通信电缆防盗报警系统设计.docx
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通信电缆防盗报警系统设计
通信电缆防盗报警系统设计
摘要
本设计研究课题为全塑市话电缆的防盗报警,监控的主体对象是全塑市话电缆。
系统基本工作原理是:
当电缆正常工作时,由测试心线构成的直流检测回路(环路)中有一定大小的电流通过,表明电缆各线序均正常导通,继电器在检测电流的推动下,常开接点工作。
连接在常开接点上的报警回路是断开的,报警回路不构成环路,警铃和警灯不工作。
当电缆发生意外时,直流检测回路与其它线序一道中断,回路中的检测电流为零,继电器工作状态发生倒换,由常开状态变为常闭状态,常开接点不工作,接点闭合,连接在常开接点上的报警回路随即导通,直流电源加载在警铃和警灯两端,发出声光警报。
继电器是本设计的关键器件。
继电器的合理选择直接关系到报警响应时间、响应灵敏度乃至整个设计的成功与否。
此外,直流电源和直流放大器的类型选择也很重要。
本设计中,采用独立的专用直流稳压电源来作为检测回路和报警回路的供电器件,而放大器选择较为简单的单端式直流放大器。
本报警系统适合线路较长的主干通信电缆线路的监控。
本课题研究的现状
通信电缆是企业通信网络的基础设施。
通信电缆线路的畅通,直接影响到企业生产调度指挥和经营管理,保障通信线路畅通是线务员的主要工作之一。
如何确保通信线路畅通,首先要保证线路主要载体——通信电缆的安全。
近年来,屡屡发生通信电缆被意外破坏或被盗的事件,致使局部通信常常发生大面积、长时间的中断,不仅给线路维护工作带来了许多不必要的工作量,对企业通信声誉造成负面影响,同时也给企业生产建设造成不小的损失。
采取相关技术手段,使通信电缆不致被意外损伤或人为破坏,或使中断时间降到最低程度,是确保通信网络各个环节通畅的主要措施,也是本课题要研究的主要目的。
本设计采用被动式的报警系统,缩短电缆线路全线中断故障被发现时间,提高线路维护工作效率。
同时,也能到达及时通知相关部门(公安部门)的目的,为案发第一时间出警、及时抓获盗窃分子提供可能的条件。
学术价值和现实意义
本设计是被动式的防盗报警系统,虽然无法采取主动措施,防止通信电缆的被盗或意外中断,但可以在中断的当时,发出可闻可视警报,为及时出警、抢修创造条件。
及时出警,可以震慑或捕获盗窃分子,从根源上杜绝电缆被盗事件的再次发生;及时抢修,可以最大限度地缩短电缆线路中断时间,降低中断故障所造成的间接损失。
因此,从上述角度来看,本设计同样可以到达防止电缆线路全线中断事故发生的目的。
目录
第一部分全塑市话电缆的电气性能…………………………………6
第二部分直流继电器的选用…………………………………………9
第三部分直流检测回路设计…………………………………………15
第四部分报警回路设计………………………………………………20
第五部分要解决的几个关键问题……………………………………21
5.1固体继电器的输入临界导通电压和关断电压的选择………21
5.2降低误报率的相关措施………………………………………22
第六部分毕业设计小结………………………………………………23
第七部分参考文献……………………………………………………24
第一部分全塑市话电缆的电气性能
目前,市话通信网络绝大部分采用全塑市话电缆作为传输的主要载体。
全塑市话电缆具有传输质量好、重量轻、维护方便和使用寿命长的特点,被广泛应用于城市电信网路中,用以传送语音、传真和数据等业务的电信号。
本设计研究课题为全塑市话电缆的防盗报警,监控的主体对象是全塑市话电缆,我们有必要对电缆的结构和性能做一些了解。
全塑市话电缆通常由5部分组成:
外护套、屏蔽层、塑料包带、绝缘层和心线。
如图1所示:
塑料包带
绝缘层
心线
外护套
屏蔽层
图1:
