专利名称：一种自我故障判别先导回路系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及本质安全型电气设备的启停技术，特别是涉及一种具有自我故障判别能力的先导回路。
背景技术：
在煤矿井下的复杂环境中，从组合开关或其他电气设备引到主控室的先导回路需要考虑其安全因素。电气设备应当能将因事故造成的先导回路短路、断路故障与正常闭合开关和切断开关操作相区分，并能够分析识别故障种类，做出相应的处理动作。根据煤矿井下的复杂环境，国家对先导回路的规定是先导回路必须为本质安全型电路，现有的先导回路要么不具备故障诊断功能，要么具备故障诊断功能但却因电路系统庞大，带来的问题是安生性、可靠性的降低和成本的增高。
实用新型内容本实用新型的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种电路结构简单、可靠性强且具有故障判别功能的先导回路，该先导回路能较好地适应煤矿井下复杂的环境，并能达到煤矿安全相关规定的要求。实现本实用新型目的的技术方案是本实用新型的自我故障判别先导回路系统包括本安先导回路、信号处理单元、逻辑判断控制单元、显示单元、执行单元，其结构特点是本安先导回路具有第一交流电源输入端、第二交流电源输入端和信号电压输出端；信号处理单元具有信号电压输入端、直流耦合电压输入端以及信号输出端；逻辑判断控制单元具有信号输入端、控制信号输出端和显示信号输出端；显示单元具有显示信号输入端；执行单元具有控制信号输入端和直流电源端；本安先导回路的第一交流电源输入端和第二交流电源输入端使用时与外接的交流电源电连接；信号处理单元的信号电压输入端与本安先导回路的信号电压输出端电连接，信号处理单元的直流耦合电压输入端使用时与外接的直流电源VDD电连接；逻辑判断控制单元的信号输入端与信号处理单元的信号输出端电连接，显示单元的显示信号输入端与逻辑判断控制单元的显示信号输出端电连接；执行单元的控制信号输入端与逻辑判断控制单元的控制信号输出端电连接；执行单元的直流电源端使用时与外接的直流电源VCC电连接。进一步的方案是前述的本安先导回路包括线路L、启动按钮SI、停止按钮S2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4 ;所述的二极管Dl的正极和二极管D2的负极的公共接点即为所述的本安先导回路的第一交流电源输入端；二极管Dl的负极与电阻Rl的一端电连接，电阻Rl的另一端与停止按钮S2的一个接线端电连接；停止按钮S2的另一个接线端、启动按钮SI的一端和所述的执行单元5的开关继电器K的动触头共线；启动按钮SI的另一端与二极管D2的正极、二极管D3的负极、二极管D4的正极以及所述的执行单元的开关继电器K的常开静触头共线；二极管D3的正极与电阻R3的一端电连接；电阻R3的另一端、电阻R2的一端和二极管D4的负极电连接形成公共接点，该公共接点即为所述的本安先导回路的信号电压输出端；电阻R2的另一端即为所述的本安先导回路的第二交流电源输入端；前述的信号处理单元包括电阻R4、电阻R5和运算放大器T ；电阻R4的一端即为所述的信号处理单元的信号电压输入端；电阻R4的另一端、电阻R5的一端和运算放大器T的反相输入端共线；运算放大器T的正相输入端即为所述的信号处理单元的直流耦合电压输入端；电阻R5的另一端与运算放大器T的输出端电连接形成公共接点，该公共接点即为所述的信号处理单元的信号电压输出端；前述的逻辑判断控制单元包括单片机上级处理器；单片机具有信号输入端，上级处理器具有信号输出端；上级处理器与单片机电连接，单片机的信号输入端即为所述的逻辑判断控制单元的信号输入端；上级处理器的信号输出端即为所述的逻辑判断控制单元的显不信号输出端；前述的显示单元包括显示屏，所述的显示屏具有信号输入端，该信号输入端即为所述的显示单元的显示信号输入端；前述的执行单元包括开关继电器K、电阻R6、电阻R7、三极管VT和二极管D5 ；电阻R6的一端即为所述的执行单元的控制信号输入端；电阻R6的另一端、电阻R7的一端以及三极管VT的基极共线；第七电阻R7的另一端以及三极管VT的射极接地；三极管VT的集电极、二极管D5的正极和继电器K的线圈的一个接线端共线；二极管D5的负极和继电器K线圈的另一个接线端电连接而形成公共接点，该公共接点即为所述的执行单元的直流电源端；开关继电器K的常开静触头与所述的本安先导回路的启动按钮SI的一端电连接，开关继电器K的动触头与启动按钮SI的另一端电连接。进一步的方案是前述的电阻Rl和电阻R3的电阻值相等；电阻R4和电阻R5的电
