礦用道岔控制器按鈕電路安全性分析與設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種礦用道岔控制器的按鈕電路，通過對(duì)現(xiàn)有按鈕控制方式的隱患分析與電路改進(jìn)設(shè)計(jì)，闡述了其存在隱患的設(shè)計(jì)對(duì)策。通過對(duì)按鈕線路絕緣阻抗特性分析，結(jié)合線路絕緣檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有絕緣檢測(cè)功能的按鈕線路漏電監(jiān)督電路，解決了因按鈕線路漏電引起的誤動(dòng)作驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了道岔控制器的安全可靠工作。

0 引言

礦用道岔控制器主要用于礦山鐵軌運(yùn)輸上，以取代“人工扳道器”。該通常由控制按鈕、執(zhí)行器、顯示器三部分組成，控制器接收到控制按鈕信號(hào)后，控制執(zhí)行器動(dòng)作，推動(dòng)道岔連桿到達(dá)目標(biāo)位置，位置傳感器將信號(hào)反饋給控制器，再由道岔指示器顯示道岔當(dāng)前位置，處于單機(jī)工作狀態(tài)，而關(guān)于道岔在按鈕控制狀態(tài)下的安全性研究很少，本文針對(duì)于此，結(jié)合道岔按鈕控制的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進(jìn)行安全性分析，闡述其存在的安全隱患，提出改進(jìn)對(duì)策。

1 按鈕回路安全性分析

控制器按鈕為二線制隔爆兼本安型白復(fù)式按鈕，外殼為金屬材料。在工作時(shí)，由于控制器的控制指令觸發(fā)源為控制按鈕信號(hào)，該信號(hào)的安全性對(duì)保障裝置的工作可靠極為重要。

不管道岔控制器是隔爆型還是隔爆兼本安型，按鈕信號(hào)回路一般設(shè)計(jì)為此兩種信號(hào)類型選其一：本安型信號(hào)或非本安型信號(hào)。眾所周知，本安信號(hào)回路與非本安供電側(cè)通常有AC(2U+1000)V的隔離耐壓設(shè)計(jì)要求(不小于AC1500V，U指本安電路與非本安電路的電壓有效值之和)，而非本安信號(hào)則無此設(shè)計(jì)限制，基于此，首先對(duì)控制按鈕回路的安全狀況進(jìn)行分析，分如下兩種情況。

1.1 按鈕本安信號(hào)

由于礦井軌道運(yùn)輸環(huán)境惡劣，經(jīng)常有潮濕浸泡、線路破損等因素，影響按鈕線路的絕緣性能，進(jìn)而會(huì)使線路絕緣防護(hù)性能下降，又由于與主供電路有較高的隔離耐壓，當(dāng)發(fā)生按鈕回路線路因絕緣下降導(dǎo)致的較大漏電流時(shí)，為控制器供電的上一級(jí)供電設(shè)備即使有漏電保護(hù)功能也不會(huì)被檢測(cè)到，從而使設(shè)備處于帶病工作狀態(tài)，存在安全隱患。

如圖1所示，不管此按鈕回路信號(hào)的性質(zhì)是電壓型、電流型還是頻率型，當(dāng)遇到接線質(zhì)量不良、絕緣電阻下降或強(qiáng)磁干擾時(shí)，都會(huì)不同程度的使之突破邏輯門限，使等效電阻R0、Rx或Ry的阻值大幅度降低，進(jìn)入非設(shè)計(jì)意圖工作區(qū)間，嚴(yán)重者導(dǎo)致按鈕回路誤導(dǎo)通，進(jìn)而產(chǎn)生非人為控制觸發(fā)源，當(dāng)此時(shí)有車輛通過時(shí)，會(huì)造成機(jī)車車輛掉道事故，存在嚴(yán)重安全隱患，不符合故障安全導(dǎo)向設(shè)計(jì)原則。

1.2 按鈕非本安信號(hào)

針對(duì)于采用非本安信號(hào)設(shè)計(jì)的按鈕控制回路，由于非本安信號(hào)的電路特性，通常非本安信號(hào)與供電系統(tǒng)不受電氣隔離的設(shè)計(jì)限制;當(dāng)采用隔離設(shè)計(jì)時(shí)，分析如1.1不再贅述。下面主要分析按鈕信號(hào)與供電系統(tǒng)處于非隔離狀態(tài)下安全應(yīng)用狀況。