普通全塑市话电缆结构
电缆心线是传送电信号的金属导体,心线为TR型软圆形单根退火实心无氧或电解铜,心线的直径一般有0.32、0.4、0.5、0.6和0.8㎜等几种主要规格。
心线的绝缘层采用聚烯烃塑料制成,绝缘有实心、泡沫和泡沫/实心皮3种结构。
绝缘后的心线采用一定的节距进行纽绞,以减少串音,纽绞的方式分为对绞和星绞两种,目前市话电缆心线采用对绞方式较多。
缆心扎带采用聚脂等非吸湿性材料制成薄带,且具有足够的隔热能力,用以保护心线绝缘。
屏蔽层为铝塑复合带,它的功能是减少外电磁场对电缆心线的干扰和影响,提供工作地线,增加电缆阻止透水、防潮的功能,同时可增加电缆的机械强度。
电缆的外护套是保持电缆心线不受潮气、水份的浸害,起到密封与机械保护作用,电缆的外护套多为高分子低密度聚乙烯制成,具有抗老化、高强度的性能。
此外,电缆可根据特殊需要加装铠装层、填充剂等构成材料。
全塑市话电缆的特性,主要包括机械和电气性能两部分。
全塑市话电缆不仅要传输音频模拟信号,而且还要传输数字信号,例如PCM系统的应用,所以,电气性能是全塑市话电缆的重要性能指标之一。
全塑市话电缆具有代表电缆工作回路的电气特性参数,包括回路电阻R、回路电感L、回路电容C和绝缘电导G,称为电缆的一次参数;而特性阻抗ZC、传播常数γ、衰减常数α和相移常数β,则称为电缆的二次参数。
电缆的二次参数与一次参数有关,而一次参数又决定于电缆的结构,所用材料及工作电流的频率等。
为了讨论电缆的防盗报警系统,本文只对设计有关的一次参数中的回路电阻R进行讨论。
全塑市话电缆回路的有效电阻R,由直流电阻R0和交流通过回路时所引起的附加交流电阻R~所组成。
对于在5000HZ以下使用的市话电缆,电缆回路的有效电阻R,近似地等于回路的直流电阻R0。
其计算公式为:
8000
R≈R0=λρπd2
公式中,ρ为导线电阻系数,铜的导线电阻系数为ρcu=0.01748(20℃时),单位为欧·毫米2/米;d为导线直径,单位毫米;λ为电缆心线总绞合系数,取值范围1.005~1.07。
由公式可以看出:
电缆回路的直流电阻主要与导体材料的电阻系数ρ和直径d有关。
当电缆的测试温度不是20℃而是任一温度t℃时,其回路的电阻Rt可按以下公式进行换算:
Rt=R20〔1+α20(t-20)〕
公式中,R20表示温度为20℃时的导线电阻;α20表示20℃时电阻温度系数(1/℃),铜的电阻温度系数αcu=0.00393。
回路电阻R的单位为Ω/㎞。
上述全塑市话电缆的电气性能指标,与我们的电缆的防盗报警系统设计时,检测回路的工作电源选择、检测电流值的设定有一定的关系,因此,在这里对其进行一些介绍。
现在我们通过上面介绍的电缆电气指标计算公式来进行一些相关的计算。
例如,某企业通信网络的主干线路通常采用的电缆程式为铜心线、心线直径为0.4㎜,线对绞合方式为对绞。
铜的导线电阻系数为ρcu=0.01748、电缆心线总绞合系数λ取最大值1.07。
假定计算时温度为20℃,直接套入回路电阻R计算公式:
8000
R≈R0=λρπd2
=1.07×0.01748×〔8000÷(3.1415926×0.42)〕
=297.68Ω/㎞
假如我们要进行监控的电缆线路总长为4.5㎞,设定的直流电源工作电压值为48V时,则直流检测回路的的工作电流为:
R总=4.5×297.68=1339.56Ω
I=U/R总=48÷1339.56≈0.036A
由于电缆的电阻不平衡(指同一线对两根导线间的电阻不平衡)值相对较小(2﹪~5﹪),在这里进行计算时,我们不考虑电阻不平衡指标。
第二部分直流继电器的选用
继电器是本设计的关键器件。
继电器的合理选择直接关系到报警响应时间、响应灵敏度乃至整个设计的成功与否。
继电器的选型,主要包括类型的选择、输入工作电流电压的选择,输出额定电压电流的选择等等。
