矿用提升机安全监控系统可靠性的探讨

2006-05-07 15:49:30来源: 电子技术应用

    摘 要: 应用现代可靠性理论,从设计、工艺、技术等方面对矿用提升机监控系统进行了可行性探讨,提出了增强系统可靠性的一些措施。

    关键词: 可靠性 容错技术 冗余技术

    目前,我国一些大中煤矿所使用的矿用提升机和绞车,都配备了各种安全监控系统,虽然起步较晚,但经过多年的努力,整体技术和工艺水平已经有了很大的提高,而且日趋成熟。这些监控系统的功能主要包括:

1自动减速功能;

2超速保护功能;

3提升容器的行程和速度显示;

4减速段限速保护及2m/s保护功能;

5深度指示器失效保护;

6卡箕斗保护;

7过卷保护功能;

8自检功能;

9提升勾计数;

10提升信号显示,并记忆上次提升信号;

11提升方向显示及闭锁;

12 安全回路等主要故障点监测显示、记忆和报警等。

    这些系统的结构主要由SDT总线工业控制计算机、系统安全控制、系统监测三部分组成。由于监控系统中集中了大量不同规格、不同耐压和不同功率的电子元器件,为确保整个监控系统(以下简称系统)工作的可靠性,必须提出相应的要求和采取必要的可靠性措施。

    1 提高系统设计的可靠性

    提高系统设计的可靠性通常是采用可靠度高的元器件进行完善设计,万一系统出现故障,可用诊断的方法确定故障位置并迅速排除,这时,一般要求中断系统能正常工作。

    在完善设计的思想指导下,为保证系统的高可靠性,要求在设计和生产的全过程对元器件进行严格的筛选。考虑元器件参数时要留有充分的余地,对工艺过程严格把关,对成品和半成品进行严格的例行实验。可以说,完善设计是一种已被广泛接受的常规设计思想。

    然而,若只限于用常规设计实现系统的可靠性,那么到一定程度时不但造价会迅速上升,而且大幅提高可靠性的效果也不会显著。应运而生的另一种设计思想就是容错技术。它的指导思想是:首先承认故障的存在是客观事实,然后通过外加硬件或软件来消除、抑制其影响,达到使系统工作稳定、可靠的目的。在实际的系统可靠性设计中,上述两种思想要结合起来,实现系统在使用中功能适中、成本适中和足够可靠。

    2 提高系统可靠性的工艺措施

    2.1主机的选用

    采用质量稳定、可靠性已被普遍承认的SDT总线工业计算机作为系统的主机。

    2.2 可靠的元器件质量

    使用质量可靠并有稳定货源的元器件来组装系统。要注意以下几点:

1尽量使用集成度高的组件,以减少元器件的个数。这样可减少器件间的连线和焊点数,从而大幅度降低系统的失效率;

2认真做好元器件的筛选、老化处理,及时淘汰处于早期失效的不合格产品;

3降频使用元器件有利于减轻器件的负载和降低其工作时的温升,也可避免因瞬间过载造成的过流过压冲击,减少偶然事故的发生。

    2.3 适当采用冗余的硬件结构

    2.3.1两路并联冗余

    串联支路中任一元器件失效都会造成整个系统的失效;而并联支路的冗余结构则有利于可靠性的提高。设单个元器件的可靠度为R=0.70,则相同的两个元器件组成的并联支路,其可靠度为Rs:

Rs=1-(1-R)·(1-R)=1-=0.91

    可见,在较重要的地方采用并联冗余结构可以明显改善和提高可靠性。

    2.3.3 器、部件级或子系统级的待命储备冗余

    在检出正处于工作状态的模块出现故障后,待命的冗余模块可按预定方案立即切换而投入工作,以保证系统正常、连续工作,替换下的故障模块可在脱离系统后进行修复,以便下次使用。对于比较通用的模块,采用这种待命储备的冗余结构,能够在成本增加不多的情况下,较好地改善系统的可靠性。

    3 提高系统可靠性的技术措施

    3.1 采用抗干扰的电源结构

    可由LC网络组成抗干扰电源滤波器,它可阻隔来自电源一侧引入的高、中频电磁干扰,也可减弱系统内部电子器件、设备之间的相互干扰。

    3.2采用大电流LED供电结构

    图1是某系统模拟量LED显示供电图。以LED各段的平均电流为5mA计算,如果各个位的所有段全部点亮,最大的驱动电流为5×8×7=280mA。为此,可在输入端串接10μH的高频扼流圈L,以抑制大的动态电流对集成电路和液晶显示块的冲击。由并联的大容量电容C提供动态电流,确保监测信号的正常工作。

    3.3 合理地设计印刷电路板

    在印刷电路板的设计中,对元器件布置应使相关的器件靠近一些,把易发生电磁干扰的器件单独制成电路板或加以屏蔽。特别要注意地线的制作应符合规范,如共地和地屏蔽,保证系统能在复杂的现场正常工作。

    3.4 减少系统连接中各部件之间的干扰

    系统连接是指插件、底板、机框之间的信号连接。双绞线不易受电磁感应的影响,信号线可采用双绞线;为避免强电对弱电的干扰,这两种信号线可分别独立配线,相互间隔一定距离;短距离的信号线连接可采用插接件,若插针之间需采用抗干扰措施,以每一信号针两侧都是接地针为好。

    4 系统中充分利用软件抗干扰技术

    软件抗干扰技术是指用程序设计手段排除进入系统的电磁干扰。其实质是发挥计算机的存储、高速运算和判断能力,使系统能识别错误的状态与信息,进而做适当的处理使系统保持正常。

    4.1软件冗余技术

    软件冗余技术是在系统的数据处理、传输过程中增加一定的冗余位,以提高检错能力。例如:可采用奇偶校验或指令复执技术。图2是复执技术流程图。在具有查错能力的系统中,一旦查出错误,软件能立即命令重新运算一次。如果是瞬间干扰造成的,则可通过二次运行得到纠正,避免了误动作。

    4.2 定时监视技术

    在系统的关键部位可采用定时监视器(也称Watch-Dog Time简称WDT)来监督系统的运行。WDT是硬件计数器,以时钟脉冲为输入信号所以计数亦即计时。正常时WDT由程序控制有规律地复位,再预置数,并重新计数。一旦当程序受到外部干扰脱离正常序列时,计算机将不能对WDT进行复位,此时CPU接收不到复位信号而认为有故障出现,随即命令停机保护。

    4.3输入、输出数据的软件处理技术

    为保证数据传输的可靠性,对数据采用软件滤波的方法提高可信度。如对平滑信号采用平均值算法消除干扰的影响,即采样N次后,先去掉一个最大值和最小值,再求算术平均值,可消除干扰,提高数据信号的质量。

    综上所述,在可靠性理论和技术的指导下,通过系统的自检、故障报警和系统的安全保护,一方面反映出有较大的MTBF(平均故障间隔时间),即少出故障或有容错能力另一方面也反映出有较小的MTTR(平均故障修复时间),即出了故障能及时发现并迅速排除。这样,使提升机等设备监控系统的可靠性不断完善并越来越适应未来经济建设的要求。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1307.html
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