摘 要： 针对目前煤矿井下各种电气设备工作时产生的电磁干扰严重影响人员管理系统性能的问题，以煤矿人员管理系统为研究背景，对电磁干扰特性进行分析，通过设计干扰抑制电路，结合人员管理系统实际应用情况，提出一套煤矿用产品抑制电磁干扰的解决方案。 解决了由于电磁干扰造成的人员管理系统设备死机、重启及通信故障等问题，大大提高了系统的抗干扰能力。
关键词： 电磁干扰; 电磁兼容; 煤矿人员管理系统
Abstract: Aiming at the problem that the electromagnetic interference (Emi) caused by various electrical equipment working in coal mine has seriously affected the performance of personnel management system， analyzes the characteristics of electromagnetic interference (EMI) in the background of personnel management system in coal mine, through the design of Interference Suppression Circuit, combined with the practical application of personnel management system, a set of coal mine products to suppress electromagnetic interference solution. The problems of equipment failure, restart and communication failure caused by electromagnetic interference are solved, and the anti-interference ability of the system is improved greatly.
Key words: electromagnetic interference; electromagnetic compatibility; coal mine personnel management system
0引言
煤矿井下各种用电设备繁多，电磁干扰相对比较严重。因此，煤矿人员管理系统是否能够抵抗电磁干扰，保障系统稳定可靠运行，对煤矿安全生产具有重要意义。电磁干扰有传导干扰和辐射干扰2种，传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰;辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。本文主要介绍通过对系统的电源供电端和信号传输端进行抗电磁干扰设计来提高煤矿人员管理系统的电磁兼容EMC性能，从而达到抗电磁干扰的作用，保证系统性能要求的同时具备一定的抗电磁干扰能力。
1煤矿人员管理系统
系统由工控机(主机、备用机各1台)、打印机、防雷箱、UPS电源、矿用隔爆兼本安型以太网交换机、矿用隔爆兼本安型直流稳压电源、矿用本安型读卡分站、矿用本安型读卡器、矿用本安型搜索仪、标识卡等组成。
系统的主要功能：
(1)监测功能携卡人员出/入井、位置等监测;出/入巷道分支方向识别;乘坐运输工具位置监测;唯一性监测;越界监测等功能。
(2)管理功能具有人数、地点、时间等管理功能。
(3)存储和查询功能具有时间、地点、方向等存储和查询功能。
(4)显示功能具有按人员、时间、区域、报警等方式显示功能。
(5)打印功能具有打印各种报表功能。
(6)人机对话功能具有操作管理系统、设置、查询等功能。
(7)其他功能具有软件自监视、容错、自诊断等功能。
2电磁干扰特性分析及及人员管理系统抗电磁干扰措施
系统发生电磁兼容性问题，必须存在3个因素，即电磁干扰源、传播途径和受扰设备。电磁干扰源是指正常工作时能够产生电磁干扰的电路或者设备。煤矿井下主要干扰源为变频设备、大型电气设备等。传播途径是指干扰源产生的电磁干扰对内或者对外传递的路径。在煤矿井下电磁烦扰的传播途径有很多，但主要集中在供电线路及空间辐射。受扰设备是指受影响的电路或者设备。对人员管理系统来讲，主要是隔爆兼本安型直流稳压电源和读卡分站。所以系统在设计和使用过程中要想解决电磁干扰问题，要从这3个因素入手，针对不同情况对症下药。由于煤矿人员管理系统属于受扰设备，将通过传播途径接收到干扰信号。因此要解决系统中设备的电磁干扰问题，只需切断传播途径即可。通常采用电气隔离、屏蔽、接地、滤波、端口防护等技术。
3系统抗电磁干扰设计
煤矿人员管理系统中读卡器和读卡分站主要以矿用隔爆兼本安型直流稳压电源供电为主，以电源端设计为例，应能满足电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，静电放电抗扰度试验，辐射电磁场抗扰度试验，浪涌(冲击)抗扰度试验4项电磁兼容抗扰度标准的考核。
