煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護的措施

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1浪涌的影響

一般情況下，電子信息設(shè)備遭遇浪涌主要有兩種情況，一種是設(shè)備供電線路周邊遭遇雷擊，產(chǎn)生雷電流感應(yīng)，而在電路當(dāng)中出現(xiàn)瞬時強大電壓或電流。對于微電子設(shè)備而言，在這種情況下會因為瞬間的強大的電壓而倒是設(shè)備出現(xiàn)損壞。另一種情況則是電路在切換開關(guān)時，可能會在瞬間產(chǎn)生強大過電壓，如主電源系統(tǒng)在切換開關(guān)時產(chǎn)生的干擾等。對于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)而言，其是為了保證煤礦安全生產(chǎn)而特別設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)，如果該系統(tǒng)遭遇浪涌危害，那么有可能出現(xiàn)兩種情況，第一種情況是當(dāng)浪涌強度大且超過了系統(tǒng)設(shè)備的承受能力，那么極有可能在設(shè)備遭遇浪涌后直接損壞。在做系統(tǒng)設(shè)計時就需要考慮到如何去抑制這種情況。當(dāng)發(fā)生過電壓或過電流，但過電壓或過電流都不強，會產(chǎn)生累積性的浪涌危害，即第二種浪涌的危害形式，它可以讓系統(tǒng)設(shè)備半導(dǎo)體元件的性能發(fā)生衰退，縮短設(shè)備的使用壽命，這種危害在前期不一定能夠感受到，但到了后期一旦出現(xiàn)問題，造成的影響也非常大，所以這方面在安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時也是需要考慮的。

2煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護分析

2.1關(guān)于基于CAN總線的安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護思考

在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，CAN總線是一種常用的現(xiàn)場總線，在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場，安全監(jiān)控系統(tǒng)的運行可靠性非常重要，CAN總線如果遭遇浪涌那么將可能造成極大的危害，所以研究煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的浪涌防護技術(shù)具有顯著現(xiàn)實意義。在CAN總線的浪涌防護當(dāng)中，目前國內(nèi)外通常使用浪涌防護裝備來抑制浪涌，包括GDT、MOV、TVS、TSS等，這些防浪涌元器件基本上都是非線性元件，在設(shè)計當(dāng)中通常會布置在CAN接口的電路兩端，并且并聯(lián)在電路當(dāng)中。這些防浪涌元器件相對來說都能夠起到比較好的浪涌防護作用，但是因為設(shè)備的響應(yīng)時間、流通容量、鉗位電壓等不一樣，如果用在CAN總線當(dāng)中哪種性能會更好，目前來說尚沒有一個較為準(zhǔn)確的定論。在煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中往往會憑借經(jīng)驗來進行設(shè)計，可能會造成在后續(xù)使用當(dāng)中不滿足可靠性要求。在一個典型的基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，由一臺工業(yè)控制計算機作為上位機對整個系統(tǒng)進行管理，上位機通過CAN總線連接生產(chǎn)現(xiàn)場的分站。在現(xiàn)場的分站每一個分站接點都有內(nèi)嵌CPU，有各種傳感器。CPU將各種傳感器的信號轉(zhuǎn)化成CAN標(biāo)準(zhǔn)信號，在將信號上傳上位機并轉(zhuǎn)發(fā)到執(zhí)行器接點。一個典型的井下分站包括總線，CAN收發(fā)器，光電耦合器，CAM控制器，CPU，數(shù)字量輸入電路和數(shù)字量輸出電路。其下還有傳感器，執(zhí)行單元等硬件。對于CAN現(xiàn)場總線而言，耦合途徑是浪涌的主要傳導(dǎo)方式，對于硬件設(shè)備而言，對浪涌最敏感的設(shè)備是CAN接口電路，因此在基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時，考慮從三個方向上來進行防浪涌，包括抑制干擾源，削弱干擾源的影響力，切斷耦合途徑，提高敏感設(shè)備的抗干擾能力。CAN總線是一種串行通信，在設(shè)計時考慮借鑒成熟的RS485的抗干擾設(shè)計，并選擇市面上現(xiàn)有的防浪涌器件并放置在CAN線路當(dāng)中，形成整體的浪涌防護體系。