例如,在继电器类型的选用上,我们就可以选择固体继电器、磁保持继电器、混合式继电器等等。
固体继电器是一种能够象电磁继电器那样执行开、闭线路的功能,且其输入和输出的绝缘程度与电磁继电器相当的全固态器件。
固体继电器(亦称固态继电器)英文名称为SolidStateRelay,简称SSR。
它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件,单相SSR为四端有源器件,其中两个输入控制端,两个输出端,输入输出间为光隔离,输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,输出端就能从断态转变成通态。
固态继电器是一种由集成电路和分立元件组合而成的一体化无触点电子开关元件,其输入端仅需要很小的控制电流,且能与TTL、CMOS等集成电路实现良好兼容。
它的输出回路采用大功率晶体管或双向晶闸管作开关器件来接通或断开负载电源。
由于在开关过程中无机械接触部件,因此具有工作可靠、寿命长、噪声低、开关速度快和工作频率高等特点。
目前,这种器件已在许多自动化控制装置中取代了电磁式继电器,而且还广泛用于电磁继电器无法应用的领域。
其结构原理如图2所示:
图2:
固态继电器的种类很多,按其所控制的负载电源区分,主要有交流固态继电器(AC-SSR)和直流固态继电器(DC-SSR)两类。
其中,AC-SSR为四端器件,以双向晶闸管(TRIAC)作为开关器件,用以控制交流负载电源的通断,触点形式多为常开式:
DC-SSR有的为五端器件,有的则为四端器件,以功率晶体管作为开关器件,用来控制直流负载电源的通断。
在选用固体继电器之前,要对继电器进行常规检测,判别它的可使用情况及性能。
一般情况下,万用表不能判别SSR的好坏,正确的方法采用图3的测试电路:
当输入电流为零时,电压表测出的电压为电网电压,电灯不亮(灯泡功率须25W以上);当输入电流达到一定值以后,电灯亮,电压表测出的电压为SSR导通压降(在3V以下)。
图3:
下面我们对各类型继电器进行比较,以便选择出与电缆报警系统使用相适应的继电器类型。
1:
SSR的具体分类:
交流固体继电器按开关方式分有电压过零导通型(简称过零型)和随机导通型(简称随机型);按输出开关元件分有双向可控硅输出型(普通型)和单向可控硅反并联型(增强型);按安装方式分有印刷线路板上用的针插式(自然冷却,不必带散热器)和固定在金属底板上的装置式(靠散热器冷却);另外输入端又有宽范围输入(DC3-32V)的恒流源型和串电阻限流型等。
2:
过零型与随机型SSR的区别:
当输入端施加有效的控制信号时,随机型SSR输出端立即导通(速度为微秒级),而过零型SSR则要等到负载电压过零区域(约±15V)时才开启导通。
当输入端撤消控制信号后,过零型和随机型SSR均在小于维持电流时关断。
虽然过零型SSR有可能造成最大半个周期的延时,但却减少了对负载的冲击和产生的射频干扰,成为理想的开关器件,在“单刀单掷”的开关场合中应用最为广泛。
随机型SSR的特点是反应速度快,它可以控制移相触发脉冲达到方便地改变交流电网电压,从而应用于精确地调温、调光等阻性负载及部分感性负载场合。
3:
如何将继电器应用于开关场合:
继电器总的来说有“调压”和“开关”两种用途。
本设计主要要用到它的“开关”特性,不需“调压”只需“开关”切换场合选用过零型固体继电器(单相或三相)较为适合。
而过零型继电器又分为单相交流固体继电器和三相固体继电器。
1、单相交流固体继电器(SSR)分过零型和随机型。
过零型SSR用作“开关”切换(从“开关”切换功能而言即等同于普通的继电器或接触器),我们通常讲的固体继电器多数都为过零型(过零型SSR只能“开关”不能“调压”);随机型SSR则主要用于“调压”。
