第7章矿用分站矿用信息传输接口与矿用电源

1、第一节 矿用分站第二节 矿用信息传输接口第三节 矿用信号转换器第四节 矿用电源复习思考题矿用分站是煤矿安全生产监控系统的重要设备，接受来自传感器的信号，并按约定的复用方式远距离传送给传输接口，同时接收来自传输接口的多路复用信号，具有简单的数据处理能力，能够控制执行器工作的设备。一、 矿用分站的构成及其工作原理矿用分站一般由模拟量输入接口、开关量输入接口、开关量输出接口、串行数字街口、模拟量输出接口、系统接口、信息处理与存储单元、显示单元、报警单元、稳压电路等组成,如图7-1所示。（1） 模拟量输入接口将甲烷等模拟量传感器输出的频率型（或电流型、电压型）模拟量信号转换为数字信号送信息处理与存储单

2、元，并有本质安全防爆隔爆、抗电磁干扰等功能。模拟量输入接口通常由光电耦合器、频率/数字（F/D）转换器和滤波电路等组成。（2） 开关量输入接口通常由用于本质安全防爆隔离和抗干扰隔离的光电耦合器和滤波电路等组成，将设备开停等开关量传感器输出的开关量信号经隔离后送信息处理与存储单元。（3） 开关量输出接口一般由光电耦合器等电路组成，将信息处理与存储单元的数字信号转换为开关量信号输出至断电控制器等执行器。部分分站的开关量输出接口可用作频率型模拟量输出接口。（4） 模拟量输出接口一般由光电耦合器、数/模（A/D）转换器、滤波器等组成，将信息处理与存储单元的数字信号转换为模拟信号，并具有本质安全隔离和抗

3、干扰功能。（5） 串行数字接口由光电耦合器、滤波器、放大器等组成；将数字式传感器输出的串行数字信号隔离后送信息处理与存储单元；将信息处理与存储单元输出的数字信号隔离放大后送数字执行器。（6） 系统传输接口由光电耦合器、滤波器、放大器等组成；接收系统传输接口输出的串行数字信号隔离后送信息处理与存储单元；将信息处理与存储单元输出的串行数字信号隔离放大后送数字式执行器。（7） 显示单元由显示电路和驱动电路组成，用于分站电源指示、通信指示、故障指示、光报警、模拟量和开关量显示等。（8） 报警单元由光报警和声报警两部分组成。声光报警也可以外接声光报警器，也可以由显示单元完成光报警功能。（9） 信息处理与

4、存储单元一般由单片机和外围电路组成，完成多路信号复用传输、信号输入/输出、数据处理和执行器控制等功能。（10） 稳压电路将隔爆兼本质安全型直流电源远距离供给的非稳定直流电源稳定为可供分站使用的直流稳压电源。二、 矿用分站的主要功能1.通信功能分站具有与传输接口双向通信及工作状态指示功能。2.数据采集、显示功能分站具有模拟量采集功能，模拟量输入信号优先采用数字信号和频率型模拟信号。具有甲烷、一氧化碳、风速、风压、温度等模拟量采集和显示功能。分站具有开关量数据采集及显示功能。具有馈电状态、风筒状态、风门开关、烟雾等开关量采集和显示功能。3.控制功能分站具有甲烷浓度超限声光报警、断电/复电控制功能及

5、甲烷风电闭锁功能。（1） 甲烷浓度超限声光报警和断电/复电控制功能。甲烷浓度达到或超过报警浓度时，进行声光报警。甲烷浓度达到或超过断电浓度时，切断被控设备电源并闭锁，甲烷浓度低于复电浓度时，自动解除闭锁。与闭锁控制有关的设备未投入正常运行或故障时，应切断该设备所监控区域的全部非本质安全电气设备的电源并闭锁。当与闭锁控制有关的设备工作正常并运行稳定后，自动解锁。（2） 甲烷风电闭锁功能。掘进工作面甲烷浓度达到或超过1.0%时，发出声光报警；达到或超过1.5%时，切断掘进巷道内全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当掘进工作面甲烷浓度低于1.0%时，自动解锁。掘进工作面回风流的甲烷浓度达到或超过1

