一种矿用本质安全型信号机的设计

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【摘要】针对地面信号机存在显示图案单调、控制方式单一、功耗大不能应用于煤矿井下的问题，提出了一种矿用本质安全型信号机的设计方案。该方案给出了信号机的整体设计结构，重点阐述了信号机的硬件设计和软件设计，详细介绍了硬件软启动电路原理和软件软切换的编程思想。该信号机可以单独使用，也可与煤矿胶轮车运输监控系统、煤矿电机车运输监控系统和煤矿信息引导系统联合使用。实际应用结果表明，该信号机能够正确接收控制信号，准确显示图形预案，现场运行稳定达到了设计目标。
【关键词】矿井；本质安全型；信号机；软启动；软切换
1.引言
信号机是控制交叉路口交通信号的重要设备，是交通信号控制的重要组成部分，各种交通控制方案，最终都要由信号机来实现。应用于地面的信号机技术发展迅速且十分成熟，不同尺寸、不同色彩、不同应用场合的信号机一应俱全，但其作为非本质安全型产品不能应用煤矿井下。煤炭作为特殊的能源行业，对其应用于本环境中电子设备的电子能量有一定的限制要求。目前，现有的矿用信号机产品大多显示图案固定、指示信息量有限、控制方式单一、使用不够灵活，只能满足固定的应用场合或者和其相应的监控系统配套，不具有广泛的通用性。
为满足煤矿不同工况的应用，同时为解决本公司现有KXH16X16信号牌显示面积小、亮度低的问题，笔者设计了一款新型矿用本质安全型信号机。在本信号机设计中借鉴了LED数码管的“段位”思想，将不同的显示图案独立设计、控制。信号机可显示的图案有：红色“X”，黄色“◎”，绿色“←”、“→”、“↑”，这样可以实现每个图案的独立显示或者组合显示，从而丰富显示图案，提供更多的指示信息。同时，信号机可通过拨码开关方式配置显示亮度和控制方式，亮度调节分为4档，控制方式包括RS485总线控制、外部频率端口控制和外部开关量输入端口控制，灵活的设计使得本产品可以应用于煤矿井下需要信号指示的众多场合。
2.信号机组成
如图1所示，信号机由控制板和显示板构成。控制板包括：电源模块、软启动模块、控制器、频率采集模块、开关量输入采集模块、开关量输出控制模块、图案控制信号隔离模块和通信模块。显示板包括：电源模块和LED图案模块。
信号机支持3种控制方式：RS485通信控制、频率输入控制和开关量输入信号控制。RS485通信控制支持多种协议模式，可接入本公司监控系统，或与其他厂家产品配接时可以使用MODBUS协议。频率控制时，在频率采集端口输入规定范围频率值时显示相应的图案。开关量控制时，可接入2路的开关量输入信号，支持4种显示图案。
信号机通过拨码开关来配置通信地址、通信协议模式、通信速率和显示亮度等工作参数。通信地址范围1～255，通信速率支持1200bps和4800bps两种，通信协议支持开放的MODBUS协议和本公司系统协议，信号机显示亮度分为4个等级，亮度依次增强，在实际使用中用户可根据现场应用要求调节显示亮度。
3.信号机硬件设计
3.1 主控电路
信号机控制板选用NXP公司最新的32位Cortex-M0内核MCU作为主控制器，具有32K的FLASH和8K的SRAM，集成1路支持RS485通信模式的UART接口和4路的频率捕获接口，正常工作下，最高的时钟速率可达48Mhz，电路原理图如图2所示。
