高旭彬

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原030006； 2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室， 山西 太原030006）

0 引言

2020 年3 月國家發(fā)改委等八部委發(fā)布《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，制定了煤礦智能化發(fā)展階段及時間節(jié)點。陜西、山西、河南、貴州等產煤大省也都提出關于煤礦智能化建設的具體方案及標準。 煤礦智能化的實現(xiàn)，離不開設備的自主感知、智能感知。 煤礦智能化要求煤機裝備具備完善的感知能力， 能夠全面感知裝備特征、作業(yè)狀態(tài)、工況環(huán)境等，為采掘裝備自主決策、自主作業(yè)提供必需的數(shù)據(jù)支持。 文獻[1]提出智能化采煤裝備要實現(xiàn)3 個感知，感知采煤環(huán)境、感知裝備狀態(tài)、感知作業(yè)姿態(tài)。 文獻[2]提出智能掘進裝備應具備完善的傳感器、具備工作面環(huán)境智能監(jiān)測功能。

這意味著煤機裝備需要布設大量的傳感器， 煤機裝備電控系統(tǒng)在設計過程中要進行大量不同防爆型式電氣設備的配接。 例如本安與隔爆型式的配接，主要用于將本安型式的傳感器信號、通訊信號接入隔爆型式的電控箱。因此電控系統(tǒng)設計中經(jīng)常使用各種本安安全柵， 實現(xiàn)開關量、模擬量、頻率量、通訊等信號的本安/非安防爆型式轉換。

目前市場上安全柵種類、 型號眾多， 用戶可選范圍廣，為系統(tǒng)本安設計提供了很大便利。 但是這并不意味著使用了安全柵就一定能夠滿足防爆要求， 即使具備防爆合格證的安全柵， 設計人員如果不加分析直接應用也會破壞系統(tǒng)的本安特性，導致嚴重的安全隱患。

1 安全柵原理

1.1 安全柵定義

安全柵作為連接本安電氣設備與非本安電氣設備之間的接口設備，是防爆電氣系統(tǒng)設計中的主要關聯(lián)設備。一般將其定義為裝有本質安全電路和非本質安全電路，且結構使非本質安全電路不能對本質安全電路產生不利影響的電氣設備。其防爆原理是通過各種能量限制手段，使其本安側輸出的能量在規(guī)定試驗條件下產生的電火花或熱效應均不得點燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物[3]。其本安特性主要以本安參數(shù)進行描述。

1.2 安全柵種類

為了與不同類型和參數(shù)的本安設備配接， 相應的安全柵種類非常多。按通道數(shù)量可分為單通道和雙通道；按極性可分為有極性和無極性； 按信號種類可分為開關量和模擬量等。 各種安全柵從保護原理上主要分為齊納式和隔離式安全柵[4]，見圖1。

圖1 安全柵原理圖

隔離式安全柵不僅能夠有效抑制能量， 還可以對信號進行有效隔離。在保證安全的同時，大大增強了檢測和控制回路的抗干擾能力，獲得了大量應用。

1.3 安全柵防爆原理

與安全柵定義相對應， 只有安全柵輸出的電氣信號可被稱為本安信號， 其電路包含了非本安電路和本安保護電路，通過機械隔離、電氣隔離、電氣限能等設計手段來保證安全柵的本安輸出特性。

這里對限能單元進行簡單說明。 圖1（b）給出了限能單元的示意圖，限流電阻R 保證電源短路時為本安輸出；齊納二極管組合Z 把電壓限制在開路電壓以下； 當二極管導通時， 保險絲F 會熔斷，此時電路將斷開，阻止了二極管的損壞導致過量的電壓竄至本安輸出側[5]。需要注意的是，R、Z、F 可以是分立元件， 也可以是電路組合型式；所有并聯(lián)實施的保護需要考慮電路的可靠連接； 半導體保護元件須采用雙重化措施[6]。

2 安全柵在電控系統(tǒng)中的應用

2.1 系統(tǒng)應用要求

本文結合一種用于RS485 通訊信號防爆型式轉換的安全柵來進行說明。系統(tǒng)配置如圖2 所示，電控箱中布置了本安電源和安全柵。 本安電源用于為電控系統(tǒng)中本安設備供電， 安全柵用于電控系統(tǒng)本安通訊信號防爆型式的轉換。 本安電源輸出和本安通訊信號由一根4 芯電纜連接到外部設備。

圖2 系統(tǒng)應用示例

根據(jù)防爆標準要求，在考慮最不利的非計數(shù)故障和一個計數(shù)故障的情況下，該本安系統(tǒng)應滿足以下要求：不得破壞本安電源的本安特性、不得破壞配接的本安設備的本安特性、系統(tǒng)的連接也應滿足本安要求。