6、.0%时，发出声光报警，同时切断掘进巷道内全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当掘进工作面回风流甲烷浓度低于1.0%时，自动解锁。被串掘进工作面进风流中甲烷浓度达到或超过0.5%时，发出声光报警，同时切断被串掘进巷道内全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当被串掘进工作面进风流甲烷浓度低于0.5%时，自动解锁。局部通风机停止运转或风筒风量低于规定值时，发出声光报警，同时切断供风区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当局部通风机或风筒恢复正常通风时，自动解锁。与闭锁控制有关的设备（分站、电源、甲烷传感器、设备开停传感器、断电控制器等）故障或断电时，切断该设备所监控区域内的全部非本质安全型

7、电气设备的电源并闭锁。当与闭锁控制有关的设备接通电源1 min内，应继续闭锁该设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源。当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后，自动解除闭锁。严禁对局部通风机进行故障闭锁控制。4.初始化参数设置功能分站具有初始化参数设置和掉电保护功能。初始化参数可通过主站或编程器输入和修改。5.自诊断及故障指示功能分站具有自诊断和故障指示功能。6.备用电源功能分站具有备用电源或外接备用电源。当电网停电后，能对甲烷、一氧化碳、风速、风压、温度、局部通风机开停、风筒状态等主要监控量继续监控。三、 矿用分站的主要技术要求1.模拟量模拟量数字信号应符合煤矿矿用信息传输装置（M

8、T/T 899-2000）等有关规定。频率型信号应符合下列要求：频率范围为2002 000 Hz；在整个频率范围内其正脉冲和负脉冲均不得小于0.3 ms；有源输出高电平应不小于+0.3 V(输出电流为2 mA时)；有源输出低电平应不大于+0.5 V(输出电流为2 mA时)；无源输出截止状态的漏电阻应不小于100 k；无源输出导通状态的电压降应不大于0.5 V。电流型信号范围：15 mA或420 mA。2.开关量开关量数字信号应符合煤矿矿用信息传输装置（MT/T 899-2000）等有关规定。采用双电平和无源输出的开关量信号应符合下列要求：有源输出高电平应不小于+3 V(输出电流为2 mA时)，

9、有源输出低电平应不大于+0.5 V(输出电流为2 mA时)。无源输出截止状态的漏电阻应不小于100 k，无源输出导通状态的电压降应不大于0.5 V。3.模拟量输入与输出处理误差模拟量输入与输出处理误差应不大于0.5%。4.系统信号传输分站与传输接口、分站与分站之间信号传输应符合煤矿矿用信息传输装置（MT/T 899-2000）等有关规定。5.控制执行时间控制执行时间应满足有关要求。安全监控分站甲烷浓度超限断电及甲烷风电闭锁的控制执行时间不大于2 s。6.调节执行时间调节执行时间应满足有关要求。7.最大传输距离传感器及执行器至分站之间的最大传输距离应不小于2 km；分站至传输接口、分站至分站之间

10、的最大传输距离不小于10 km。8.最大监控容量分站所能接入的传感器、执行器的数量宜在2、4、8、16、32、64、128中选取。9.备用电源连续工作时间电网停电后，备用电源连续工作时间不应小于2 h。矿用信息传输接口接收分站远距离发送的信号并送主机处理，接收主机信号并送相应分站。传输接口还具有控制分站的发送与接收，多路复用信号的调制与解调，系统自检等功能。一、 矿用信息传输接口的组成及工作原理矿用信息传输接口由系统通信电路、主机通信电路、信息处理电路、显示电路、双机切换电路和电源等组成，如图7-2所示。（1） 系统通信电路负责与分站双向串行数字通信，并具有本质安全防爆隔离功能。系统通信电路通

