煤矿安全监控系统浪涌防护的有效技术措施

文/谢春华

对于微电子系统来说浪涌防护是非常关键的一环，对于电子信息系统，尤其是煤矿的安全监控系统，随着井下电子信息设备越来越多，如果遭遇浪涌，对电子信息设备的影响大，因此为维护煤矿安全监控系统的安全正常运行，探索其浪涌防护技术将具有显著现实意义。

1 浪涌的影响

一般情况下，电子信息设备遭遇浪涌主要有两种情况，一种是设备供电线路周边遭遇雷击，产生雷电流感应，而在电路当中出现瞬时强大电压或电流。对于微电子设备而言，在这种情况下会因为瞬间的强大的电压而倒是设备出现损坏。另一种情况则是电路在切换开关时，可能会在瞬间产生强大过电压，如主电源系统在切换开关时产生的干扰等。

对于煤矿安全监控系统而言，其是为了保证煤矿安全生产而特别设计的安全监控系统，如果该系统遭遇浪涌危害，那么有可能出现两种情况，第一种情况是当浪涌强度大且超过了系统设备的承受能力，那么极有可能在设备遭遇浪涌后直接损坏。在做系统设计时就需要考虑到如何去抑制这种情况。当发生过电压或过电流，但过电压或过电流都不强，会产生累积性的浪涌危害，即第二种浪涌的危害形式，它可以让系统设备半导体元件的性能发生衰退，缩短设备的使用寿命，这种危害在前期不一定能够感受到，但到了后期一旦出现问题，造成的影响也非常大，所以这方面在安全监控系统设计时也是需要考虑的。

2 煤矿安全监控系统浪涌防护分析

2.1 关于基于CAN总线的安全监控系统浪涌防护思考

在煤矿安全监控系统的设计当中，CAN总线是一种常用的现场总线，在煤矿生产现场，安全监控系统的运行可靠性非常重要，CAN总线如果遭遇浪涌那么将可能造成极大的危害，所以研究煤矿安全监控系统的浪涌防护技术具有显著现实意义。在CAN总线的浪涌防护当中，目前国内外通常使用浪涌防护装备来抑制浪涌，包括GDT、MOV、TVS、TSS等，这些防浪涌元器件基本上都是非线性元件，在设计当中通常会布置在CAN接口的电路两端，并且并联在电路当中。这些防浪涌元器件相对来说都能够起到比较好的浪涌防护作用，但是因为设备的响应时间、流通容量、钳位电压等不一样，如果用在CAN总线当中哪种性能会更好，目前来说尚没有一个较为准确的定论。在煤矿的安全监控系统设计当中往往会凭借经验来进行设计，可能会造成在后续使用当中不满足可靠性要求。

在一个典型的基于CAN总线的煤矿安全监控系统中，由一台工业控制计算机作为上位机对整个系统进行管理，上位机通过CAN总线连接生产现场的分站。在现场的分站每一个分站接点都有内嵌CPU，有各种传感器。CPU将各种传感器的信号转化成CAN标准信号，在将信号上传上位机并转发到执行器接点。

一个典型的井下分站包括总线，CAN收发器，光电耦合器，CAM控制器，CPU，数字量输入电路和数字量输出电路。其下还有传感器，执行单元等硬件。对于CAN现场总线而言，耦合途径是浪涌的主要传导方式，对于硬件设备而言，对浪涌最敏感的设备是CAN接口电路，因此在基于CAN总线的煤矿安全监控系统设计时，考虑从三个方向上来进行防浪涌，包括抑制干扰源，削弱干扰源的影响力，切断耦合途径，提高敏感设备的抗干扰能力。

