礦用道岔控制器按鈕電路安全性分析與設(shè)計

摘要：介紹了一種礦用道岔控制器的按鈕電路，通過對現(xiàn)有按鈕控制方式的隱患分析與電路改進設(shè)計，闡述了其存在隱患的設(shè)計對策。通過對按鈕線路絕緣阻抗特性分析，結(jié)合線路絕緣檢測技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了具有絕緣檢測功能的按鈕線路漏電監(jiān)督電路，解決了因按鈕線路漏電引起的誤動作驅(qū)動，從而實現(xiàn)了道岔控制器的安全可靠工作。

0 引言

礦用道岔控制器主要用于礦山鐵軌運輸上，以取代“人工扳道器”。該通常由控制按鈕、執(zhí)行器、顯示器三部分組成，控制器接收到控制按鈕信號后，控制執(zhí)行器動作，推動道岔連桿到達目標(biāo)位置，位置傳感器將信號反饋給控制器，再由道岔指示器顯示道岔當(dāng)前位置，處于單機工作狀態(tài)，而關(guān)于道岔在按鈕控制狀態(tài)下的安全性研究很少，本文針對于此，結(jié)合道岔按鈕控制的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進行安全性分析，闡述其存在的安全隱患，提出改進對策。

1 按鈕回路安全性分析

控制器按鈕為二線制隔爆兼本安型白復(fù)式按鈕，外殼為金屬材料。在工作時，由于控制器的控制指令觸發(fā)源為控制按鈕信號，該信號的安全性對保障裝置的工作可靠極為重要。

不管道岔控制器是隔爆型還是隔爆兼本安型，按鈕信號回路一般設(shè)計為此兩種信號類型選其一：本安型信號或非本安型信號。眾所周知，本安信號回路與非本安供電側(cè)通常有AC(2U+1000)V的隔離耐壓設(shè)計要求(不小于AC1500V，U指本安電路與非本安電路的電壓有效值之和)，而非本安信號則無此設(shè)計限制，基于此，首先對控制按鈕回路的安全狀況進行分析，分如下兩種情況。

1.1 按鈕本安信號

由于礦井軌道運輸環(huán)境惡劣，經(jīng)常有潮濕浸泡、線路破損等因素，影響按鈕線路的絕緣性能，進而會使線路絕緣防護性能下降，又由于與主供電路有較高的隔離耐壓，當(dāng)發(fā)生按鈕回路線路因絕緣下降導(dǎo)致的較大漏電流時，為控制器供電的上一級供電設(shè)備即使有漏電保護功能也不會被檢測到，從而使設(shè)備處于帶病工作狀態(tài)，存在安全隱患。

如圖1所示，不管此按鈕回路信號的性質(zhì)是電壓型、電流型還是頻率型，當(dāng)遇到接線質(zhì)量不良、絕緣電阻下降或強磁干擾時，都會不同程度的使之突破邏輯門限，使等效電阻R0、Rx或Ry的阻值大幅度降低，進入非設(shè)計意圖工作區(qū)間，嚴(yán)重者導(dǎo)致按鈕回路誤導(dǎo)通，進而產(chǎn)生非人為控制觸發(fā)源，當(dāng)此時有車輛通過時，會造成機車車輛掉道事故，存在嚴(yán)重安全隱患，不符合故障安全導(dǎo)向設(shè)計原則。

1.2 按鈕非本安信號

針對于采用非本安信號設(shè)計的按鈕控制回路，由于非本安信號的電路特性，通常非本安信號與供電系統(tǒng)不受電氣隔離的設(shè)計限制;當(dāng)采用隔離設(shè)計時，分析如1.1不再贅述。下面主要分析按鈕信號與供電系統(tǒng)處于非隔離狀態(tài)下安全應(yīng)用狀況。