2、三相固体继电器(SSR)均为过零型,即三相SSR只能作“开关”,不能作“调压”。
实际上三相SSR是把三个单相SSR做在一起,并用一个输入端控制。
对实际负载电流不大的场合,三相SSR使用起来比较方便,但电流大时发热亦大,这时使用三只单相SSR更为可靠(因三只单独分开比集中在一起散热效果好,控制方法:
三个输入端可串联或并联),另外如负载短路造成SSR损坏,三只单相SSR(一般损失一到二只)比一只三相SSR的损失要小。
这样看来,虽然三相固体继电器适合做开关使用,但不适合我们采用的报警回路电源。
根据上述对继电器的一些性能比较分析,综合而言,采用过零型单相交流固体继电器(SSR)比较适合我们所要设计的线路报警系统,在系统作为对检测回路电流判断,和对报警回路开关启动的关键器件。
经过严格谨慎的选择,本设计具体选用具备常开常闭接点组的943系列继电器。
下面对该系列的继电器进行简单介绍。
型号为943-1A-48DS-F。
其型号表示的含义分别为:
943为系列型号;1A表示接点形式为1组常开(1A:
1组常开;1B:
1组常闭;1C:
1组转换);48表示输入电压为48V;D表示电源形式为直流(D:
DC);S表示密封形式为密封型(无:
普通型;S:
密封型);F表示绝缘等级为F级(无:
B级;F:
F级)。
外型尺寸见图4所示。
主要技术指标参数(20℃)
电源形式
输入电压(V)
输入电阻
(Ω±10%)
动作电压(V)
≤
开放电压(V)
≥
标准电流
(mA)
DC
48
6400
36
4.8
7.5
*最高使用电压为额定电压的130%(20℃)。
接点规格
接点形式
1A(1组常开)
1B(1组常闭)
1C(1组转换)
最大切换电力
1750VA210W
1750VA210W
1750VA210W
最大切换电压
250VAC30VDC
250VAC30VDC
250VAC30VDC
最大切换电流
12A
12A
12A
接触电阻
≤100mΩ
≤100mΩ
≤100mΩ
阻性负载
12A/125VAC
7A/250VAC
7A/30VDC
12A/125VAC
7A/250VAC
7A/30VDC
12A/125VAC
7A/250VAC
7A/30VDC
负载
断开电流1.5A冲击电流5.4A/277VAC
功率负载
FLA5.8/LRA34.8A240VAC
其它技术数据
绝缘电阻
≥100MΩ500VDC
接触电阻
≤100mΩ
动作时间
≤10ms
开放时间
≤5ms
耐压强度
50/60Hz700VAC1分钟(接点间)
环境温度
-30℃~+60℃
环境湿度
85%在40℃时
重量
约10g
尺寸
注:
外形尺寸公差:
±0.2(.008)接线图(底视图)
(底视图)孔位置图
单位:
毫米(英寸)
图4:
943-1A-48DS-F过零型单相交流固体继电器外型尺寸
第三部分直流检测回路设计
直流检测回路利用要被监控的电缆心线而构成。
也就是说:
通过对电缆心线所形成的直流回路进行电缆本身的电流检测。
对应电缆的工作状态(通或断),回出现电流的有或无的两种情况,致使继电器进行开或关的倒换,从而触发可闻可视报警回路的工作。
由电缆心线构成的直流回路示意如图5所示:
负载电阻
配线架
电缆心线
+
DC
DC48V
+
DC
-
交接箱
直流电源
检测回路2
限流电阻
固体继电器
直流放大器
检测回路1
报警回路
~
限流电阻
单相AC220V
警铃
警灯
图5:
两路直流检测回路和报警回路示意图
直流检测回路由电缆心线、直流电源、限流电阻和负载电阻等组成。
其中,电缆心线在被监控电缆中抽取,为了不影响电缆的正常使用,一般地,抽取较为特殊的线序作为检测回路的导线,例如电缆备用线、第1对心线、最后一对心线等。
在电缆线路的两端,将被抽取的心线与其它心线一道,直接连接(上线)于配线架和交接箱的接线端子上。