11、常由光电耦合器、整形电路、滤波电路和放大电路等组成。（2） 主机通信电路负责与主机双向串行数字通信。（3） 显示电路用来指示电源、系统通信状态、主机通信状态、主/备机工作状态等。（4） 信息处理电路用来系统通信管理、主机通信管理、双机切换控制等。二、 矿用信息传输接口的基本功能（1） 通信功能。信息传输接口具有与分站、主机等设备双向通信和指示功能。（2） 诊断功能。信息传输接口具有故障诊断和指示功能。（3） 双机切换功能。信息传输接口具有支持系统的双机切换（自动和手动）功能并有相应的指示。（4） 防雷电。信息传输接口有防雷措施。（5） 电源指示。信息传输接口具有电源指示功能。（6） 输入输出信

12、号。信息传输接口具有本安与非本安全隔离功能的接口与分站通信的输入、输出信号为本质安全信号。三、 矿用传输系统的主要技术要求1.最大传输距离接口至分站间最大传输距离不小于10 km，独立设备的接口至主机之间最大传输距离不小于5 m。2.最大监控容量接口所能接入的分站的数量宜在8、16、32、64、128中选取。3.系统信号传输接口与分站之间信号的传输应符合煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求（MT 2091990）的有关规定。接口与主机之间应采用串行数字信号传输、通用标准接口，并符合有关规定。网络接口采用标准接口，并符合有关规定。矿用信号转换器是将模拟信号与数字信号进行相互转换的设备。

13、传感器输出信号有电压型、电流型、频率型和数字型等，为将各种输出信号的传感器接入分站，需使用矿用信号转换器。一、 矿用数字信号转换器的组成及工作原理矿用数字信号转换器通常由模拟信号输入电路、开关信号输入电路、模拟信号输出电路、开关信号输出电路、数字信号输入/输出电路、信号转换电路、显示电路和电源等组成，一、 矿用数字信号转换器的组成及工作原理矿用数字信号转换器通常由模拟信号输入电路、开关信号输入电路、模拟信号输出电路、开关信号输出电路、数字信号输入/输出电路、信号转换电路、显示电路和电源等组成，如图7-3所示。（1） 模拟信号输入电路具有放大、光电隔离等功能，可以输入电压型、电流型和频率型模拟信

14、号。（2） 开关信号输入电路具有整形、光电隔离等功能。（3） 模拟信号输出电路具有驱动、光电隔离等功能，通常输出频率型信号，也可以输出电流型和电压型信号。（4） 开关输出电路具有驱动、光电隔离等功能。（5） 数字信号输入/输出电路具有放大、光电隔离、驱动等功能。该电路通常有RS-485、CAN、PROFIBUS、LANWORS、以太网等多种接口。（6） 信号转换电路通常由单片机及外围电路组成。对于复杂的数字信号转换，可以采用专用芯片等完成各种信号之间的转换。（7） 显示电路完成工作状态、通信、输入、输出、电源等指示。二、 矿用信号转换器的主要功能 1.转换功能转换器应具有下列信号转换功能之一或

15、其组合功能：（1） 将频率型、电流型、电压型模拟量信号转换为数字信号的功能（2） 将电流型、电压型模拟量信号转换为频率型模拟量信号的功能。（3） 将开关量信号与数字信号量相互转换的功能。（4） 将RS-485、工业现场总线、工业以太网信号等数字信号相互转换功能。（5） 其他信号转换。2.自诊断功能转换器具有自诊断功能，并具有电源指示和故障指示等工作状态指示。3.信号输入/输出功能用于爆炸性环境的转换器的输入、输出信号是本质安全的。三、 矿用信号转换器的主要技术要求1.模拟量模拟量数字信号应符合煤矿用信息传输装置（MT/T 8992000）等有关规定。频率型信号应符合下列要求： 频率范围为200

