煤矿安全监控系统浪涌防护的有效技术措施

发表时间:2019/12/16   来源:《防护工程》2019年16期   作者:郭传军
[导读] 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。

淄博王庄煤矿有限公司  山东省淄博市  255400
        摘要: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。
        关键词:CAN总线;煤矿;安全监控系统;浪涌防护
       
       
引言: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。
        1.CAN物理层原理
        CAN只定义了ISO/OSI模型中全部七层中的两层:数据链路层和物理层。本文从CAN的抗浪涌干扰能力出发,所以只从CAN的物理层结构出发进行分析。CAN总线式的拓扑结构如图1所示。CAN可以通过中继器改变拓扑结构,如星型、网状等结构。短截线长度小于0.3m。总线两端必须加终端电阻,典型值为120Ω。终端电阻第一起到阻抗匹配的作用,一般CAN线缆交流阻抗为120Ω(与线缆长度无关),CAN节点输入阻抗很大,为使得电流从CAN-高顺利流到CAN-低,回路阻抗必须连续减小信号反射因此在终端并联120Ω电阻。第二起到放电的作用,CAN收发器由隐形变成显形有晶体管驱动,所以上升沿很陡峭,但从显形回到隐形需要终端电阻放电,否则就会因为导线分布电容,缓慢放电,可能导致位宽错误。
        图1.CAN总线拓扑结构:
       
        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[1],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[2]。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。
        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[3],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[4]。
        结论:
        简而言之,文章根据GB/T17626.5-2008《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》对互连线浪涌的测试要求,对CAN总线原理进行简要研究分析,提出一种针对于煤矿安全监控系统CAN总线的浪涌测试方法。
        参考文献:
        [1]国家煤矿安监局:对煤矿安全监控系统进行全面升级改造[J].中国安防,2017,(24):15-15.
        [2]樊晓明.煤矿安全监控系统隐患治理及系统升级改造探讨[J].山东煤炭科技,2016,(10):56-58.
        [3]李伟忠.煤矿安全监控系统升级改造方案设计与实现[J].河北工业科技,2019,26(5):403-405.
        [4]张灵仙.煤矿安全生产监控系统的升级与改造[J].矿业安全与环保,2018,30(z1):81-82.

投稿 打印文章 转寄朋友 留言编辑 收藏文章
  期刊推荐
1/1
转寄给朋友
朋友的昵称:
朋友的邮件地址:
您的昵称:
您的邮件地址:
邮件主题:
推荐理由:

写信给编辑
标题:
内容:
您的昵称:
您的邮件地址: