煤炭生產(chǎn)作為我國能源生產(chǎn)的一個支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。煤炭產(chǎn)量的監(jiān)測更是關(guān)系到國家和企業(yè)的根本利益，但中國煤炭產(chǎn)業(yè)的安全生產(chǎn)形勢卻不容樂觀。煤礦安全事故頻發(fā)，造成了慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，因此對煤礦產(chǎn)量的安全監(jiān)測刻不容緩。本文設(shè)計的煤礦產(chǎn)量遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置就是針對以上情況研發(fā)設(shè)計的。
1 裝置總體設(shè)計
煤炭產(chǎn)量監(jiān)測裝置通過稱重傳感器和速度傳感器分別采集礦井輸送皮帶上單位長度的物料重量和皮帶運轉(zhuǎn)速度，由MODEM調(diào)制后遠(yuǎn)距離傳輸至井上接口。井上儀表對數(shù)據(jù)處理后顯示出相應(yīng)產(chǎn)量，實現(xiàn)了對礦井煤炭產(chǎn)量的監(jiān)測整體框圖如圖1所示。
隔爆兼本安型電源給分站和傳感器提供穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源。本安型分站負(fù)責(zé)采集重量與速度信號并采用抗干擾性能好的MODEM方式遠(yuǎn)傳至井上接口。井上接口中的MODEM通過將分站的載波信號解調(diào)為標(biāo)準(zhǔn)RS232信號，實現(xiàn)了與顯示儀表的通信。井上接口具有通信指示和故障檢測功能。
煤炭產(chǎn)量監(jiān)測裝置使用了多種防爆措施。井下危險區(qū)域采用：隔爆兼本安型電源，本安型稱重傳感器，本安型速度傳感器，本安型分站。井上安全區(qū)域采用：礦用一般型的信息傳輸接口。
2 性能設(shè)計
2．1 電氣設(shè)計
煤炭產(chǎn)量監(jiān)測裝置的控制芯片選用C8051F023型單片機，它含有豐富的外設(shè)資源，5個通用的16位定時器，2路UART，22個中斷源，滿足了分站／接口的2路獨立頻率量采集／還原，定時中斷采集，串口接收／發(fā)送等功能，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了裝置的抗干擾性。
煤炭產(chǎn)量監(jiān)測裝置采用了MODEM方式進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，電氣原理如圖2所示。滿足了礦井遠(yuǎn)距離傳輸與抗干擾的要求。設(shè)計使用了MODEM芯片MCl45442，其原理就是將“0”和“l”這2種數(shù)字信號分別調(diào)制成不同頻率的2個音頻信號，在發(fā)送和接收端其對應(yīng)不同的頻率。該芯片支持300波特率的全雙工或半雙工通信；具有低功耗模式，電流消耗僅200μA，抗干擾性能較好，誤碼率小于10-6。
裝置采用了集成有儀表放大器的24位MD轉(zhuǎn)換器CS5532，電氣原理圖如圖3所示，該芯片受溫度影響小，稱重精度高，在實際應(yīng)用中滿足了煤炭產(chǎn)量監(jiān)測準(zhǔn)確性的要求。
煤礦用防爆稱重傳感器采用并聯(lián)方式連接，5 V供電，傳感器的輸出精度為2 mV／V，所以滿量程輸出為10 mV，為了使測量結(jié)果更精確。在設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍時應(yīng)盡量的小。可以在編程時通過設(shè)置增益寄存器和內(nèi)部放大寄存器來設(shè)置輸入范圍。CS5532可量化的滿量程輸入信號的范圍由增益設(shè)定和VREF+、VREF-之間的參考電壓決定。轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入信號范圍為((VREF+)-(VREF-))／(GxA)其中G就為增益放大器的系數(shù)，VREF+和VREF-分別為參考電壓的正和負(fù)。A的值為l和2可選，當(dāng)參考電壓選擇位VRS設(shè)為0時，A=2，當(dāng)VRS設(shè)為1時，A=1。本裝置中參考電壓為2．5 V，即VREF+為2．5 V，VREF-為0 V，A=l，增益G設(shè)置為128，所以滿量程輸入范圍為2．5／128≈20 mV，可以滿足現(xiàn)場傳感器測量精度的要求。
2．2 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計