CAN总线是一种串行通信，在设计时考虑借鉴成熟的RS485的抗干扰设计，并选择市面上现有的防浪涌器件并放置在CAN线路当中，形成整体的浪涌防护体系。

2.2 煤矿安全监控系统浪涌防护

为了保证安全监控系统浪涌防护体系的有效性，考虑在总线及接口之间加入防浪涌设计。一般的浪涌防护，可以考虑在CAN接口前串联一个阻抗，利用阻抗来对抗孙太电流，在低频时该阻抗为电阻或者电感。在导线之间以及导线与地之间要并联一个阻抗，该阻抗用来抑制电磁暂态，这个阻抗一般可用GDT、TVS等。当总线当中传输的信号远低于出现的干扰信号时，该阻抗就可以作为电容存在于电路当中，并且与串联的另一个阻抗形成低通滤波器。当总线中传输的有用信号大时，那么并联的阻抗就可以作为电感存在于电路中，并且与串联阻抗组成高通滤波器。

在考虑做浪涌防护体系时，要注意，保护电路不能对系统产生影响，但可能因为电磁环境比较恶劣而降低保护的效果，所以在设计浪涌保护体系时，务必要选对浪涌抑制器，要准确地把握不同抑制器的性能，防止浪涌保护器的一些非理想的特性对系统造成影响。而要保证保护电路的效果，主要还要考虑保护器件的残压水平，保护效果越好，那么残压水平与被保护电路的工作电压越相近。这是理想状态下的情况，现实当中并没有必要去追求低残压水平，因为过分的追求低残压水平可能导致保护电路本身性能缩减。所以在设计浪涌防护体系时，一般都考虑做多级防护，利用不同浪涌保护器的性能特性来进行合理的组合，形成多级保护的效果。例如，将GDT或MOV作为第一级保护，因为这两类保护器能够泄放较大的过电流，可以降低后面设备因为过电流带来的冲击。在第二级保护中一般可以用MOV或TVS来进一步降低过电流。如果在加上一个钳位元件来做第三级保护，那么则可以将保护电路中的设备的电位限制在一个极低的水平，这一类钳位元件通常可以用TVS或TSS来构成。

在上述多级保护电路当中为了保证电路之间的配合合理，并且实现最大的保护器使用期限，一般还需要考虑在电路之间加入去耦电路。在一类电路一般可以通过电阻或者电感来组成，不过注意电阻不适合放在电源回路当中，即便电阻可以实现衰减长脉冲，但是容易发热。而电感则比较适合用在电源回路中，用以消除短脉冲，但对长脉冲基本上没有效果。所以在CAN总线中考虑将电阻和电感组合起来运用。

因此，在构建基于CAN总线的安全监控系统的浪涌防护体系，应注意浪涌防护体系应当具备强钳位能力能够限制过载电压，电路末端的钳位电压应当尽可能地与最大的工作电压相近。保护器要具备快速响应能力，对于响应时间而言应当尽可能地保证在ns级别。保护器在系统正常运行当中要不能够产生影响或者影响可以忽略不计，在这一前提下，保护体系的等效并联电阻可以尽可能的大，而串联电阻或者并联的电容则应当尽可能小。在遭遇浪涌后，保护电路当中的元件应当能够立即恢复。当然还需要考虑一下成本问题，所选择的保护元件要尽可能的体积小，成本低，方便维护。

3 结语

综上所述，通过上述方法对基于CAN总线的煤矿安全监控系统进行防浪涌设计，在实践当中产生了应有的效果，通过在系统的直流电源端口和信号端口构造多级防护，并利用500V浪涌信号对该多级保护体系进行实际测试表明，经过多级保护电路的限制，在靠近电源芯片的峰值电压为30V，信号端的峰值则为29.6V，基本上可知上述方法是有效的。但在实际测试当中发现GDT因为响应动作比较慢而存在漏掉峰值电压的可能，好在下级的保护器提供了快速响应能力，可保护系统，但对下级保护器的使用寿命影响非常大。所以在实际的设计当中关键还是要选对保护器。只要保护器选对，在浪涌保护设计时，难度就很低了。