2.2 RS485 通訊信號安全柵結構

2.3 本安特性分析

根據(jù)防爆標準要求，在考慮最不利的非計數(shù)故障和一個計數(shù)故障的情況下[7]，該本安系統(tǒng)應滿足以下要求： 不得破壞本安電源的本安特性、不得破壞配接的本安設備的本安特性、系統(tǒng)的連接也應滿足本安要求。

對圖3 中的3 種限能電路進行分析，其輸出電壓、電流能量都已進行了可靠約束， 電路自身輸出完全滿足本安要求。但是當其接入系統(tǒng)后，安全柵自身和系統(tǒng)的本安特性是否還能滿足呢？ 我們以圖3（a）為例來進一步分析電路特征。

圖3 通訊信號隔離柵典型結構

為了準確判斷是否滿足本安特性， 應首先找出可能破壞本安特性的最不利的故障——電控箱外部信號線與電源線短路，然后對參考端放電。

（1）信號線A 發(fā)生短路故障。等效電路如圖4 中右上方電路。導致打火的短路電流由三部分疊加而成，本安電源自身短路電流I、安全柵內部等效電容經(jīng)過保險放電電流i、其它外部本安設備等效儲能元件的放電電流i′。 本安電源短路電流疊加i 和i′后是否能夠引燃瓦斯，應當根據(jù)等效儲能元件量、 考核電壓等參數(shù)進行火花試驗來驗證其本安特性。

本安電源自身能夠帶載一定的儲能元件， 從其本安參數(shù)最大外部電容Cout即可評定i′的安全性；系統(tǒng)中等效的儲能元件均使用可靠限流措施， 經(jīng)過限流后的放電電流會非常低。通過電路設計手段通過火花試驗，還是很容易實現(xiàn)的。

（2）信號線B 發(fā)生短路故障。 等效電路如圖4 中右下方電路。短路電流組成成分不變，但是安全柵內部等效電容無限流措施直接放電， 導致放電電流i 非常大。 而且，安全柵本身不是本安設備，內部儲能元件量要遠遠超出本安電源許可值。因此，該故障發(fā)生時整個系統(tǒng)的本安特性被完全破壞。

圖4 考察點設置及等效電路

因此圖3（a）這種方式并不能完全保證系統(tǒng)的本安特性。

對于圖3（b）、（c）所示安全柵，對于本安配電電壓在6～24V， 配電電流≤100mA 的應用場景能夠滿足系統(tǒng)本安要求?；蛘甙踩珫排c本安通訊終端一對一，通訊總線網(wǎng)絡拓撲位于非本安側的應用場景也是滿足要求的。 出現(xiàn)上述兩種故障時也不會破壞系統(tǒng)本安特性。 適用于現(xiàn)場智能儀表、智能傳感器信號傳輸?shù)阮I域，卻并不適合示例中的電控系統(tǒng)應用。原因在于電控系統(tǒng)中本安負載多，使用了配電能力強的CSTI-I 本安電源，其最大輸出電流可達1A 以上，一旦發(fā)生上述故障，安全柵的出口保護元件無法保證限壓單元的可靠性，導致本安保護失效。 因此，該類型安全柵對于總線拓撲位于本安側的應用場景也無法保證安全使用。

需要說明的是， 上述分析的故障點設置在了電控箱外部線路沿線， 類似的故障設置在電控系統(tǒng)的本安設備內部也會得到同樣的分析結果。

3 系統(tǒng)改進方案

通過對示例的分析可以發(fā)現(xiàn)， 本來能夠通過本安考核的單個設備連接到一起后卻失去了本安特性。 而且這些故障點非常隱蔽，極易被忽視，需要設計人員在設計過程中仔細推敲。

針對該示例， 我們通過切斷危險回路或改進限能電路的方式，提出以下幾種解決方案。

（1）系統(tǒng)中電源線和信號線分開布置，見圖5。

圖5 系統(tǒng)改進方案一

（2）改進信號線輸出方式一，見圖6。

圖6 系統(tǒng)改進方案二

（3）改進信號線輸出方式二，見圖7。

4 結論

安全柵為電控系統(tǒng)的設計提供了很大便利， 提高了電控系統(tǒng)標準化、模塊化水平。但是并不意味著使用了安全柵就一定能夠滿足防爆要求， 須在具體設計過程中進行嚴格的電路分析，合理評估安全特性，杜絕安全隱患。

針對本文示例的本安總線拓撲方案。 可以使用現(xiàn)成的安全柵產品，配合系統(tǒng)布線、隔離等技術措施來保證其安全特性。如果能夠自行設計相關的安全柵，如圖6、圖7所示，在系統(tǒng)設計時會有較大靈活性，降低系統(tǒng)布線要求及硬件開銷。