防爆电动起重设备控制输入电路的本安设计
2017-08-07高站波
高站波
（河南省黄河防爆起重机有限公司）
防爆电动起重设备控制输入电路的本安设计
高站波
（河南省黄河防爆起重机有限公司）
本文对当前使用的防爆电动起重设备的控制输入方法进行了探讨，对当前普遍采用的隔爆型或隔爆增安复合型控制按钮、行程开关的缺点进行了阐述，结合本质安全型电路提出了一种改进的实现方法，并将其进行了延伸以期改变当前防爆起重设备的控制输入方法，改善防爆电动起重设备的操作条件。
隔爆型；本安电路；控制按钮盒；控制台
0 引言
在石油化工、制药、轻纺、军工、油漆、颜料、能源等工业生产部门和港口、铁路、货场、仓库等可能出现易燃易爆混合物的场所的起重运输、搬运都离不开防爆起重设备，防爆起重电动设备主要包括防爆电动葫芦、防爆桥式起重机、防爆门式起重机等。
1 防爆电动起重设备的控制输入方法
防爆电动起重设备一般包含起升机构、大车运行机构、小车运行机构，而且还要有紧急停止按钮、警示及照明控制等。防爆电动起重设备在工作时由于各机构运行速度慢（大小车机构运行速度≤25m/min；卷筒卷入线速度≤28m/min）而大多采用悬垂按钮盒进行地面操纵，一个完整的控制按钮盒至少应包含7个按钮，而当各机构速度为双速时，按钮盒的按钮数会达到15个以上。如采用隔爆型或隔爆增安复合型按钮盒时，不仅按钮盒的重量大，而且单人操控也会非常不便。这样不仅影响工作效率也会给操作者的健康带来不利的影响。尽管有些地方采用工程塑料作为控制按扭盒的外壳材料，但由于内部隔爆型按钮的存在也无法实现真正的方便高效。况且由于防爆电动起重设备的工作环境较为恶劣，悬垂按钮盒也会处在运动当中，与周边物体的磕碰也在所难免，一旦外壳破裂，则会使其防爆性能丧失。
对于非防爆型电动起重设备来说，为了提高工作效率，改善操作者的工作条件，采用联动控制台式成套控制输入设备（主控制台、控制按钮盒），该设备技术成熟、操作灵活。尽管现在也有单位生产隔爆型起重机控制台，但由于隔爆产品接合面长度、间隙以及外壳强度的要求，致使控制台重量很大，而且操控不够灵活，档位感差、造成其推广使用受到限制。
为了使防爆电动起重设备的控制输入同非防爆电动起重设备一样工作高效、操作灵活、轻便耐用，并且达到防爆要求，只需对非防爆起重设备的控制电路进行升级改造，满足本安防爆即可实现。
2 操作控制输入（控制按钮盒）的本安设计
2.1 电路原理
针对以上问题，实现控制输入的控制按钮盒采用本安防爆型是一个很好的选择。由于防爆起重设备的使用环境仅限于气体防爆的1区、2区和/或粉尘防爆的21区、22区环境，因此本安电路按ib等级设计即可。在隔爆型控制箱中加入本安关联电路，将经限能的电信号传送到悬垂控制按钮盒的每一个控制按钮中，则控制按钮即可实现本安防爆，电路原理见图1。
图1 控制按钮盒及其本安关联电路原理图
图1中控制按钮盒如采用非金属外壳则其表面电阻不得大于109Ω。对于需要按钮数量较多的应用场合，可以采用阶梯按钮，便于操作双速机构的同时可以减少按钮数量，从而能够减小整个按钮盒的长度。图中按钮总数为7个，即n=7。本安回路和非本安回路不共地，通过光耦进行电气隔离，绝缘电压≥1500V。RL1～RLn为PCB用微型继电器，其电气参数为线圈电流小于10mA，输出接点能力为最大AC250V，2A。
2.2 本安电路关键参数计算与元件选择
考虑到悬垂控制按钮盒的引入电缆长度较长（最长可达50m左右），而且为了尽可能减小按钮触点接触电阻的影响，取工作电压为DC24V。
2.2.1 快速熔断器1F1、限流电阻1R0、变压器1T及熔断器1F0的选择（非本安部分的选择略）
1）工作电压为DC24V，则稳压二极管1ZD1、1ZD2的稳压值取DC25V。按稳压二极管稳压值为25V，考虑其参数偏差，最大稳压值为Vzm=Vz×（1+5%）=25×1.05=26.3V。根据GB3836.4—2010中表A.1电压为26.3V时，按1.5倍安全系数，允许短路电流（IIC）为139mA（0.139A），取限流电阻1R0的阻值为300Ω（精度5%）。
