自供電傳感器在煤礦機(jī)械智能控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

李為民

摘? 要：煤炭是現(xiàn)在人們生存所需要的重要能源之一，煤礦機(jī)械化水平的高低會(huì)對(duì)煤礦的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益造成較大的影響，煤礦機(jī)械在開展工作時(shí)很容易受到巖石、煤等的猛烈撞擊，使得煤礦機(jī)械發(fā)生故障。在煤礦機(jī)械智能控制系統(tǒng)當(dāng)中有效運(yùn)用自供電傳感器，能夠解決機(jī)器周圍因不具備有線連接而不可以運(yùn)用典型傳感器的采礦地點(diǎn)。文章主要圍繞自供電傳感器的具體設(shè)計(jì)應(yīng)用展開探究。

關(guān)鍵詞：煤礦;智能控制系統(tǒng);自供電;傳感器

中圖分類號(hào)：TD67? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0093-02

Abstract： Coal is one of the important energy sources that people need to survive now. The level of coal mine mechanization will have a great impact on the production efficiency and economic benefits of coal mines. Coal mine machinery is easy to be hit by rock， coal and so on when it works， which makes the coal mine machinery fail. The effective use of self-powered sensors in the intelligent control system of coal mine machinery can solve the mining sites around the machine where typical sensors cannot be used because of the lack of wired connection. This paper mainly focuses on the specific design and application of self-power supply sensor.

Keywords： coal mine; intelligent control system; self-power supply; sensor

近些年我國(guó)工業(yè)越來(lái)越重視機(jī)械、設(shè)備監(jiān)控以及自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)用，為了真正實(shí)現(xiàn)采礦機(jī)械的自動(dòng)化系統(tǒng)，需要不斷探究新技術(shù)。自供電傳感器的主要供應(yīng)組間包含了熱電發(fā)電機(jī)與壓電能量收集等，同時(shí)還準(zhǔn)備人造與技術(shù)智能來(lái)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行有效的管理，下文將針對(duì)自供電感應(yīng)器的運(yùn)用進(jìn)行分析。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

近些年電子信息技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)與無(wú)線通信技術(shù)均以較快的速度發(fā)展著，傳感器節(jié)點(diǎn)逐漸往智能化與微小化方向發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成主要為許多成本與功耗均較低、功能較多、高度集成的傳感器節(jié)點(diǎn)。通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)包含了各種傳感器、射頻收發(fā)裝置與嵌入式微處理器等，網(wǎng)絡(luò)能夠有效采集信息、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理以及具備無(wú)線通信能力。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)除了能夠進(jìn)行信息交互，還可以與基站進(jìn)行有效的通信，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)可以做到遠(yuǎn)程傳輸?shù)接脩籼幚砥脚_(tái)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)等實(shí)施比較，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具備的特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：（1）節(jié)點(diǎn)會(huì)在指定區(qū)

域的分布中具有高密度集中的特點(diǎn)[1]，節(jié)點(diǎn)分布數(shù)目眾多，且具有大范圍的網(wǎng)絡(luò)面積。（2）會(huì)受到節(jié)點(diǎn)功耗的限制，從而導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析與存儲(chǔ)等方面都存在局限性，也就是傳感器節(jié)點(diǎn)處理器普遍都比較簡(jiǎn)單。（3）節(jié)點(diǎn)的安置環(huán)境大多都比較惡劣，提前規(guī)劃的可能性比較低，安置節(jié)點(diǎn)之后會(huì)自動(dòng)配置與構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。（4）數(shù)據(jù)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首要中心。在網(wǎng)絡(luò)中具有眾多的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)目，網(wǎng)絡(luò)具有復(fù)雜多變的特性，單個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)休眠或故障等情況時(shí)，并不會(huì)牽連到整體網(wǎng)絡(luò)，整體網(wǎng)絡(luò)因單節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。（5）通常情況下，其傳輸模式主要為多個(gè)起始節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)匯集，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的多對(duì)一傳輸模式。（6）傳感器節(jié)點(diǎn)的供電持續(xù)性存在不足，通常情況下節(jié)點(diǎn)會(huì)借助電池實(shí)現(xiàn)供電，但是節(jié)點(diǎn)所在位置都比較惡劣或者是不可以輕松到達(dá)，因此在電池更換上具有比較大的難度。

2 煤礦有效運(yùn)用自供電傳感器的可行性分析

在以往采礦業(yè)專用設(shè)備設(shè)計(jì)方面所積累的經(jīng)驗(yàn)，傳感器的設(shè)計(jì)師們對(duì)運(yùn)用自供電傳感器的具體要求做出了有效分析。

