电能量随着负载电阻和输入电压的增加而减少。通过以上理论的支持,可以设计出既满足开关变换器工作电气性能指标又达到本质安全性能要求的电感、电容取值范围的电源,最终设计的电源要经过火花实验装置检验,在电源电流正常工作情况下和故障状态下产生的火花均没点燃可燃性爆炸气体则最终认为该电源符合本质安全要求。实际采用单端反激式变换器,不仅能够很好地实现电气隔离和本安参数确定,而且能实现多路直流输出,方便给煤矿本安电气设备供电,具有成本低,体积小的特点。

参考文献

[1]陈向东.矿用本质安伞电源[J].煤炭科学技术,1997,25(6):35-38.

[2]付兴武,赵庆阳.开关型本质安全电源技术的设计与研究[J].煤矿安全.2008(12):22-26.

[3]徐德鸿,沈旭.杨成林.[M]开关电源设计指南:机械工业出版社,2004:23-57.

[4]崔保春,王聪.矿用本质安全开关电源的研究[J].中国煤炭,2006,32(3):23-27.

[5]崔保春,王聪.提高本质安全开关电源功率及安全火花电路的研究[J].苏州科技学院学报,2006,23(1):76-80.

[6]孟庆海.本质安全电路电弧放电数学模型及非爆炸方法评价电路本质安全性能[D].中国矿业大学,1999.

本安电路中锂电池的设计要求 篇7

危险的工作环境可能含有易燃气体、烟雾、粉尘或易燃性纤维等, 极易发生爆炸事故, 对人身和财产安全造成极大危害。众所周知, 爆炸必须具备3个条件:可燃物、氧气和点燃源。为了有效预防爆炸事故, 需设法避免以上3个条件同时存在, 即通过选用不同的防爆技术措施来保证爆炸性环境的安全。

在爆炸性环境中使用的电气设备有多种防爆型式, 如隔爆型、增安型、本质安全 (简称本安) 型、浇封型、正压型等[1]。其中本安防爆型式是通过限制电路能量达到防爆的目的, 其它型式都是采用机械手段实现防爆的目的。本安防爆型式与其它防爆型式相比, 具有适用范围广 (本安防爆型式是惟一可用于0区危险场所的防爆型式) 、体积小、结构简单、重量轻、造价低、易操作维护等特点。因此, 本安防爆型式已为众多电气设备制造厂及用户所接受和欢迎。

目前大部分便携式本安设备都由电池供电, 其中锂电池因其电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长而被自动化仪表厂商广泛采用。但锂电池的安全问题一直备受关注。近年来, 屡屡发生锂电池爆炸伤人事故, 存在极大的安全隐患。鉴此, 本文将探讨本安电路中使用锂电池的设计要求及注意事项。

1锂电池的安全性能要求

由于锂电池自身结构和原理方面的缺陷, 在锂电池发生外部短路或内部短路时, 可能会产生几百安培的过大电流。发生外部短路时, 锂电池瞬间大电流放电, 在内阻上消耗大量能量, 产生巨大热量, 会引起爆炸;锂电池过充时, 可能会析出金属锂, 在壳体破裂的情况下, 金属锂与空气直接接触导致其燃烧, 同时引燃电解液, 发生强烈火焰, 气体急速膨胀, 最终导致爆炸发生。另外, 某些锂电池若使用不当, 如挤压、冲击和进水等会导致电池膨胀、变形和开裂, 从而导致锂电池短路, 在放电或充电过程放热引起爆炸事故。

对此, 多个国家职能部门和国际权威的产品安全测试机构都制定了严格的锂电池检验规范或标准, 如美国安全检测实验室公司 (Underwriters Laboratories Inc., UL) 的《UL1642锂电池安全标准》等。 针对煤矿安全仪器仪表用锂电池, 我国国家矿用产品安全标志中心也制定了《煤矿安全仪器仪表用锂原电池安全标志检验规范》和《煤矿安全仪器仪表用锂离子蓄电池安全标志检验规范》, 该规范规定各生产单位选用 (生产) 的锂电池应符合规范中的相关安全性能要求, 并取得由国家认可的检测检验机构依据该规范或安全性能不低于该规范要求的相关标准出具的检测检验合格报告。

2本安电路中电池和电池组的设计要求

(1) 使用电池供电的本安设备 (该设备在危险区域使用, 并且没有其它的保护手段, 如隔爆外壳) 中, 电池应具有电解质不可能溢出的结构或加以密封, 以防止电解质损坏本安电路。可排放易燃气体的电池盒应通风, 以防止易燃气体浓度累加。

同一电池组中所有的电池应具有同一个电化学系统、同样的电芯设计和额定容量, 并由同一个制造商生产。同一个电池组不能混合使用原电池和充电电池。在一个本安设备内部, 严禁随意互换原电池和可充电电池 (电池组) 。原电池不得充电, 如该设备内部存在另一个电压源可能和原电池互连, 应采取预防措施, 以防止充电电流通过原电池。

在电池组需要使用限流器件保护其自身安全, 且电池组拟在爆炸性环境使用并更换时, 电池组应与限流器件通过浇封等方法构成一个可整体替换的组件, 该组件应能通过GB3836.1—2000[2]中规定的跌落试验;如不在爆炸性危险环境场所更换电池或电池组时, 还可以将电池或电池组安置在一个具有GB3836.1—2000规定的特殊紧固件腔体内, 并符合以下要求:① 电池或电池组支架或与设备连接方式应设计成在安装和更换时不会降低设备的本安性能的结构;② 对于手持式电气设备或处于待机状态的携带式电气设备, 应承受GB3836.1—2000中规定的跌落试验;③ 设备应具有符合GB3836.1—2000规定的警告标志, 如“在爆炸性环境中不得拆卸电池或电池组”。