阻值相等。本实用新型具有积极的效果(I)利用二极管的单向导通性，设计二个电回路，将交流电的正负半周分别在先导电阻上产生的压降变化与电气设备的正常合闸、开闸以及线路短路和断路故障相联系，有效实现先导回路故障自我判别。(2)电路结构简单，可靠性强，成本低。(3)能较好地适应煤矿进下复杂工作环境，且完成达到煤矿安全相关规定的要求。
图I为本实用新型的自我故障判别先导回路系统的电路框图；图2为图I所示的自我故障判别先导回路系统的电原理图；图3为图I所示的自我故障判别先导回路系统进行故障判别方法的流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明(实施例I)见图1，本实施例的自我故障判别先导回路系统，包括本安先导回路I、信号处理单元2、逻辑判断控制单元3、显示单元4、执行单元5。本安先导回路I具有第一交流电源输入端、第二交流电源输入端和信号电压输出端；第一交流电源输入端和第二交流电源输入端使用时与外接的交流电源U电连接。信号处理单元2具有信号电压输入端、直流耦合电压输入端以及信号输出端；逻辑判断控制单元3具有信号输入端、控制信号输出端和显示信号输出端；显示单元4具有显示信号输入端；执行单元5含有控制信号输入端、直流电源端和开关继电器K。信号处理单元2的信号电压输入端与本安先导回路I的信号电压输出端电连接，信号处理单元2的直流耦合电压输入端使用时与外接的直流电源VDD电连接；逻辑判断控制单元3的信号输入端与信号处理单元2的信号输出端电连接；显示单元4的显示信号输入端与逻辑判断控制单元3的显示信号输出端电连接；执行单元5的控制信号输入端与逻辑判断控制单元3的控制信号输出端电连接；执行单元5的直流电源端使用时与外接的直流电源VCC电连接。见图2，本安先导回路I包括线路L、启动按钮SI、停止按钮S2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管Dl、二极管D2、二极管D3、二极管D4 ;二极管Dl的正极和二极管D2的负极的公共接点即为本安先导回路I的第一交流电源输入端；二极管Dl的负极与电阻Rl的一 端电连接，电阻Rl的另一端与停止按钮S2的一个接线端电连接；停止按钮S2的另一个接线端、启动按钮SI的一端和执行单元5的开关继电器K的动触头共线；启动按钮SI的另一端与二极管D2的正极、二极管D3的负极、二极管D4的正极共线；二极管D3的正极与电阻R3的一端电连接；电阻R3的另一端、电阻R2的一端和二极管D4的负极电连接形成公共接点，该公共接点即为本安先导回路I的信号电压输出端；电阻R2的另一端即为本安先导回路I的第二交流电源输入端；二极管D1、电阻R1、二极管D4、电阻R2及线路L构成本安先导回路I的交流正半周通电回路；电阻R2、电阻R3、二极管D3、二极管D2及线路L构成本安先导回路I的交流负半周通电回路； 信号处理单元2包括电阻R4、电阻R5和运算放大器T ；电阻R4的一端即为信号处理单兀2的信号电压输入端；电阻R4的另一端、电阻R5的一端和运算放大器T的反相输入端共线；运算放大器T的正相输入端即为信号处理单元2的直流耦合电压输入端；电阻R5的另一端与运算放大器T的输出端电连接形成公共接点，该公共接点即为信号处理单元2的信号电压输出端；逻辑判断控制单元3包括单片机以及与单片机电连接的上级处理器，上级处理器即通常所称的PLC控制器，单片机具有信号输入端，单片机的信号输入端即为逻辑判断控制单元3的信号输入端；上级处理器PLC的输出端即为逻辑判断控制单元3的显不信号输出端；本实施例中，单片机优选美国微芯科技公司(Microchip)生产的型号为PIC18F25K80的单片机。PLC控制器优选三菱电机自动化(上海)有限公司生产的型号为FX2N系列PLC控制器。