通過(guò)自供電傳感器可以使得與監(jiān)測(cè)機(jī)器運(yùn)行存在關(guān)聯(lián)的其他選項(xiàng)參數(shù)都?xì)w入到現(xiàn)在已經(jīng)規(guī)劃好的體系當(dāng)中，在開展干預(yù)鋪設(shè)額外電纜的過(guò)程中并不需要借助原本已經(jīng)具有的電力與控制系統(tǒng)。自供電傳感器的使用實(shí)質(zhì)上是在能源領(lǐng)域中對(duì)能源進(jìn)行充分利用。本文主要對(duì)來(lái)自溫差的能量以及機(jī)械振動(dòng)的能量進(jìn)行有效的分析。

2.1 來(lái)自溫差的能量分析

采礦機(jī)械運(yùn)行空間存在有比較大的限制，機(jī)器功率大驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)造成長(zhǎng)臂開采系統(tǒng)或挖掘工作中運(yùn)用機(jī)器部件系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)溫度明顯升高的現(xiàn)象。機(jī)器表面所能夠承受的最高溫度為150℃[2]。如果驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障。或者是存在有過(guò)度磨損的現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)器溫度明顯大于最大溫度限值。自供電傳感器的建議概念是在熱工行業(yè)中發(fā)展來(lái)的。這種傳感器可以做到在選定的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)實(shí)施有效的溫度測(cè)量，同時(shí)也可以做到輕易改變其安放位置。

2.2 機(jī)械振動(dòng)的能量分析

從機(jī)械振動(dòng)角度出發(fā)，對(duì)有效運(yùn)用由能源驅(qū)動(dòng)的自供電傳感器的可能性進(jìn)行認(rèn)真的分析，分析后可知道自供電傳感器能夠被運(yùn)用在移動(dòng)機(jī)器、路橋系統(tǒng)中，此外還能夠運(yùn)用在長(zhǎng)壁開采系統(tǒng)正在運(yùn)行的機(jī)器當(dāng)中。目標(biāo)傳感器系統(tǒng)還能夠?qū)σ韵聟?shù)進(jìn)行有效的測(cè)量：測(cè)量選定設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際溫度，在機(jī)器操作過(guò)程中所有可能導(dǎo)致溫度改變的地方都確定為傳感器所在位置;對(duì)機(jī)器液壓系統(tǒng)當(dāng)中存在的壓力進(jìn)行有效測(cè)量;實(shí)施振動(dòng)診斷;對(duì)飛桿輸送機(jī)鏈條的壓力進(jìn)行有效的測(cè)量[3]，將電壓元件放置在專門設(shè)計(jì)的測(cè)量單元當(dāng)中，同時(shí)進(jìn)行機(jī)械能轉(zhuǎn)換傳感器的部署。

3 自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

自供電系統(tǒng)首先收集采礦機(jī)械工作時(shí)所形成的振動(dòng)能量，并將收集到的能量有效轉(zhuǎn)化為電能，從而使得WSN中終端節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題得到良好的解決[4]，在設(shè)計(jì)自供電系統(tǒng)的時(shí)候，最為關(guān)鍵的就是要將振動(dòng)能量的收集以及對(duì)收集能量的管理與轉(zhuǎn)化進(jìn)行有效的解決，其所運(yùn)用的技術(shù)方案包含有以下幾點(diǎn)。

3.1 分析振動(dòng)能量收集技術(shù)