3.1供电端抗电磁干扰设计
首先，电源外部结构设计。电源外壳采用Q235B材质的金属外壳，所以辐射电磁场的干扰相对来说会小一些。再加上合理的接地设计，端口的良好屏蔽以及输入/输出的电源线均采用屏蔽电缆(电缆屏蔽层有效接地)，可以将外界试图通过外壳和端口进入的许多干扰有效消除，从而使内部电路得到保护。其次，电源内部电气设计。常用的抑制电磁干扰的器件有瞬态电压抑制二极管(又称TVS管)、压敏电阻、气体放电管、共模电感、磁珠、高频滤波电容等。设计如图1所示，本电路用TVS管作为抑制浪涌的主要器件。TVS管D1可以承受较高的瞬间脉冲电压。脉冲发生时，它的工作阻抗瞬间会变得很低，允许通过大电流，并能将电压箝制到稳定的水平，从而可以有效保护后续电路。可以根据脉冲电压的幅度及功率选择参数合适的TVS管。电容C1、C2可以将高频的浪涌残压释放到大地上。本电路用共模电感L1用来吸收超高频脉冲信号及静电脉冲信号，抑制共模干扰对电路造成的影响。共模干扰主要以电流形式存在。当有共模干扰电流流经共模电感时，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈产生较强的阻尼效果，以此衰减共模干扰电流，达到滤波的目的。由于共模电感采用同相绕制，当电路中的正常差模电流流经共模电感时会产生反向的磁场进而相互抵消，因此不会对正常有用信号造成影响。多孔珠是磁珠的一种，是在导磁材质上打孔绕制电感。既有电感的特性，又具备吸收高频脉冲的作用。因此L2，L3可以很好地抑制脉冲群干扰信号对后续电路的影响。另外，结合高频电容C3，C4，C5，C6将脉冲群电压释放到“大地”上，该部分抑制电路，对电源端进行滤波也可以进一步提高对脉冲群的抑制效果。
当整机难以满足脉冲群抗扰度试验要求时，可以把电源进线绕在铁氧体磁环上，形成低通滤波器，一般以2～3匝为宜。铁氧体材质可有效吸收脉冲群信号，抑制电源线上高频噪声和尖峰干扰重要手段及有效措施。由于煤矿设备的特殊性，要求具备显示功能。而透明视窗的材质不是Q235B，此处对电磁场辐射没有任何防护功能。电源设计初期，显示电路由主板同一个单片机控制，经过电磁兼容测试发现，通过显示窗进入的干扰对电源干扰很大，导致设备死机。因此采用了2种方案抑制干扰。一种是视窗内增加屏蔽网，另外一种是对显示电路进行抗电磁干扰设计，对线路板采用大面积敷铜的方式将辐射信号与箱体内部信号隔离。并且引入电感进行滤波，避免辐射信号对设备内部电路造成干扰。同时显示屏采用单独的单片机与主单片机进行通信，实现显示功能。2种方式对干扰的抑制效果都不错，能够达到系统要求的标准，并且没有出现死机现象。但由于屏蔽网的透明度不好，会大大降低用户体验，所以采用第2种方式来抑制透明窗口接收的辐射干扰。
3.2信号传输端抗电磁干扰设计
结合系统的整体设计，信号传输采用CAN总线方式。电磁干扰性能对CAN总线系统的运行可靠性具有较大影响。为了更好的保障通信效果，抗电磁干扰主要从3个方面着手处理。首先，CAN接口增加隔离与防护。在设计电路方面可以参考电源端设计进行，调整适当的TVS管。同时在接口处增加隔离与防护。其次，传输方式采用屏蔽双绞线传输，提高抗干扰能力。使用屏蔽线，保证屏蔽层接地良好。再次，适当选择使用抗干扰磁环，磁环的效果可以大大吸收及消弱特定频率的干扰影响。
3.3抗电磁干扰性能测试
经过对电源、读卡分站及读卡器进行的电磁兼容性能测试，各个设备均能通过GB/T17626.3—2016规定的严酷等级为3级的射频电磁场辐射抗扰度试验，评价等级为A，电源功能和性能水平在试验期间无任何异常。各个设备均能通过GB/T17626.4—2018规定的严酷等级为3级的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，评价等级为A，电源功能和性能水平在试验期间无任何异常。
各个设备均能通过GB/T17626.5—2019规定的严酷等级交流端口3级、直流电源与信号端口2级的浪涌(冲击)抗扰度试验，评价等级为B，电源功能和性能水平在试验期间出现下降或失效，但试验结束后系统无需人为干预即可自行恢复正常。其中，设备正常功能和性能水平：(1)试验过程中，电源工作正常，未出现设备死机、复位、掉电现象;(2)数据通信未见异常;(3)未出现显示乱码现象。
4结语
煤矿生产环境恶劣，干扰源众多，包括各种大型设备的启动/停止、动力电源线的电磁干扰、变频设备的应用等。煤矿人员管理系统在实际设计和应用中，电源供电和信号传输最为重要，非常容易受到干扰。本文对系统设计和测试过程中的电磁兼容性能做了一定研究，提出了一定的解决办法，保证设备可靠运行，发挥系统更大作用。煤矿井下电磁兼容涉及的问题非常复杂，需要我们更多人深入研究，减少电磁干扰带来的各种影响。
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作者：雷 兴 ， 邹德东