显示单元4包括显示屏，显示屏具有信号输入端，该信号输入端即为显示单元4的显示信号输入端；执行单元5包括开关继电器K、电阻R6、电阻R7、三极管VT和二极管D5 ；电阻R6的一端即为执行单元5的控制信号输入端；电阻R6的另一端、电阻R7的一端以及三极管VT的基极共线；第七电阻R7的另一端以及三极管VT的射极接地；三极管VT的集电极、二极管D5的正极和继电器K的线圈的一个接线端共线；二极管D5的负极和继电器K线圈的另一个接线端电连接而形成公共接点，该公共接点即为执行单元5的直流电源端。开关继电器K的常开静触头与启动按钮SI的一端电连接，开关继电器K的动触头与启动按钮SI的另一端电连接。本实施例中，电阻Rl和电阻R3的电阻值相等；电阻R4和电阻R5的电阻值相等。见图3，本实施例的自我故障判别先导回路系统工作方法也即判别故障的方法，是基于在外接的交流电源U处于正负半周时电阻R2上的电压的不同进行判断，工作原理是
UxEL当启动按钮SI按下时，电阻R2两端的正半周电压Ul为Ifl=-;电阻R2两
m+m
Tfx Rl
端的负半周电压U2为U2 =-；·
/22+ M当停止按钮S2按下时，交流电源U正半周无回路，电阻R2两端的正半周电压Ul
为胃 A，电阻R2两端的负半周电压U2为U2=...........^ ；
Ul = OR2+m
Ux R2当所述线路L发生短路时，电阻R2两端的正半周电压Ul为Ul=^二 = U，
E2
Ux E2
电阻R2两端的负半周电压U2为 U2 =-；
Rl+ Ri当线路L发生断路时，交流电源U正半周无回路，电阻R2两端的正半周电压Ul为Ul = O，交流电源U负半周无回路，电阻R2两端的负半周电压U2为U2 = 0。具体的电路情况判断方法步骤包括第一步按下启动按钮SI，从电阻R2取得交流信号在运算放大器T中与外接的直流耦合电压VDD耦合；第二步单片机按预设程序接收耦合后的电压信号并进行还原，并按以下情形分析判断处理①当外接的交流电源U处于正半周时，电阻R2上的电压U1=0、当外接的交流电源U处于负半周时，电阻R2上的电压U2=0，判断工作状态为本安先导回路I断路，输出信号到显示单元4报警；②当外接的交流电源U处于正半周时，电阻R2上的电压Ul古0，当外接的交流电源U处于负半周时，电阻R2上的电压U2古0，且Ul古U2，判断工作状态为本安先导回路I短路，输出信号到显示单元4报警；③当外接的交流电源U处于正半周和负半周时，电阻R2上的正半周电压Ul=负半周电压U2，且Ul ^ 0, U2 ^ 0，判断工作状态为本安先导回路I正常连通无故障，输出信号到显示单元4显示工作状态正常，同时输出信号到执行单元5，通过继电器K的常开静触点Kl闭合闭锁启动按钮SI ；④当外接的交流电源U处于正半周时，电阻R2上的电压Ul= 0，当外接的交流电源U处于负半周时，电阻R2上的电压U2辛0，判断工作状态为本安先导回路I正常断开无故障。输出信号到显示单元4显示工作状态正常。以上实施例是对本实用新型的具体实施方式
的说明，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本实用新 型的专利保护范围。
权利要求1.一种自我故障判别先导回路系统，包括本安先导回路(I)、信号处理单元(2)、逻辑判断控制单元(3)、显示单元(4)、执行单元(5)，其特征在于所述的本安先导回路(I)具有第一交流电源输入端、第二交流电源输入端和信号电压输出端；所述的信号处理单元(2)具有信号电压输入端、直流耦合电压输入端以及信号输出端；所述的逻辑判断控制单元(3)具有信号输入端、控制信号输出端和显示信号输出端；所述的显示单元(4)具有显示信号输入端；所述的执行单元(5)具有控制信号输入端和直流电源端；所述的本安先导回路(I)的第一交流电源输入端和第二交流电源输入端使用时均与外接的交流电源(U)电连接；信号处理单元(2)的信号电压输入端与本安先导回路(I)的信号电压输出端电连接，信号处理单元(2)的直流耦合电压输入端使用时与外接的直流电源(VDD)电连接；逻辑判断控制单元(3)的信号输入端与信号处理单元(2)的信号输出端电连接；显示单元(4)的显示信号输入端与逻辑判断控制单元(3)的显示信号输出端电连接；执行单元(5)的控制信号输入端与逻辑判断控制单元(3)的控制信号输出端电连接；执行单元(5)的直流电源端使用时与外接的直流电源(VCC)电连接。