通过接线端子的连接,把直流电源的正负极、负载电阻的两端加载在电缆心线上,构成一个简单的直流回路。
负载电阻和限流电阻串接于回路中。
负载电阻充当回路中的模拟负载,串接于线路远端(用户端),其作用类似于电话线路中的电话机。
限流电阻串接于放大器和继电器一端,在回路中的起到限制和调节电流的作用。
本设计中,负载电阻和限流电阻均选用可调电阻,主要是因为可根据线路电缆的实际长度,来调节回路中直流检测电流的大小。
由于通常通信线路长度较长,心线线径较细,电缆的回路电阻较大,因而负载电阻和限流电阻的阻值选择不能太大,以保证回路中有一定的检测电流值。
负载电阻的阻值一般地选用与普通按键式电话机的输入阻值相当的电阻,约为几十欧姆。
此外,直流电源的选择亦非常重要,选用时要充分考虑电源的电压值、负载电流等等。
在本设计中,起初拟采用与程控交换机配套的直流电源直接作为检测回路的工作电源,通过两种方式取得这一直流电源,一:
在程控交换机的电源机柜上的交直流变换器的直流输出端上取得;二:
从程控交换机的后备蓄电池总输出端上取得。
但是在实际使用时会有一些问题出现:
程控交换机的直流电源会由于用户负载情况的变化不定,出现工作电流起伏变化的现象,会令检测回路电流的不稳定。
用蓄电池供电,会有一个供电时效的问题,而检测回路中必须要求全天24小时均有电流通过,方能达到检测电缆工作状态的目的。
对此,我们可以采用独立的专用直流稳压电源来作为回路的供电器件。
直流稳压电源具有供电电流恒定、电压稳定、负载调节性好的特点,而且专用的电源还具备过载保护、抗干扰性强的安全措施。
因此,本设计中,选用上海友力电气有限公司生产的LW系列专用直流电源。
根据实际需要,选择LW6J5型的直流稳压稳流电源,其各项性能指标如下:
输入电压:
AC220V±10%,50Hz±1Hz
输出路数:
1路
额定输出电压:
0~60V可调
额定输出电流:
0~5A可调
实际应用时,电源的工作电压应选取较高值,如48V或53V等,这主要是考虑到通信电缆线路相对较长、环路阻值较高的原因,阻值较高,两端加载的直流压降必须较高,以保证环路内有足够的检测电流来推动放大器以及继电器的开关动作。
为确保继电器能够正常工作,本设计中,在其前端加装了直流放大器。
直流放大器在检测回路中的作用是放大检测电流、推动继电器动作。
采用电平放大型的放大电路,以使得检测电流符合继电器正常工作的输入电压要求。
直流放大器能够放大直流信号或变化极其缓慢的交流信号,它广泛应用于自动控制仪表,电子仪器、测量仪器等。
常用的直流放大电路有单端式直流放大器、差动式直流放大器。
本设计中,选择结构较为简单的单端式直流放大器。
单端式直流放大器需要解决级间直流电平配置问题,如下图6所示,放大电路通过两级的PNP晶体三极管,来对直流信号进行放大。
第二极BG2的PNP基极输入电平取至第一极BG1的PNP的集电极,对第一极的信号电流进一步地放大,以达到输出所需要的电平值;同时,电路是利用电阻Re2拉低BG2的射极电位以满足直流电平配置要求(即令Ube2=Uc1-Ue2)。
放大电路采用-20V来作为工作电压。
此电路的最大缺点是零点漂移大。
Re3
Re2
-20V
91K
9.1K
15K
Re1
BG1
Uo
Ui
3AX31C
BG2
RC3
RC2
RC1
6.2K
5.1K
1K
图6:
两极直流放大电路
为了在实际使用中方便,本设计中,采用现成的放大器设备。
选用HVA4321型直流放大器,该放大器实现了500V/μs的高上升速率,是一种能够输出恒电压/恒电流放大器。
通过内置的用于直流偏置的信号源或外部的直流/交流信号源,从直流到交流,能够获得频带宽阔的、稳定的高电压输出。
HVA4321型直流放大器的性能指标如下:
·有三种输出模式
1.恒电压模式(交流+直流)
2.恒电流模式(交流+直流)