16、1 000 Hz。 在整个频率范围内其正脉冲和负脉冲宽度不得小于0.3 ms。 有源输出高电平电压不小于+3.0 V(输出电流为2 mA时）。 有源输出低电平电压应不大于+0.5 V(输出电流为2 mA时)。 无源输出截止状态的漏电阻应不小于100 k。 无源输出导通状态的电压降应不大于0.5 V(电流为2 mA时)。电流型信号范围：15 mA或420 mA。2.开关量开关量数字信号应符合煤矿用信息传输装置（MT/T 8992000）的有关规定。采用双电平和无源输出的开关量信号应符合下列要求： 有源输出高电平电压应不小于+3.0 V(输出电流为2 mA时),有源输出低电平电压应不大于+0.5

17、V(输出电流为2 mA时)。 无源输出截止状态的漏电阻应不小于100 k，无源输出导通状态的电压降应不大于0.5 V(电流为2 mA时)。3.模拟量信号转换处理误差模拟量信号转换处理误差应不大于0.5%。4.转换时间信号转换时间应不大于2 s。5.最大容量信号转换器接入传感器和执行器的数量宜在1、2、4、8、16、32、64、128中选取。一、 矿用电源1.矿用电源及分类矿用电源是指矿井安全监测监控系统装置所使用的电源及检测装置（如甲烷浓度超限断电仪、甲烷风电闭锁装置等）的供电电源。矿用电源一般要求是隔爆兼本质安全型的直流电源。为了保证井下电网停电后，维持安全监测监控系统正常工作时间不少于2

18、h，还需要配备备用电源。煤矿安全监测监控系统的电源一般为隔爆兼本质安全型或者为浇封兼本质安全型。矿用电源的输入与输出之间必须进行电气隔离，一般采用降压变压器进行电气隔离。为保证本质安全型防爆电源在正常工作条件下和规定的故障状态下所产生的电火花和热效应均不能引起瓦斯煤尘爆炸，本质安全型电源的限流或恒流、限压或稳压等保护环节必须设置双重化或三重化保护功能。煤矿井下供电电网的电压波动范围较大，负载的变化也较大。为了减小矿用电源的体积和质量，就必须减小电源的功耗，这需要提高电源的工作效率，要求矿用电源必须是高效率的。采掘、运输等井下设备具有功率大、启（制）动频繁、供电距离远，容易造成井下供电电网的波动

19、范围较大。因此，要求矿用电源具有适应电网电压波动范围大的能力，在75%110%的输入交流电变化范围内能正常工作。井下潮湿、粉尘浓度大，且常有顶板冒落、机械碰撞等事故发生，这些会造成负载或电缆短路。因此，矿用电源要有短路保护、过流保护等功能，同时要防潮、防水、防尘、防霉、防腐。若发生短路或断路等故障，在故障排除后，电源应能自动恢复供电。2.矿用电源的功能（1） 电源指示功能。即具有输入、输出电源指示功能。（2） 保护功能。即具有双重化的限流、限压和短路保护功能，故障撤销后能自动恢复。（3） 其他功能。即具有备用蓄电池的直流电源应具备电源指示功能；采用浮充充电方式，并具有防过充、过放保护；在相关标

20、准中规定转换时间、工作时间和充电时间。3.矿用电源的主要技术要求（1） 交流额定输入电压，宜同时满足127 V和220 V输入，也可在127 V、220 V、380 V、660 V、1 140 V中选取。（2） 最小输出电压，应能满足受电设备正常工作的需要，并在相关标准中明确规定。（3） 额定工作电流，应能满足受电设备正常工作的需要，并在相关标准中明确规定。（4） 周期与随机偏移，线性电源不小于50 mV，开关电源不小于250 mV。二、 矿用直流电源的组成及其工作原理1.矿用直流线性电源矿用直流线性电源具有稳定度高、负载稳定度高、输出纹波电压小、瞬态响应速度快、线路结构简单、便于维护、没有开