現(xiàn)在已經(jīng)有許多方法來(lái)進(jìn)行振動(dòng)能量的收集，且大多數(shù)方法在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中都可以得到較為滿意的效果，這些方法的工作原理能夠分為以下三種。第一，實(shí)施壓電式振動(dòng)能量收集，該種電能收集方法主要是充分利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，以此讓采礦機(jī)械工作當(dāng)中所形成的振動(dòng)能可以有效轉(zhuǎn)化為電能，其工作當(dāng)中所體現(xiàn)出的原理為壓電材料的振動(dòng)比較明顯時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象，相對(duì)應(yīng)的兩塊壓電材料上會(huì)發(fā)生兩種截然不同的電荷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備供電的目的，壓電式振動(dòng)能量收集技術(shù)在自供電系統(tǒng)當(dāng)中具有比較廣大的發(fā)展前景。第二，實(shí)施電磁式振動(dòng)能量收集，該種收集技術(shù)在工作中所體現(xiàn)出來(lái)的原理為以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)[5]，當(dāng)處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，閉合回路可以不間斷的進(jìn)行切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，在切割磁感線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中，線圈的磁通量大小會(huì)明顯出現(xiàn)變化，導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)，從而能夠取得電能，目前該種方式的能量收集發(fā)電方式已經(jīng)取得了較為成熟的發(fā)展，該種方式的一大明顯特征為具有比較高的輸出電壓，且具有相對(duì)穩(wěn)定的電能運(yùn)用。第三，實(shí)施靜電式振動(dòng)能量收集，該種能量收集發(fā)電方式只有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，通常情況下其組成包含了兩塊大小不一樣的電容，當(dāng)其處于振動(dòng)的狀態(tài)下，兩塊電容可以在振動(dòng)狀態(tài)下做功，導(dǎo)致兩塊電容之間的間距相對(duì)面積出現(xiàn)明顯的改變，從而使得兩塊電容板上發(fā)生正負(fù)極的電荷改變[6]，當(dāng)電容中存儲(chǔ)的電荷量出現(xiàn)明顯的改變時(shí)，電壓會(huì)因此出現(xiàn)，在對(duì)產(chǎn)生的電壓實(shí)施有效的管理與調(diào)整之后就可以將其有效運(yùn)用在實(shí)際工作當(dāng)中了。

3.2 分析能源管理方法

因?yàn)楝F(xiàn)在采礦機(jī)械具有相對(duì)復(fù)雜的工作情況，而且需要收集的機(jī)械振動(dòng)也相對(duì)較弱，這種不具備規(guī)律性的能量無(wú)法做到對(duì)相應(yīng)模塊或器件實(shí)施穩(wěn)定的充電，在這種情況下就需要將具備存儲(chǔ)功能的電路聯(lián)系起有關(guān)的電源管理，從而達(dá)到能量穩(wěn)定供給的效果，通常該種電源管理電路所包含的功能有能量存儲(chǔ)、能量轉(zhuǎn)換以及及時(shí)監(jiān)測(cè)等。

首先需要做的是能量的轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換需要將能量采集器中所采集到的不具備規(guī)律性與比較輕微的能量實(shí)施有效的轉(zhuǎn)換[7]，使得這些能量可以具有規(guī)律性與穩(wěn)定性，從而讓實(shí)際供電的要求得到有效的滿足。在能量存儲(chǔ)當(dāng)中，能夠有效選擇充電電池或者電容器來(lái)對(duì)能量實(shí)施良好的存儲(chǔ)，在確定儲(chǔ)存器件的時(shí)候需要有效結(jié)合供電對(duì)象的實(shí)際需求，超級(jí)電容器是現(xiàn)階段使用得較多的儲(chǔ)能元件。然后是路徑管理，路徑管理的主要內(nèi)容為有效管理系統(tǒng)能量的存儲(chǔ)和供應(yīng)，全面結(jié)合電能供應(yīng)元件的實(shí)際特點(diǎn)與相關(guān)需求，以此來(lái)有效調(diào)節(jié)所供給能量的大小，使得能量損耗與浪費(fèi)的現(xiàn)象可以得到有效的避免。最后進(jìn)行電池的監(jiān)測(cè)，若可充電電池可以作為能量?jī)?chǔ)存模塊，則需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)電池的充放電過(guò)程[8]，為充放電過(guò)程的穩(wěn)定提供充足的保障，以此來(lái)有效避免因?yàn)殡姵氐倪^(guò)度充放電而出現(xiàn)相關(guān)的故障，從而實(shí)現(xiàn)充電電池與終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)際使用壽命延長(zhǎng)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合上文內(nèi)容可知，目前的礦產(chǎn)資源開采環(huán)境都不盡人意，煤塵水霧與巖石這兩者都會(huì)對(duì)采礦機(jī)械設(shè)備造成直接的影響，采礦機(jī)械設(shè)備當(dāng)中的軸承與液壓系統(tǒng)會(huì)很容易受到影響而發(fā)生故障，最終導(dǎo)致礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)會(huì)受到較大的影響，容易導(dǎo)致工傷事故等安全問(wèn)題，所以需要有效運(yùn)用煤礦機(jī)械智能控制系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的自組織方法可以讓采礦機(jī)械監(jiān)測(cè)與控制得到良好的實(shí)現(xiàn)，具有自供電系統(tǒng)的無(wú)線傳感器能夠保障控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文中從振動(dòng)能量采集與能源管理這兩方面來(lái)進(jìn)行自供電系統(tǒng)的分析，從而為煤礦開采使用自供電傳感器提供有效的借鑒。

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