礦井5G設(shè)備供電技術(shù)質(zhì)量分析

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摘要：本文主要研究煤礦井下5g設(shè)備的電源供電技術(shù)，再結(jié)合現(xiàn)有供電方式存在的問題進(jìn)行綜合對(duì)比分析。與此同時(shí)，詳細(xì)地闡述了供電電源的設(shè)計(jì)方案，研究結(jié)果顯示，該方案主要包括電源大容量輸出的充放電管理方式、備用電池升壓方式、電源本安輸出保護(hù)方式及電源5G數(shù)據(jù)傳送等方式。研究結(jié)論以期為加快發(fā)展煤炭行業(yè)的無線通信網(wǎng)絡(luò)作進(jìn)一步的鋪墊。

關(guān)鍵詞：5G；供電；電池管理；升壓管理；數(shù)據(jù)

引言

煤礦井中保持通訊的高可靠性以及平穩(wěn)可靠的全覆蓋運(yùn)行，不僅可以提高整個(gè)礦井的工作效率，還可以對(duì)各種運(yùn)輸設(shè)備和采煤機(jī)的一系列工況進(jìn)行識(shí)別和診斷，以保障整個(gè)煤礦的安全運(yùn)行。隨著人工智能與互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，5G技術(shù)將會(huì)被快速投入到各個(gè)行業(yè)，把5G技術(shù)運(yùn)用到煤礦行業(yè)中是必然趨勢(shì)。5G將會(huì)被運(yùn)用到煤礦井下工作面，使井下、井上實(shí)現(xiàn)無障礙對(duì)接，有利于無人采礦設(shè)備的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)無人礦山，同時(shí)可以從根本上避免人員傷亡。但是，由于5G設(shè)備的高速傳輸和對(duì)更快網(wǎng)絡(luò)速度的需求等因素，5G設(shè)備的功能消耗普遍較高，這就需要更大容量的供電設(shè)備和更高速的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。本文重點(diǎn)對(duì)5G設(shè)備煤礦井下電源供電技術(shù)進(jìn)行研究分析，并提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案[1]。

1煤礦井下通訊設(shè)備的電源供電技術(shù)

煤礦井下通信設(shè)備的供電采用防爆和本安設(shè)計(jì)，這是國家《爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)通常是指在正常工作或非計(jì)數(shù)故障條件下，所產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不能點(diǎn)燃爆炸性氣體，且條件較差的環(huán)境電路，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)主要從電火花限制和熱效應(yīng)限制兩個(gè)方面進(jìn)行。為了限制電火花的能量和熱效應(yīng)，需要采用低功耗設(shè)計(jì)，最大限度地提高電路中的電容、電感和一些需要電流控制的芯片。然而，能源輸出的限制直接導(dǎo)致了電力供應(yīng)的不足。目前煤礦使用的5G設(shè)備大多需要大容量電源，這就要求電源在能量輸出和本質(zhì)安全方面選擇一個(gè)平衡點(diǎn)，既能保證煤礦中5G設(shè)備的正常供電，又能保證電源的本質(zhì)安全輸出，尤其是“通電沖擊電流”的控制。如果能夠很好的控制“上電沖擊電流”，那么可以為更多的設(shè)備供電，防止大電流的沖擊。此新型設(shè)備還可以提高供電設(shè)備的使用效率，延長(zhǎng)其使用壽命[2]。當(dāng)前煤礦井下無線通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)主要由礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、礦用本安型轉(zhuǎn)換器、礦用隔爆兼本安型基站（分為有線基站和無線基站）等所組成。集團(tuán)環(huán)網(wǎng)采用防爆與本質(zhì)安全網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換，對(duì)地下接入5G礦山防爆與本質(zhì)安全基站。通過5G礦用隔爆本質(zhì)安全基站，實(shí)現(xiàn)了井下工作面、巷道、機(jī)電控制室等現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。同時(shí)，5G礦用隔爆本質(zhì)安全基站可接入5G無線攝像機(jī)、礦用本質(zhì)安全轉(zhuǎn)換器、5G通信設(shè)備、人員定位儀器，形成5G井下無線全數(shù)據(jù)交互和管理。

25G設(shè)備電源供電方案

5G設(shè)備地下電源主體由接線腔、電源主腔、備用電池開關(guān)腔和備用電池腔所組成。電源主體及組成部分均采用防爆外殼設(shè)計(jì)，輸入電源可兼容煤礦通用交流電源127V、1140V、660V三種，輸出本安電源為DC12V、DC24V兩路。數(shù)據(jù)通信接口借助RS485光纖通信、數(shù)字通信和5g無線通信，根據(jù)《煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》（煤礦安全監(jiān)察函[2016J5]）中傳輸數(shù)字化的要求，設(shè)計(jì)出5G設(shè)備供電總體方案如圖1。本安電源輸出、交流電源、數(shù)據(jù)信號(hào)交互均接入線腔體。接線腔體通過隔爆型電氣設(shè)備的接線端子將交流電源引至電源主腔，并通過隔爆型墻壁端子將本安電源輸出和數(shù)據(jù)信號(hào)交互與電源主腔連接。備用電池開關(guān)腔主要用于切斷備用電池的電源，備用電池腔用于電源電池的安裝和放置。設(shè)計(jì)方案中選用的變壓器為多抽頭變壓器，可將交流127V、660V和1140V三種交流電源轉(zhuǎn)換為交流220V電源。AC220V電壓首先要通過過流保護(hù)模塊，過流保護(hù)模塊的主要功能是當(dāng)電源電流因后端電路短路等其他故障而迅速增大時(shí)，對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)。過流保護(hù)模塊主要由熔斷器組成。一旦電流超過熔斷器設(shè)定的最大額定電流，熔斷器將被燒毀，設(shè)備將停止供電。從《煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》（煤礦安全監(jiān)察函[2016J5]）抗電磁干擾要求可以看出，煤礦井下供電設(shè)備中設(shè)計(jì)安裝5G設(shè)備EMI濾波裝置，主要功能是減弱浪涌和群脈沖對(duì)供電設(shè)備的干擾。