由于控制器工作電源的是礦用隔爆型供電綜合保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置具有漏電保護(hù)功能，當(dāng)供電輸出線路發(fā)生漏電流時(shí)，可以切斷供電輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。即使此時(shí)控制器發(fā)出了驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因供電電源被瞬間切斷，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。

由此可以看出，當(dāng)按鈕回路采取非本安信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)，其存在的安全隱患并沒有本質(zhì)上的改變，只是將本裝置的安全性寄托于供電保護(hù)裝置，當(dāng)遠(yuǎn)端的供電保護(hù)裝置發(fā)生保護(hù)不良時(shí)，仍然會(huì)存在引發(fā)道岔誤動(dòng)作控制驅(qū)動(dòng)的可能。

2 按鈕電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了徹底解決這一安全隱患，需要對(duì)道岔控制器的控制按鈕信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，根據(jù)如上分析，按鈕信號(hào)檢測(cè)電路應(yīng)采用本安化設(shè)計(jì)，將信號(hào)回路設(shè)計(jì)為電流型，同時(shí)要遵循故障安全導(dǎo)向原則，在本安側(cè)增設(shè)漏電檢測(cè)電路。對(duì)于電纜線路的絕緣狀況監(jiān)督電路實(shí)現(xiàn)方式一般都采用直流支路檢測(cè)法，本文設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的漏電監(jiān)督電路，如圖2所示。

圖2電路所示，對(duì)前述所分析的異常工況，能避免錯(cuò)誤輸出，電路原理介紹如下：

AN-A、AN-B為外接控制按鈕的線路引出端口，SH為外殼接地引入端口。電路中，通過電阻R1、R2，可以將回路電流設(shè)計(jì)在一定的范圍內(nèi)，使按鈕信號(hào)回路電流有一定的健壯性;再通過電阻R13和光耦U2構(gòu)成的二次防護(hù)電路設(shè)計(jì)，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)按鈕端子間等效電阻R0(圖1所示)的有效檢測(cè)，只有當(dāng)R0小于某個(gè)設(shè)計(jì)的電阻閾值時(shí)，才致光耦U1、U2同時(shí)導(dǎo)通，使AN-1、AN-2端口同時(shí)輸出邏輯“1”電平。

圖2電路中，電路設(shè)計(jì)為對(duì)按鈕本安回路的電壓型信號(hào)正極、負(fù)極同時(shí)進(jìn)行漏地檢測(cè)。常態(tài)時(shí)AN-3端口輸出為邏輯“1”電平，當(dāng)因絕緣性能下降，絕緣電阻降低到設(shè)計(jì)閾值之下時(shí)，漏電檢測(cè)電路致U3光耦導(dǎo)通，漏地防護(hù)電路的AN-3端口輸出為邏輯“0”電平。

為了判定按鈕是否一次有效閉合，控制器CPU在對(duì)按鈕信號(hào)進(jìn)行采集處理時(shí)，同時(shí)采集電路中端口AN-1、AN-2、AN-3輸出信號(hào)的邏輯狀態(tài)，進(jìn)行邏輯“與”處理，并結(jié)合以時(shí)間為基準(zhǔn)的軟硬件過濾處理算法，只有采集到一定脈寬的信號(hào)才判定為有效控制信號(hào)，從而能從根本上解決按鈕信號(hào)回路的驅(qū)動(dòng)安全隱患。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)礦用道岔控制器現(xiàn)有按鈕控制方式的隱患分析與電路改進(jìn)設(shè)計(jì)，闡述了其存在隱患的設(shè)計(jì)對(duì)策。通過對(duì)按鈕線路絕緣阻抗特性分析，結(jié)合線路絕緣檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有絕緣檢測(cè)功能的按鈕線路漏電監(jiān)督電路，解決了因按鈕線路漏電、觸點(diǎn)絕緣性能下降引起的誤動(dòng)作驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了道岔控制器的安全可靠工作。

當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)礦用道岔控制器的安全應(yīng)用，按照國家煤礦安全規(guī)程要求，裝備具有聯(lián)測(cè)聯(lián)控功能的監(jiān)控系統(tǒng)是必由之路，將工作現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，能從根本上解決現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作隱患問題。