信号机由本安电源供电，（12～19）V的本安电源经过软启动电路，再经过DC/DC电源模块转换到5V供RS485通信使用，5V通过LDO转化为3.3V供MCU使用。信号机具有灵活的配置功能，主控板通过2个拨码开关可实现对信号机通信地址、通过信速率、通信协议、显示亮度和控制方式的配置。2路开光量输入信号和1路的频率采集信号电路设计时都采用光耦隔离措施，有效避免了外部干扰信号的影响。同时，频率信号通过光耦隔离后，需再经过斯密特触发器整形处理，滤除外部信号的干扰和扰动，才能送入MCU的捕获端口进行采集。LED控制信号经过74LV245隔离后驱动LED图案。
3.2 显示电路
信号机显示板采用户外高亮LED，在较低的功耗下就可以达到较好的显示亮度。控制板与显示板通过12PIN的排线连接，包括LED的供电电源线和LED驱动信号线。显示板的电源由控制板提供，经过DC/DC电源模块转换为9V后给LED供电。显示板可显示的图案有：红色“X”，黄色“◎”，绿色“←”、“→”、“↑”，其中红色“X”、黄色“◎”、绿色“↑”为独立显示图案，绿色“←”、“→”是组合显示图案。经过74LV245隔离后的LED驱动信号，以PWM信号方式控制CEM4953的通断，实现图案的单独显示和组合显示。
3.3 软启动电路
信号机由本安电源供电，而本安电源具有过流保护功能。在供电设备多、供电距离远时，设备上电瞬间造成的电流冲击有可能导致本安电源过流保护，从而造成信号机启动异常。从硬件设计角度，采用软启动电路能够控制设备输入电流的上升时间，限制最大电流，最大程度的减小了设备上电瞬间对本安电源的冲击。当线路损耗降低信号机供电电压时，软启动电路能够保证信号机在低压情况下可以正常起动。
软启动电路原理图如图4所，Q1和Q2为PNP三极管，Q3为N沟道增强型场效应管。R2和R3对输入电压UIN进行分压，R2和C1构成RC延时电路，C1两端电压随着充电时间变化缓慢增加，Q3的漏极电流与电路输出电流呈缓慢的上升关系。
4.信号机软件设计
信号机软件设计流程如图5所示，上电后信号机进行初始化操作，读取信号机的通信地址和配置信息。在RS485总线控制模式下，根据通信协议信号机接收总线主机发送的巡检命令，获取图案显示的预案号；在频率控制下，信号机采集频率输入端口的频率值，关联采集频率值与显示预案号；在开关量输入信号控制下，信号机采集开关量输入端口的信号，关联采集信号与显示预案。信号机在获取显示预案号后，需要判断预案号是否合法有效，预案号合法有效时，判断当前接收到的预案号与上次显示预案号是否一致，预案号更新时，进行软切换到新预案号对应的图案，预案号未更新变化时，保持当前显示预案号对应的图案。信号机在接收到异常预案编号或者初始上电时，信号机显示闪烁黄环，表示设备失控。
信号机硬件设计中增加了软启动电路来减少信号机启动瞬间对本安电源的冲击影响，在软件设计中同样采用了软切换的方式来减小因信号机显示图案切换而造成的电流冲击。信号机采用PWM方式驱动LED图案显示，软切换方式是通过逐渐增加LED驱动信号占空比，使信号机的功耗逐渐增加，降低了图案切换瞬间时对电流的需求，直接减小了对本安电源冲击，保护了本安电源，增加了本安电源的供电设备数量。
5.结语
矿用本质安全型信号机适用于有瓦斯、煤尘爆炸危险的煤矿井下，可单独使用，也可与煤矿轨道机车运输监控系统、无轨胶轮车运输监控系统和煤矿信息引导系统联合使用，提供信号指示功能。信号机图案组合显示功能扩大了其应用范围，可满足煤矿井下多工况的应用要求。
目前，该产品已实际应用于山西平朔井工三矿，现场应用结果表明该信号机运行稳定，能够为矿井无轨胶轮车运输监控系统提供正确信号指示功能，达到了预期的设计目标。
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作者简介：苗琼（1984—），男，陕西宝鸡人，硕士，主要从事煤矿胶轮车运输监控系统、电机车运输监控系统研发工作。