3.恒电流模式(交流)+恒电压模式(直流)
·恒电压模式
大振幅特性直流~7kHz小振幅特性直流~45kHz(±3dB)
上升速率500V/μs
·恒电流模式
大振幅特性直流~4kHz小振幅特性直流~10kHz(±3dB)
上升速率1mA/μs
·装备高精度的电压和电流监视器输出
·输出残留噪声少
·安全功能
高电压输出显示器、用于警告灯的触点输出、输出电压和电流的限制功能等
第四部分报警回路设计
报警回路相对比较简单,主要由交流电源、固体继电器、警铃和警灯等组成。
报警回路是一个交流回路,电源采用220V、50Hz的市电。
其作用是在继电器的触发下,回路闭合导通,使警铃和警灯工作,发出可闻可视的声光报警信号。
参见图5所示。
警铃和警灯可使用日常办公消防报警系统中所采用的警铃和警灯即可。
本设计中,警铃选用BD-6-24-6型,工作电压为交流220V、工作电流为1A;警灯选用PL-R4-LED型,工作电压为交流220V、功率0.5W。
上述两项器件均为日本NITTAN公司的产品。
可调电阻的作用是调节报警回路中的工作电流。
如果按照上述的工作指标选用警铃和警灯,并且忽略警铃、警灯以及直流电源的内阻的话,可调电阻的理论值可以通过下面的算式得出:
R=U/I=220÷15×1000=14.6KΩ
可调电阻的实际取值范围为10~20KΩ之间。
第五部分要解决的几个关键问题
检测回路和报警回路的关系和基本工作原理是:
当电缆正常工作时,由测试心线构成的直流检测回路(环路)中有一定大小的电流通过,表明电缆各线序均正常导通,继电器在检测电流的推动下,常开接点工作。
连接在常开接点上的报警回路是断开的,报警回路不构成环路,警铃和警灯不工作。
当电缆发生意外时,直流检测回路与其它线序一道中断,回路中的检测电流为零,继电器工作状态发生倒换,由常开状态变为常闭状态,常开接点不工作,接点闭合,连接在常开接点上的报警回路随即导通,直流电源加载在警铃和警灯两端,发出声光警报。
按照这一原理设计的报警系统在细节考虑上,要解决以下几个关键问题:
1:
固体继电器的输入临界导通电压和关断电压的选择
临界导通电压和关断电压是固体继电器的重要性能指标。
本设计检测回路的直流工作电压取值为48V,由于检测回路各器件构成串联电路,所以加在继电器两端的临界导通电压值计算为:
临界导通电压值=直流电源标称电压—电缆心线电阻压降—负载电阻压降—限流电阻压降—放大器压降
因此,在各电阻取值上,一定要考虑到继电器的临界导通电压。
在能够保证负载和限流作用的前提下,电阻的取值不可过大,以防其本身的压降过大,致使继电器的临界导通电压不够。
如果临界导通电压不够,则在电缆正常情况下,继电器的常开接点不会打开,警报工作回路失效。
关断电压是接点保持原状态和发生状态倒换时的临界电压值,关断电压值的选定,直接关系到继电器的反映灵敏度,关断电压越小,它的反映灵敏度则越高。
但又不能将关断电压设得过小,否则容易发生警报误报现象。
在本设计中,固体继电器的输入临界导通电压的取值为≤36V、关断电压的取值为≥4.8V。
2:
降低误报率的相关措施
除了选择灵敏度合适的继电器、阻值合适的电阻等器件,使检测回路中的电流保持稳定等办法外,可以采取多条心线回路同时进行检测的方法,提高对电缆工作状态监控的精确度。
具体方法是:
按照图5中的检测方式,再选取1对线序做相同的直流检测回路,使电缆中同时有两路心线检测回路,每条检测回路中均有一个相互独立的继电器。
把继电器串联在报警回路当中,只有在两个继电器同时闭合(检测回路中无电流、非常开状态)的情况下,报警回路才工作。
两个继电器同时误动作的概率应该是非常低的,如果在它们同时闭合触发,表明这两条检测回路已同时中断
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