由于控制器工作電源的是礦用隔爆型供電綜合保護裝置，該保護裝置具有漏電保護功能，當(dāng)供電輸出線路發(fā)生漏電流時，可以切斷供電輸出，實現(xiàn)自動保護。即使此時控制器發(fā)出了驅(qū)動信號，因供電電源被瞬間切斷，執(zhí)行機構(gòu)不會發(fā)生動作。

由此可以看出，當(dāng)按鈕回路采取非本安信號設(shè)計時，其存在的安全隱患并沒有本質(zhì)上的改變，只是將本裝置的安全性寄托于供電保護裝置，當(dāng)遠(yuǎn)端的供電保護裝置發(fā)生保護不良時，仍然會存在引發(fā)道岔誤動作控制驅(qū)動的可能。

2 按鈕電路改進設(shè)計

為了徹底解決這一安全隱患，需要對道岔控制器的控制按鈕信號檢測電路進行改進設(shè)計，根據(jù)如上分析，按鈕信號檢測電路應(yīng)采用本安化設(shè)計，將信號回路設(shè)計為電流型，同時要遵循故障安全導(dǎo)向原則，在本安側(cè)增設(shè)漏電檢測電路。對于電纜線路的絕緣狀況監(jiān)督電路實現(xiàn)方式一般都采用直流支路檢測法，本文設(shè)計一種簡單的漏電監(jiān)督電路，如圖2所示。

圖2電路所示，對前述所分析的異常工況，能避免錯誤輸出，電路原理介紹如下：

AN-A、AN-B為外接控制按鈕的線路引出端口，SH為外殼接地引入端口。電路中，通過電阻R1、R2，可以將回路電流設(shè)計在一定的范圍內(nèi)，使按鈕信號回路電流有一定的健壯性;再通過電阻R13和光耦U2構(gòu)成的二次防護電路設(shè)計，可以有效實現(xiàn)對按鈕端子間等效電阻R0(圖1所示)的有效檢測，只有當(dāng)R0小于某個設(shè)計的電阻閾值時，才致光耦U1、U2同時導(dǎo)通，使AN-1、AN-2端口同時輸出邏輯“1”電平。

圖2電路中，電路設(shè)計為對按鈕本安回路的電壓型信號正極、負(fù)極同時進行漏地檢測。常態(tài)時AN-3端口輸出為邏輯“1”電平，當(dāng)因絕緣性能下降，絕緣電阻降低到設(shè)計閾值之下時，漏電檢測電路致U3光耦導(dǎo)通，漏地防護電路的AN-3端口輸出為邏輯“0”電平。

為了判定按鈕是否一次有效閉合，控制器CPU在對按鈕信號進行采集處理時，同時采集電路中端口AN-1、AN-2、AN-3輸出信號的邏輯狀態(tài)，進行邏輯“與”處理，并結(jié)合以時間為基準(zhǔn)的軟硬件過濾處理算法，只有采集到一定脈寬的信號才判定為有效控制信號，從而能從根本上解決按鈕信號回路的驅(qū)動安全隱患。

3 結(jié)束語

本文通過對礦用道岔控制器現(xiàn)有按鈕控制方式的隱患分析與電路改進設(shè)計，闡述了其存在隱患的設(shè)計對策。通過對按鈕線路絕緣阻抗特性分析，結(jié)合線路絕緣檢測技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了具有絕緣檢測功能的按鈕線路漏電監(jiān)督電路，解決了因按鈕線路漏電、觸點絕緣性能下降引起的誤動作驅(qū)動，從而實現(xiàn)了道岔控制器的安全可靠工作。

當(dāng)然，為了實現(xiàn)礦用道岔控制器的安全應(yīng)用，按照國家煤礦安全規(guī)程要求，裝備具有聯(lián)測聯(lián)控功能的監(jiān)控系統(tǒng)是必由之路，將工作現(xiàn)場的設(shè)備統(tǒng)一進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，能從根本上解決現(xiàn)場設(shè)備工作隱患問題。