2.根据权利要求I所述的自我故障判别先导回路系统，其特征在于所述的本安先导回路(I)包括线路(L)、启动按钮(SI)、停止按钮(S2)、电阻(R1)、电阻(R2)、电阻(R3)、二极管(DI)、二极管(D2 )、二极管(D3 )、二极管(D4 );所述的二极管(Dl)的正极和二极管(D2 )的负极的公共接点即为所述的本安先导回路(I)的第一交流电源输入端；二极管(Dl)的负极与电阻(Rl)的一端电连接，电阻(Rl)的另一端与停止按钮(S2)的一个接线端电连接；停止按钮(S2)的另一个接线端、启动按钮(SI)的一端和所述的执行单元(5)的开关继电器(K)的动触头共线；启动按钮(SI)的另一端与二极管(D2)的正极、二极管(D3)的负极、二极管(D4)的正极以及所述的执行单元(5)的开关继电器(K)的常开静触头共线；二极管(D3)的正极与电阻(R3)的一端电连接；电阻(R3)的另一端、电阻(R2)的一端和二极管(D4)的负极电连接形成公共接点，该公共接点即为所述的本安先导回路(I)的信号电压输出端；电阻(R2)的另一端即为所述的本安先导回路(I)的第二交流电源输入端； 所述的信号处理单元(2)包括电阻(R4)、电阻(R5)和运算放大器(T);电阻(R4)的一端即为所述的信号处理单元(2)的信号电压输入端；电阻(R4)的另一端、电阻(R5)的一端和运算放大器(T)的反相输入端共线；运算放大器(T)的正相输入端即为所述的信号处理单元(2)的直流耦合电压输入端；电阻(R5)的另一端与运算放大器(T)的输出端电连接形成公共接点，该公共接点即为所述的信号处理单元(2)的信号电压输出端； 所述的逻辑判断控制单元(3)包括单片机和上级处理器；单片机具有信号输入端，上级处理器具有信号输出端；上级处理器与单片机电连接，单片机的信号输入端即为所述的逻辑判断控制单元(3)的信号输入端；上级处理器的信号输出端即为所述的逻辑判断控制单元(3)的显示信号输出端； 所述的显示单元(4)包括显示屏，所述的显示屏具有信号输入端，该信号输入端即为所述的显示单元(4)的显示信号输入端； 所述的执行单元(5)包括开关继电器(K)、电阻(R6)、电阻(R7)、三极管(VT)和二极管(D5);电阻(R6)的一端即为所述的执行单元(5)的控制信号输入端；电阻(R6)的另一端、电阻(R7)的一端以及三极管(VT)的基极共线；电阻(R7)的另一端以及三极管(VT)的射极接地；三极管(VT)的集电极、二极管(D5)的正极和开关继电器(K)的线圈的一个接线端共线；二极管(D5)的负极和开关继电器(K)的线圈的另一个接线端电连接而形成公共接点，该公共接点即为所述的执行单元(5)的直流电源端；开关继电器(K)的常开静触头与所述的本安先导回路(I)的启动按钮(SI)的一端电连接；开关继电器(K)的动触头与启动按钮(SI)的另一端电连接。
3.根据权利要求2所述的自我故障判别先导回路系统，其特征在于所述的电阻(Rl)和电阻(R3)的电阻值相等；电阻(R4)和电阻(R5)的电阻值相等。
专利摘要本实用新型提供一种自我故障判别先导回路系统，包括本安先导回路、信号处理单元、逻辑判断与控制单元、显示单元、执行单元；本安先导回路包括启动按钮、停止按钮、三只电阻和四只二极管，本安先导回路利用二极管的单向导通性构成交流电源的正、负半周的两个通电回路；信号处理单元将取样电压信号送至逻辑判断与控制单元处理后由显示单元进行显示并由控制单元执行相关动作。本实用新型将交流电的正负半周在电阻上产生的压降变化与电气设备的正常合闸、开闸以及线路短路和断路故障相联系，有效实现先导回路故障自我判别。电路结构简单，可靠性强，成本较低，能较好地适应煤矿进下复杂工作环境，达到煤矿安全相关规定的要求。
文档编号H02H3/08GK202586268SQ20122015244
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者史友仁, 于铄航 申请人:天地(常州)自动化股份有限公司, 中煤科工集团常州自动化研究院