矿用道岔控制器按钮电路安全性分析与设计

摘要：介绍了一种矿用道岔控制器的按钮电路，通过对现有按钮控制方式的隐患分析与电路改进设计，阐述了其存在隐患的设计对策。通过对按钮线路绝缘阻抗特性分析，结合线路绝缘检测技术，设计实现了具有绝缘检测功能的按钮线路漏电监督电路，解决了因按钮线路漏电引起的误动作驱动，从而实现了道岔控制器的安全可靠工作。

0 引言

矿用道岔控制器主要用于矿山铁轨运输上，以取代“人工扳道器”。该通常由控制按钮、执行器、显示器三部分组成，控制器接收到控制按钮信号后，控制执行器动作，推动道岔连杆到达目标位置，位置传感器将信号反馈给控制器，再由道岔指示器显示道岔当前位置，处于单机工作状态，而关于道岔在按钮控制状态下的安全性研究很少，本文针对于此，结合道岔按钮控制的应用现状，并进行安全性分析，阐述其存在的安全隐患，提出改进对策。

1 按钮回路安全性分析

控制器按钮为二线制隔爆兼本安型白复式按钮，外壳为金属材料。在工作时，由于控制器的控制指令触发源为控制按钮信号，该信号的安全性对保障装置的工作可靠极为重要。

不管道岔控制器是隔爆型还是隔爆兼本安型，按钮信号回路一般设计为此两种信号类型选其一：本安型信号或非本安型信号。众所周知，本安信号回路与非本安供电侧通常有AC(2U+1000)V的隔离耐压设计要求(不小于AC1500V，U指本安电路与非本安电路的电压有效值之和)，而非本安信号则无此设计限制，基于此，首先对控制按钮回路的安全状况进行分析，分如下两种情况。

1.1 按钮本安信号

由于矿井轨道运输环境恶劣，经常有潮湿浸泡、线路破损等因素，影响按钮线路的绝缘性能，进而会使线路绝缘防护性能下降，又由于与主供电路有较高的隔离耐压，当发生按钮回路线路因绝缘下降导致的较大漏电流时，为控制器供电的上一级供电设备即使有漏电保护功能也不会被检测到，从而使设备处于带病工作状态，存在安全隐患。

如图1所示，不管此按钮回路信号的性质是电压型、电流型还是频率型，当遇到接线质量不良、绝缘电阻下降或强磁干扰时，都会不同程度的使之突破逻辑门限，使等效电阻R0、Rx或Ry的阻值大幅度降低，进入非设计意图工作区间，严重者导致按钮回路误导通，进而产生非人为控制触发源，当此时有车辆通过时，会造成机车车辆掉道事故，存在严重安全隐患，不符合故障安全导向设计原则。

1.2 按钮非本安信号

针对于采用非本安信号设计的按钮控制回路，由于非本安信号的电路特性，通常非本安信号与供电系统不受电气隔离的设计限制;当采用隔离设计时，分析如1.1不再赘述。下面主要分析按钮信号与供电系统处于非隔离状态下安全应用状况。

由于控制器工作电源的是矿用隔爆型供电综合保护装置，该保护装置具有漏电保护功能，当供电输出线路发生漏电流时，可以切断供电输出，实现自动保护。即使此时控制器发出了驱动信号，因供电电源被瞬间切断，执行机构不会发生动作。

由此可以看出，当按钮回路采取非本安信号设计时，其存在的安全隐患并没有本质上的改变，只是将本装置的安全性寄托于供电保护装置，当远端的供电保护装置发生保护不良时，仍然会存在引发道岔误动作控制驱动的可能。

2 按钮电路改进设计

为了彻底解决这一安全隐患，需要对道岔控制器的控制按钮信号检测电路进行改进设计，根据如上分析，按钮信号检测电路应采用本安化设计，将信号回路设计为电流型，同时要遵循故障安全导向原则，在本安侧增设漏电检测电路。对于电缆线路的绝缘状况监督电路实现方式一般都采用直流支路检测法，本文设计一种简单的漏电监督电路，如图2所示。

图2电路所示，对前述所分析的异常工况，能避免错误输出，电路原理介绍如下：

AN-A、AN-B为外接控制按钮的线路引出端口，SH为外壳接地引入端口。电路中，通过电阻R1、R2，可以将回路电流设计在一定的范围内，使按钮信号回路电流有一定的健壮性;再通过电阻R13和光耦U2构成的二次防护电路设计，可以有效实现对按钮端子间等效电阻R0(图1所示)的有效检测，只有当R0小于某个设计的电阻阈值时，才致光耦U1、U2同时导通，使AN-1、AN-2端口同时输出逻辑“1”电平。

图2电路中，电路设计为对按钮本安回路的电压型信号正极、负极同时进行漏地检测。常态时AN-3端口输出为逻辑“1”电平，当因绝缘性能下降，绝缘电阻降低到设计阈值之下时，漏电检测电路致U3光耦导通，漏地防护电路的AN-3端口输出为逻辑“0”电平。

为了判定按钮是否一次有效闭合，控制器CPU在对按钮信号进行采集处理时，同时采集电路中端口AN-1、AN-2、AN-3输出信号的逻辑状态，进行逻辑“与”处理，并结合以时间为基准的软硬件过滤处理算法，只有采集到一定脉宽的信号才判定为有效控制信号，从而能从根本上解决按钮信号回路的驱动安全隐患。

3 结束语

本文通过对矿用道岔控制器现有按钮控制方式的隐患分析与电路改进设计，阐述了其存在隐患的设计对策。通过对按钮线路绝缘阻抗特性分析，结合线路绝缘检测技术，设计实现了具有绝缘检测功能的按钮线路漏电监督电路，解决了因按钮线路漏电、触点绝缘性能下降引起的误动作驱动，从而实现了道岔控制器的安全可靠工作。

当然，为了实现矿用道岔控制器的安全应用，按照国家煤矿安全规程要求，装备具有联测联控功能的监控系统是必由之路，将工作现场的设备统一进行远程监控，能从根本上解决现场设备工作隐患问题。