24V直流電源分為三個(gè)通道，第一通道通過直流24V隔離電源模塊輸出24V隔離直流電源，24V隔離直流電源通過IB/IA本安輸出保護(hù)模塊將非本安輸出電源轉(zhuǎn)換為本安24V直流電源輸出；第二通道通過DC12V隔離電源模塊輸出12V隔離直流電源，12V隔離直流電源通過IB/IA本安輸出保護(hù)模塊將非本安輸出電源轉(zhuǎn)換為本安12V直流電源輸出；上述兩種本安電源適用于煤礦5G設(shè)備的供電，直流12V和24V基本能滿足煤礦大多數(shù)5G設(shè)備的供電需求；第三通道通過電路用于電池組充電，在交流電源斷開時(shí)為電池組提供反向供電，以確保第一通道電路DC24V和第二通道電路DC12V能夠獲得穩(wěn)定的輸出功率。根據(jù)《煤礦安全監(jiān)察函》下發(fā)的《煤礦安全監(jiān)察系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》[201615]的要求，設(shè)計(jì)方案如下：第三通道電源通過電池充放電管理模塊和電池保護(hù)模塊進(jìn)行充放電，對(duì)五組串聯(lián)電池組進(jìn)行充放電管理。在交流電源正常狀態(tài)時(shí)，電池充放電管理模塊對(duì)電池組進(jìn)行充電操作；在交流電源斷開狀態(tài)時(shí)，電池充放電管理模塊對(duì)電池組進(jìn)行放電操作。電池組采用3.2V/60AH大容量電池，可充分保證備用電源的大功率、長(zhǎng)時(shí)間輸出。五組3.2V電池串聯(lián)輸出16V直流電。直流16V通過蓄電池升壓模塊輸出至直流24V，在交流電源故障的情況下，電池組將提供第一和第二本質(zhì)安全輸出電源[3]。主控單元主要負(fù)責(zé)直流輸出功率信息采集、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互顯示、電池信息采集等，以上模塊均由DC3.3V伏模塊供電，電源主腔功能模塊設(shè)計(jì)方案如圖2所示。電源輸出信息采集單元通過AD620芯片采集DC24V和DC12V雙向輸出的電壓、電流信號(hào)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)5G設(shè)備的電源參數(shù)。由于目前井下設(shè)備布局，電源與5G設(shè)備之間的供電距離應(yīng)在2km、3km和6km水平進(jìn)行管理，因此監(jiān)測(cè)5G設(shè)備消耗電流的重要性至關(guān)重要。由于電源為本質(zhì)安全輸出，且具有最大本質(zhì)安全參數(shù)的限制，通過監(jiān)測(cè)電流指標(biāo)，可以實(shí)時(shí)掌握5G設(shè)備與電源之間的安全供電距離。主控單元向人機(jī)交互顯示單元發(fā)送電源輸出信息采集和電池信息采集信號(hào)。蓄電池信息采集信號(hào)是每個(gè)蓄電池的電壓、電流和溫度。人機(jī)交互顯示單元顯示5節(jié)電池的充放電電壓、充放電電流、各電池溫度、DC12V/DC24V輸出電壓值、輸出電流值和交/直流工作狀態(tài)。電池組保護(hù)功能主要由直流電源單體電池過充保護(hù)功能、直流電源單體電池過電壓保護(hù)功能、直流電源單體電池過電壓保護(hù)故障檢測(cè)功能、直流電源放電過流保護(hù)功能、直流電源輸出短路保護(hù)功能、直流電源電池信息采集電路開路保護(hù)功能等功能所組成。數(shù)據(jù)通訊單元用于上傳電源內(nèi)部的電池組信息、輸出功率信息和電源工作狀態(tài)，并可通過RS485、5G無線以及光纖鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。以上部分構(gòu)成了電源的主腔功能模塊。該模塊具有多種特點(diǎn)，包括比如后備電池供電、多電壓選擇、輸出電流大、電路數(shù)據(jù)傳輸和采集穩(wěn)定、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

3研究結(jié)論

綜上所述，本文詳細(xì)地介紹了有關(guān)煤礦井中5G設(shè)備供電電源的設(shè)計(jì)研究方案，經(jīng)過深入研究和分析，提出了有關(guān)5G供電數(shù)據(jù)的傳輸方式和途徑、大容量電源的輸出、備用電池升壓模式、電源本安輸出的保護(hù)模式以及充放電管理的模式等新型設(shè)計(jì)研究方案。進(jìn)一步為加快發(fā)展煤炭行業(yè)的無線通信網(wǎng)絡(luò)提供堅(jiān)實(shí)的鋪墊，數(shù)字通信必將作為一種新型的煤礦安全通信系統(tǒng)將在煤炭行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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作者：魏曉庭 單位：潞安集團(tuán)古城煤礦