2.2煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護

為了保證安全監(jiān)控系統(tǒng)浪涌防護體系的有效性，考慮在總線及接口之間加入防浪涌設(shè)計。一般的浪涌防護，可以考慮在CAN接口前串聯(lián)一個阻抗，利用阻抗來對抗孫太電流，在低頻時該阻抗為電阻或者電感。在導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與地之間要并聯(lián)一個阻抗，該阻抗用來抑制電磁暫態(tài)，這個阻抗一般可用GDT、TVS等。當(dāng)總線當(dāng)中傳輸?shù)男盘栠h低于出現(xiàn)的干擾信號時，該阻抗就可以作為電容存在于電路當(dāng)中，并且與串聯(lián)的另一個阻抗形成低通濾波器。當(dāng)總線中傳輸?shù)挠杏眯盘柎髸r，那么并聯(lián)的阻抗就可以作為電感存在于電路中，并且與串聯(lián)阻抗組成高通濾波器。在考慮做浪涌防護體系時，要注意，保護電路不能對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但可能因為電磁環(huán)境比較惡劣而降低保護的效果，所以在設(shè)計浪涌保護體系時，務(wù)必要選對浪涌抑制器，要準(zhǔn)確地把握不同抑制器的性能，防止浪涌保護器的一些非理想的特性對系統(tǒng)造成影響。而要保證保護電路的效果，主要還要考慮保護器件的殘壓水平，保護效果越好，那么殘壓水平與被保護電路的工作電壓越相近。這是理想狀態(tài)下的情況，現(xiàn)實當(dāng)中并沒有必要去追求低殘壓水平，因為過分的追求低殘壓水平可能導(dǎo)致保護電路本身性能縮減。所以在設(shè)計浪涌防護體系時，一般都考慮做多級防護，利用不同浪涌保護器的性能特性來進行合理的組合，形成多級保護的效果。例如，將GDT或MOV作為第一級保護，因為這兩類保護器能夠泄放較大的過電流，可以降低后面設(shè)備因為過電流帶來的沖擊。在第二級保護中一般可以用MOV或TVS來進一步降低過電流。如果在加上一個鉗位元件來做第三級保護，那么則可以將保護電路中的設(shè)備的電位限制在一個極低的水平，這一類鉗位元件通?？梢杂肨VS或TSS來構(gòu)成。在上述多級保護電路當(dāng)中為了保證電路之間的配合合理，并且實現(xiàn)最大的保護器使用期限，一般還需要考慮在電路之間加入去耦電路。在一類電路一般可以通過電阻或者電感來組成，不過注意電阻不適合放在電源回路當(dāng)中，即便電阻可以實現(xiàn)衰減長脈沖，但是容易發(fā)熱。而電感則比較適合用在電源回路中，用以消除短脈沖，但對長脈沖基本上沒有效果。所以在CAN總線中考慮將電阻和電感組合起來運用。因此，在構(gòu)建基于CAN總線的安全監(jiān)控系統(tǒng)的浪涌防護體系，應(yīng)注意浪涌防護體系應(yīng)當(dāng)具備強鉗位能力能夠限制過載電壓，電路末端的鉗位電壓應(yīng)當(dāng)盡可能地與最大的工作電壓相近。保護器要具備快速響應(yīng)能力，對于響應(yīng)時間而言應(yīng)當(dāng)盡可能地保證在ns級別。保護器在系統(tǒng)正常運行當(dāng)中要不能夠產(chǎn)生影響或者影響可以忽略不計，在這一前提下，保護體系的等效并聯(lián)電阻可以盡可能的大，而串聯(lián)電阻或者并聯(lián)的電容則應(yīng)當(dāng)盡可能小。在遭遇浪涌后，保護電路當(dāng)中的元件應(yīng)當(dāng)能夠立即恢復(fù)。當(dāng)然還需要考慮一下成本問題，所選擇的保護元件要盡可能的體積小，成本低，方便維護。

3結(jié)語

綜上所述，通過上述方法對基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進行防浪涌設(shè)計，在實踐當(dāng)中產(chǎn)生了應(yīng)有的效果，通過在系統(tǒng)的直流電源端口和信號端口構(gòu)造多級防護，并利用500V浪涌信號對該多級保護體系進行實際測試表明，經(jīng)過多級保護電路的限制，在靠近電源芯片的峰值電壓為30V，信號端的峰值則為29.6V，基本上可知上述方法是有效的。但在實際測試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)GDT因為響應(yīng)動作比較慢而存在漏掉峰值電壓的可能，好在下級的保護器提供了快速響應(yīng)能力，可保護系統(tǒng)，但對下級保護器的使用壽命影響非常大。所以在實際的設(shè)計當(dāng)中關(guān)鍵還是要選對保護器。只要保護器選對，在浪涌保護設(shè)計時，難度就很低了。

參考文獻

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作者：謝春華單位：煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室