则最大短路电流：
满足要求。
1R0的功率为：
取5W。
2）为了保证光电耦合器的可靠输入，其输入电流取4～20mA，取输入电阻1R1～1Rn均取1.5kΩ。
一般情况下，能够同时闭合的按钮数量不会超过5个，假设按5个考虑。
在最多5个按钮同时闭合时，其等效电路见图2。
按照以上的取值，1R0=300Ω、1R1～1R5=1.5kΩ。
则此时总阻值RΣ为：1R0加上1R1～1R5的并联。
图2 5个按钮同时闭合时的等效电路
忽略光耦的输入LED管压降，则此时的电流值为40mA（本安电路最大工作电流）。则每个导通光耦的输入电流为8mA。
当仅有一个按钮按下时，RΣ=300+1500=1800Ω，则导通光耦的输入电流为13.3mA。即光耦的LED输入端电流值为范围为：8～13.3mA。可以满足光耦（一般4～20mA）的正常工作需要。
则最大使用电流为40mA左右。所以取1F1的额定电流为63mA，额定电压250V，分断电流≥1500A。
3）变压器1T的容量计算：本安回路正常工作时的最大电流为40mA。
1T1的功率为：
考虑功率因数及损耗同时考虑到变压器必须能够通过GB3836.4—2010第10.10规定的试验，变压器容量按2倍裕量选取，取其容量3VA，其一次、二次绕组之间应包覆有0.1mm厚的屏蔽铜箔，并引出至少2根0.75mm2的铜芯接地软线（接外壳内接地）。
4）熔断器1F0的选择：
1F0可选择0.05A、AC250V，分断电流≥1500A。
2.2.2 稳压二极管1ZD1、1ZD2的选择
正常工作时，最大电流为40mA，熔断器1F1额定电流为63mA所以取
1ZD1、1ZD2的功率为：
考虑到周围元件的热影响，取5W。
3 PCB板设计及电路浇封
应保证本安端子与非本安端子间距≥50mm，PCB板上稳压二极管两端印制线宽度≥2mm（80mil），间距最小值取0.7mm（28mil）。本安部分按照GB3836.4—2010中第6.6条款的要求进行浇封。PCB板图略。
4 控制输入（控制台）的本安设计
起重机控制台包括联动台和主令控制器的本安设计，可根据他们的闭合表，将上述电路模块进行组合，以每个分段同时闭合的触点数量不超过5个为原则，确定模块的数量即可。
5 安全使用事项
1）该本安模块应单独封装，并置于防爆型控制箱内部。本安电路接线端子与非本安电路接线端子的间距应大于50mm。
2）本安部分的电缆应单独设置。本安与非本安电缆/导线分开布置。
3）严禁在防爆区域打开防爆电气设备的外盖进行检修。
4）仔细阅读使用说明书，严格按使用说明进行。
5） 使用者除具备电气知识外，还需要掌握相应的防爆知识。
6 结束语
起重设备采用本安控制输入方式可以极大减轻控制按钮、控制台的重量，减小其外形尺寸，更符合操作者的使用习惯，并使得操作者的操控更加便捷、高效。值得推广使用。
[1]GB 3836.1—2010 爆炸性环境 第1部分：设备通用要求[S] .
[2]GB 3836.2—2010 爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备[S] .
[3]GB 3836.4—2010 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备[S] .
[4]JB/T 5897—2014 防爆桥式起重机[S] .
[5]JB/T 10219—2011 防爆梁式起重机[S] .
[6]JB/T 10222—2011 防爆电动葫芦[S] .
[7]兴自中，杨宝祥. 本安电路设计的基本原则与方法[J] .电气防爆, 1996(4)：8-15.
2001-02-23）