对于带外部充电触点的可充电电池或电池组, 应采取措施防止短路或防止单体电池和电池组向触点释放足以点燃火花的能量。注意应使用规定的电池组充电器充电, 或用适当额定值的熔断器和阻塞用二极管、可靠限流电阻等保护电路。

(2) 应依据GB3836.4—2000[1]附录A中的表A1, 限制电池及电池组的能量。在设计电路参数时, 电池电压可取表1中“对火花点燃危险评定的峰值开路电压”值。如果电池及电池组的最大短路电流小于GB3836.4—2000附录A中的表A1中相应防爆等级1.5倍安全系数栏中所对应的最小点燃电流值, 可直接作为电路供电电源使用。如果电池及电池组的最大短路电流大于最小点燃电流值, 应在电池中串联限流器件。需要注意的是, 当电池和电池组不适用表1时, 则应按GB3836.4—2000第10.9条规定的试验来测定最高开路电压。

根据IEC60079-11:2006[4]标准规定, 如果本安设备内置不允许在爆炸性气体环境中更换的电池, 当满足下列条件时, 可以不要求在电池的端子处进行火花点燃放电试验:① 单节电池的峰值开路电压小于4.5 V;② 电池端子处的最大电压和瞬态电流的乘积不超过33 W。

上述放宽条件的理由是4.5 V的电压太低, 在缺少电感的情况下不能触发电弧, 并且在考虑1.5倍安全系数时, IEC60079-11:2006附录A中ⅡC组电阻电路曲线允许的电压和电流的乘积达到33 W。

3本安电路电池设计中的常见问题及对策

(1) 电池保护元件位置不对。如对于需要限制能量元件的电池, 限流电阻和保险丝应尽可能靠近电池终端。这些元件和电池应通过封装或其它方法构成一个可以成套替换的集成保护单元。

(2) 大多数电池供应商会提供标准电池拆封套管, 但该套管太薄, 不能满足GB3836.4—2000中表4的相邻电池间固体绝缘最小距离为0.5 mm的要求。使用该种薄套管时, 很可能由于间隔不够造成电池正负极间直接短路, 使得限流元件失效。所以电池设计图纸中应明确指定最小厚度为0.25 mm的套管, 使2个相邻电池间套管的绝缘厚度达到0.5 mm。

(3) 在电池正、负极之间存在环状的绝缘体, 该绝缘体提供了符合GB3836.4—2000中规定的0.5 mm隔离厚度的一部分。如果没有这种绝缘体, 那么正负极上间距就有问题, 容易造成电池短路。

4本安电路中锂电池的设计要求

考虑到锂电池在某些情况下爆炸的可能性较大, 建议对锂电池有更严格的本安要求, 即取消用户可替换的锂电池结构设计, 而设计为只能由专业技术人员替换的结构。锂电池应焊接或者封装在PCB板上, 或设置在密封外壳或热收缩包装内, 这样做的目的是防止用户自己更换锂电池。同时, 在锂电池上或使用锂电池供电的设备贴上标牌, 警告用户不得擅自更换电池。

用于本安设备的锂电池, 即使其已经通过了一些检测机构的安全性能测试, 仍需要进行本安火花试验, 检测其是否符合本安要求, 例如若本安电路中除了锂电池, 还有另一个电源供电, 该电源产生的电流可能进入锂电池。此时按GB3836.4—2000要求, 锂电池应该能在1.5倍的最大电路故障电压和电流下不会产生爆炸或造成火灾。

为了避免上述可能发生的爆炸, 并建立符合要求的本安输出, 对锂电池一般作以下要求 (所有的保护元件应与锂电池封装为一体或通过其它方法形成一个防篡改的集成块) :

(1) 在锂电池的输出端加合适的限流电阻, 以确保锂电池的输出具有本安特性;

(2) 使用2个阻塞二极管加限流电阻, 防止回充电电流从其它电源进入锂电池;

(3) 若在本安电路设计中存在可以产生辅助电流的倒极性电源, 可在限流电阻和阻塞二极管后面的锂电池输出端再连接2个并联二极管用来分流。

5电池供电的本安型设备的使用和维护要求

在危险场所安装、使用和维护本安设备时, 必须保持本安电路原设计状态下的电气参数和保护性能, 不得改变设备本安电路和与本安电路有关的元器件的电气参数、规格和型号。在电气设备的铭牌上和使用说明书中注明该产品仅可使用指定型号容量的电池等, 并增加相应的警告用语, 如:“警告:仅可适用某种规格型号电池!”、“警告: 不得在危险场所充电!”、“警告: 严禁在爆炸性环境更换电池!”等。

6结语

依据本安电路原理, 介绍了本安电气设备中对电池或电池组的设计要求, 指出了本安电路电池设计中的一些常见问题, 并重点提出了对锂电池的一些设计要求。设计人员应严格按照有关标准的要求, 采取适当有效的保护措施, 保证电气设备的本安性能, 以确保生产现场设备和人身安全。

摘要：介绍了目前国内外关于锂电池的安全性能要求、本安电路中电池和电池组的设计要求, 分析了本安电路电池设计中的常见问题及对策, 提出了确保本安电路中锂电池安全性能的设计要求, 及电池供电的本安型设备的使用和维护要求。

关键词：本安电路,锂电池,防爆,设计要求

参考文献

[1]汪淳, 王琦, 于超龙.现场总线本安型防爆系统在煤矿自动化系统中应用的可行性分析[J].工矿自动化, 2010 (1) :14-16.

[2]GB3836.1—2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分:通用要求[S].北京:中国标准出版社, 2004.

[3]GB3836.4—2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“i”[S].北京:中国标准出版社, 2004.