DJC4.0／660-Z矿用车载甲烷断电仪主机的设计

胡智芳

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司 2.重庆安标检测研究院有限公司）

0 引言

由于我国煤炭经济的高速发展，煤矿的安全生产事故也随着不断增加，因此煤矿安全生产引起高度重视。煤矿安全生产事故中的瓦斯事故尤为频繁，时刻威胁着煤矿的生产安全，时刻威胁着矿井人员的生命及煤矿的财产安全，所以寻找一种能对瓦斯进行实时测量与监控，并及时进行预警及控制对煤矿安全生产具有非常重要意义。甲烷断电仪主机通过测量甲烷浓度、逻辑判断和执行输出三个部分完成预定的报警、断电控制功能，它的产生给矿井安全生产带来好消息，很快便成为矿井安全生产最重要的辅助设备。然而，目前应用在煤矿辅助运输设备单轨吊车上的车载式甲烷断电仪主机大部分存在检测精度和可靠性不高的弱点；其次，在断电控制技术上，由于目前使用的大多车载式甲烷断电仪主机采用的是电磁继电器，在应用中有明显的延时长、可靠性低的缺点，使得煤矿安全生产中瓦斯事故仍得不到保证。针对目前这种车载式甲烷断电仪主机的测量精度不高、断电控制可靠性不高、通信功能不完善及电源供电等问题［1］，本文做如下研究内容：检测甲烷浓度的检测头选择基于半导体激光器的光谱吸收的原理；数据通信功能部分选择RS-485总线、RJ45网口通信技术实现的主机；断电控制部分选择新型固态继电器，大大提升可靠性。围绕GD32F103c8t6芯片的架构，设计甲烷浓度检测、电源缓启动、交直流切换、断电控制、声报警、数据传输、显示以及本安电源输出等硬件电路。通过试验证明［2-4］，这款主机达到设计要求，完善功能需求，实现稳定可靠的运行；另外，外部电源和备用电源的切换供电，实现完成甲烷浓度的检测、可靠的断电控制以及声光报警、可靠的通信、甲烷浓度上传等功能。

1 甲烷断电仪主机的工作原理

甲烷断电仪主机通过数字485信号下发寻址采集和采集频率信号两种方式，信号送至甲烷断电仪主机，由GD32F103c8t6芯片进行处理，驱动数码管显示甲烷传感器检测的甲烷浓度值浓度，通过预置主机的报警点和断电点，实现继电器触点吸合，控制被控设备供电运行，如图1所示。

图1 甲烷断电仪主机工作原理

2 断电控制逻辑

当监测的甲烷浓度在（1.5～1.8）%CH4时，甲烷断电仪主机应及时报警，当甲烷浓度≥1.8%CH4时，断电仪主机及时切断设备电源。单片机将接收到的传感器信号进行处理，换算为实际的甲烷浓度值，使得数据得到直观的显示。报警点、断电点、复电点等功能由遥控器进行设定并存储，通过中间继电器控制设备实现信号输出控制电路的报警或切断设备电源。

3 交直流供电转换

甲烷断电仪采用两种供电方式［5-8］，一种是交流供电AC 127V／AC 220V／AC 380V／AC 660V，一种是直流供电DC 24V，直流供电用外接的隔爆兼本安型电池箱。交流输入经过AC-DC模块转换为24V直流输出，直流输入通过缓启动电路（见图2）向后级电路供电。

图2 缓启动电路

当甲烷断电仪仅为直流供电时，GD32F103c8t6芯片判断后触发JL_CTL信号，Q2导通，Q1导通，实现直流供电，当甲烷断电仪切换为交流供电时，GD32F103c8t6芯片判断后停止触发JL_CTL信号，Q2关闭，Q1关闭，实现交流通过AC-DC模块转换为24V直流输出供电（见图3）。