煤炭產(chǎn)量監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)幀格式采用ASCII碼方式，這種方式能有效減少誤碼率，即將一位十六進(jìn)制數(shù)(例如：Ox3E)分成2個字節(jié)的ASCII碼(0x33和0x45)傳輸。按以往的十六進(jìn)制幀格式，在數(shù)據(jù)幀有效段內(nèi)可能會出現(xiàn)與起始位和結(jié)束位相同的字節(jié)，導(dǎo)致幀接收出錯。以ASCII碼方式編寫幀格式時，可以有效解決以上問題。裝置采用的數(shù)據(jù)幀一共為16個字節(jié)，如圖4所示，起始位為0x01，結(jié)束為0x03，數(shù)據(jù)幀內(nèi)容為前8字節(jié)的兩路速度量，后4個字節(jié)的重量A／D轉(zhuǎn)換值。
3 防爆設(shè)計
3．1 隔離式安全柵電路設(shè)計
煤炭產(chǎn)量監(jiān)測裝置中的信號傳輸回路采用的是隔離式安全柵電路(圖5)和齊納式安全柵相比，具有無需可靠安全接地的優(yōu)點。
4只齊納二極管Vz1～Vz4組成雙重化的過壓保護(hù)電路限壓。限流電阻用于限制可能流過本質(zhì)安全電路的電流。需要注意的是：為了防止檢修或替換影響本質(zhì)安全性能的任何單元，需將安全柵電路全部灌封環(huán)氧樹脂。
3．2 本安設(shè)計
本安防爆是一種通過限制電路能量使得電器裝置在井下安全工作的低功耗技術(shù)。本安設(shè)備在正常運行和故障的情況下可能產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)分別低于爆炸性危險氣體的最小點燃能量和自燃溫度。本安技術(shù)具有安全可靠性高。適用范圍廣，可帶電維護(hù)等優(yōu)點，基于這些優(yōu)點，井下分站采用了本質(zhì)安全型的防爆型式。在設(shè)計本安電路和評定電路本安性能時，考慮了最小點燃曲線，電流／電壓安全系數(shù)等因素。
3．2．1 安全系數(shù)計算
安全系數(shù)是指最小點燃電流(或電壓或能量)與本安電路的電流(或電壓或能量)相比的倍數(shù)。即：
例如：本安型分站中最大陶瓷電容為10 μF。圖6為I類電氣設(shè)備的電容性電路的最小點燃電壓曲線。因此，可得：當(dāng)電阻值為零時，10 μF 對應(yīng)的最小點燃電壓為28 V(即圖6中A點的橫坐標(biāo))，電路供電電壓為5 V，因此其安全系數(shù)最小為：
計算得到的安全系數(shù)5．6大于國標(biāo)規(guī)定的ib級安全系數(shù)1．5(ib級安全系數(shù)是指正常工作和施加產(chǎn)生最不利條件的非計數(shù)故障時，安全系統(tǒng)最低為1．5)。
3．2．2 本安系統(tǒng)設(shè)計要求
產(chǎn)量監(jiān)測裝置經(jīng)過國家防爆檢驗機構(gòu)特定的電路分析測試認(rèn)證后，得到本安型分站的本安參數(shù)為：Ui=5．8 V，Ii=1．4 A，Li=O，Ci= 40μF。傳輸接口的本安參數(shù)為：Uo=5．8 V，Io=165．0 mA，Lo=20 mH，Co=94 μF(如圖7所示)。本安分站和傳輸接口之間的傳輸電纜分布參數(shù)為R≤45Ω／km，C≤0．06 μF／km，L≤0．8 mH／km。裝置中傳輸電纜最長能達(dá)到20 km。所以電纜最大允許分布電容Cc=1．2 μF，電纜最大允許分布電感Lc=16 mH。符合本安防爆性能要求的Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc的要求。
3．3 隔爆技術(shù)
隔爆外殼的作用是在內(nèi)部氣體爆炸時能夠?qū)⒛芰肯拗圃趦?nèi)部，而不傳遞到殼體外部。所以型式檢驗時對隔爆箱的結(jié)合面有嚴(yán)格的要求。該裝置中的隔爆兼本安型電源箱采用的是孔位于外殼的外側(cè)的樣式，如圖8所示，圖8中a為孔與外殼的內(nèi)側(cè)之間的距離；b為防爆接合面的寬度。按照GB3836．2中的規(guī)定，應(yīng)符合當(dāng)b<12．55 mm時，a≥6 mm；當(dāng)12．5 mm≤b≤25 mm時，a≥8 mm；當(dāng)b≥25 mm時，a≥9 mm的要求。在實際應(yīng)用中，采用b=25 mm，a=11 mm符合要求，通過內(nèi)部點燃不傳爆試驗檢驗。
4 結(jié)束語
煤炭產(chǎn)量監(jiān)測裝置將相關(guān)信號采集、遠(yuǎn)程傳輸以及防爆技術(shù)應(yīng)用到電路和外殼設(shè)計當(dāng)中。經(jīng)過國家安全生產(chǎn)檢驗中心的檢驗，在實現(xiàn)煤炭產(chǎn)量監(jiān)測性能的同時能夠有效防爆。該裝置具有安全可靠，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中，有效提高了煤炭監(jiān)管人員的工作效率。