21、关干扰等优点。一般由电源变压器、整流电路、滤波电路、双/多重化限流限压电路等组成，如图7-4所示。（1） 电源变压器将交流输入的电网电压降为电源所需要的交流低电压，并具有输入、输出电气隔离的功能，有利于实现本质安全防爆的功能，提高了电源工作的可靠性。电源变压器一般为干式变压器，包括铁芯、线圈、引线和外壳等。（2） 整流电路一般为桥式整流电路，其作用是将交流电压变换为直流电压。电源整流电路所用的电子元件为二极管，所用整流电路为单相整流电路，有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路三种结构形式。（3） 滤波电路一般采用电容滤波，滤除交流分量。滤波电路一般由电阻、电容、电感等组成。（4） 双/多重

22、化限流限压电路，其作用是保证在正常工作条件及规定的故障状态下，电源输出的最高电压和最大电流不超过允许限制值。对ia等级的本安电源应具有三重化限流和限压功能电路；对ib等级的本安电源应具有双重化限流和限压功能电路。2.矿用开关电源 矿用开关电源具有体积小、重量轻、电网电压波动适应能力强、过载能力强、输入电压范围宽等优点。矿用开关电源一般由输入电路、功率变换电路、输出电路和控制电路等几部分组成，如图7-5所示。开关电源的驱动方式分为自激式和他激式2种。功率变换电路分为非隔离型、隔离型和谐振型等。高频变压器铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶态磁芯。功率开关管通常采用开关速度高、导通和关断时间短的元件，开关

23、元件的导通控制方式由脉宽调制、脉频调制、脉宽和脉频混合调制等多种方式。输出电路的主要作用是将高频变压器二次绕组输出的方波电压整流成单向脉动直流，并将其平滑滤波成低纹波的直流电压，作为直流电源。控制电路的主要作用是向驱动电路提供矩形脉冲，以控制脉冲的宽度，从而达到调制输出电压的目的。由于矿用开关电源输出端一般都有用于滤波的大电感和大电容，难以满足本质安全电气防爆，故目前很少使用。3.矿用直流线性电源的主要技术要求矿用直流线性电源的主要技术要求有额定输入电压、允许输入电压范围、额定输出电压、输出电压范围、最大输出电压、额定输出电流、最大输出电流、稳定系数、电压调整率、电流调整率、输出电阻、最大纹波

24、电压、纹波系数等。其中，最大输出电压、最大输出电流是本质安全防爆电源的重要安全指标。（1） 额定输入电压是指矿用电源标称输入电压，如36 V、127 V、220 V、380 V等。（2） 允许输入电压范围是指矿用电源允许输入电压范围，通常用额定输入电压的百分比表示，如（75%110%）U1；也可用允许输入电压的上限和下限表示，如95140 V。当输入电压超出输入电压范围，电源将损坏，或不正常，或失去防爆。（3） 额定输出电压是指矿用电源标称输出电压，如5 V、6 V、9 V、12 V、15 V、18 V、24 V等。（4） 输出电压范围是指矿用电源在规定的输入电压范围内和输出电流不大于额定输出

25、电流的情况下，输出电压的变化范围。输出电压范围可用上下限表示，如4.755.25 V；也可用额定输出电压的相对值表示，如5%。（5） 最大输出电压是指矿用电源在开路等情况下所能输出的最大电压。（6） 额定输出电流是指矿用电源标称的电流。当输出电流不超过额定输出电流，输入电压在允许输入电压范围内时，电源的输出电压范围和防爆性能都能得到保证。当电源的输出电流大于额定输出电流时，电源的输出范围等技术要求将难以保证，但防爆性能必须得到保证。（7） 最大输出电流是指矿用电源在短路等情况所能输出的最大电流。若矿用电源的输出电流大于最大输出电流，则无法保证防爆。（8） 稳压系数是指输入交流电压变化（用V1表