图3 交直流供电转换电路

4 信号传输处理

设定的甲烷断电仪主机的甲烷浓度值在（0.00～4.00）%CH4范围内对应的甲烷传感器输出频率信号为（200～1000）Hz，信号接收电路将频率信号进行放大、整形后发送GD32F103c8t6芯片进行处理，显示。

频率信号与甲烷浓度的转换关系［9］为：

式中，G为检测输出信号Pi对应的甲烷浓度值，%CH4；Gm为输出电信号上限对应的甲烷浓度值，%CH4；G0为输出电信号下限对应的甲烷浓度值，%CH4；Pi为检测的输入电信号，Hz；Pm为输出电信号范围上限标称值，Hz；P0为输出电信号范围下限标称值，Hz。

甲烷断电仪主机采用两路RS485半双工的通讯方式进行上、下行数据传输，上行传输以2400bps传输速率与中心站通讯，下行传输以4800bps传输速率由甲烷传感器与甲烷断电仪主机通讯。因甲烷断电仪主机的供电为非安，所以需要将信号处理成本安，RS485 A／B信号线上设计安全栅电路（见图4），由电阻R48／R49、稳压管D7／D8／D11／D12 BZG04-8V2（DO-214AC）组成限流限压电路。

图4 RS485安全栅电路

5 本安电源输出设计

为保证甲烷断电仪主机外接的甲烷传感器和声光报警器的供电需求，采用两路24V／550mA的本安电源模块（见图5）进行供电。一路外接声光报警器同时给内部蜂鸣器供电，另外一路接甲烷传感器。

图5 电源安全栅电路

IC1和IC2为24V／550mA的本安电源模块，由内部24V隔离变压模块及两级限压限流电路组成，构成可靠的本安电源输出。

6 控制输出设计

由GD32F103c8t6芯片将实时采集到的甲烷浓度与设定的报警值、断电值进行比较，当甲烷浓度达到设定值时，即从GD32F103c8t6芯片的IO口C_JDQ／L-DD输出控制信号，使得Q10导通，控制继电器动作。电路中继电器需要进行特殊设计，第一安全设计，需在继电器的控制端放置两个二极管，用于能量泄放，第二继电器作为打火元件，需要与两个二极管作为整体进行浇封（见图6）。

图6 断电控制电路

7 软件设计

软件程序采用模块化结构，主要分为数据采集，浓度值的转换、显示及遥控参数设定，断电条件判定和复电条件判定这几个部分。为了安全起见，首次上电1min内，断电仪仍处于断电状态，并对传感器的状态进行判断，当确定传感器状态正常后，再进入甲烷浓度及状态监控等工作。

8 甲烷断电仪主机的检测

评定甲烷断电仪主机的可靠性和稳定性，主要检验跟踪误差、7天稳定性、控制执行时间这三个技术性指标［10］。

跟踪误差是用浓度为（0.5、1.5、2.5）%CH4±0.1%CH4的标准气样，通（150mL／min）四次，每次3min，记录断电仪的显示值，取后三次的算术平均值作为测量值与标准气体的差值，作为基本误差。测试结束后用清洁空气清洗3min，再进行一次试验，24h后再按上述方法进行测试，计算跟踪误差值。

连续工作七天，每隔12h测试其功能，调整零点用0.5%CH4通（150mL／min），试验期间不得调整断电仪主机。漂移量按下式计算：

式中，δ0为零点的漂移量；δ1.5为1.5%CH4甲烷浓度漂移量；D为标准甲烷气体浓度，%CH4；Di为实际测量次数的显示值，%CH4；N为实际测量次数。

执行控制时间检测，主机需带模拟负载，待送电稳定运行后，外接可调的电流、电压、频率等信号发生器，当输入信号达到断电时，记录输入信号与输出点的动作时间，连续测试三次，取最大值。

9 结束语

本主机按煤矿防爆安全技术标准进行设计，通过安标认证专业检验机构的矿用隔爆技术严格的检验，在现场矿井安装和使用过程中，各项主要技术指标均达到标准规定的最高技术要求，运行安全、稳定、可靠。