26、示）所引起的输出直流电压的变化量（用V0表示）。稳压系数越小，电压输出越稳定。稳压系数又分绝对稳压系数和相对稳压系数。（9） 电压调整率是指负载为额定负载时，输入交流电压在额定值上下变化10%时，稳压电源输出电压的相对变化值。（10） 电流调整率是指在额定交流输入电压条件下，负载电流从零变化到额定输出电流值时，输出电压的变化量与额定电压的比值。电流调整率反映了电源对负载电流变化的适应能力。（11） 输出电阻（电源内阻）是指在额定输入电压不变的情况下，负载电流变化量与所引起输出电压变化量的绝对比值。该值越小越好。 （12） 最大纹波电压是指在额定输入电压、额定输出电压、额定输出电流不变的情况下，

27、输出额定直流电压叠加的交流电压分量的最大比值。（13） 纹波系数是指在额定输入电压、额定输出电压、额定输出电流不变的情况下，输出波纹电压的有效值与输出直流电压的比值。波纹系数越小，说明电源的输出电压越平滑，电压品质越好。三、 矿用备用电源当井下交流电网停电后，为保证安全监控系统正常工作，且正常工作时间不小于2 h，矿井监控设备必须配备备用电源，一般选择铅酸蓄电池作为备用电源。（一） 矿用备用电源的特点1.采用蓄电池作为备用电源矿用安全监控装置备用电源由于要求维持正常工作时间不小于2 h、输出功率较大、交流电源与备用电源转换频率较高，并要求不间断供电特点，在备用电源的种类中，只有蓄电池能满足这些

28、要求，所以矿用安全监控装置备用电源宜采用蓄电池。为满足煤矿井下本质安全防爆性能的要求，目前，蓄电池普遍采用无记忆效应、容量适当、充电方便的铅酸蓄电池。考虑到置于隔爆外壳内的蓄电池维护、保养的困难性，一般采用安全密封、免维护的铅酸蓄电池。2.蓄电池应采用连续浮充制蓄电池的充电方式有循环充放电制、定期浮充制和连续浮充制3种。循环充放电制一般用于便携式、移动式蓄电池，如矿用电机车、矿灯、便携式甲烷检测报警仪和便携式工具等用的蓄电池。定期浮充制是指由电网整流设备供电和蓄电池分时向负载供电。这种充电方式不适合煤矿井下随机断电、备用电源必须保证当电网停电后维持2 h正常供电的特殊要求。例如，当蓄电池供电结

29、束时，恰好遇到井下电网停电，由于蓄电池电量已放净，因此不能向负载供电。连续浮充制是将蓄电池并接在负载回路上，负载所需的能量主要由整流电路提供，整流设备同时向蓄电池小电流充电。当电网停电或整流电路电压低于蓄电池电压时，蓄电池向负载供电。3.备用电源要与主电路共用输出限压（稳压）和限流（恒流）电路为保证备用电源的本质安全防爆性能，铅酸蓄电池不能直接向负载供电，必须经过双重或多重的限压和限流保护电路。为避免电路的重复设计，减少体积和质量、降低成本，备用电源与主供电电源的输出保护电路宜共用。（二） 蓄电池的主要技术要求作为矿用备用电源的蓄电池主要技术指标有：电动势、开路电压、工作电压、容量、内阻、自放

30、电率、比能量、比功率和寿命等。（1） 电动势是指电池在理论上输出能量大小的量度之一，是电池的两个电极的平衡电势之差。如果其他条件相同，电动势愈高的电池，理论上能输出的能量愈大。（2） 开路电压是指电池在开路状态下的端电压。电池的开路电压在数值上接近电池的电动势。（3） 工作电压是指电池接通负荷后在放电过程中的显示电压。电池的工作电压低于开路电压。（4） 容量是指电池在一定的放电条件下所能给出的电量。电池的容量可分为理论容量、额定容量、实际容量和标称容量。（5） 内阻是指电流通过电池内部时引起电压的变化程度。电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻，两者之和为电池的全内阻。其中欧姆内阻遵守欧姆定律，极化内阻随电流密度增加而增大，但不是线性变化，而是随电流密度的对数增大而增大。（6） 自放电是指