閆春斌

（山西西山晉興能源有限公司斜溝煤礦， 山西 太原 033602）

引言

近年來，包括采礦機(jī)械開發(fā)在內(nèi)的機(jī)器和設(shè)備監(jiān)控及自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)成為重要的工業(yè)內(nèi)容，需要實施新的解決方案。在受甲烷威脅和煤塵爆炸危險的地區(qū)，基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的（例如CAN總線）分散控制系統(tǒng)變得越來越流行。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的使用旨在限制電纜數(shù)量（實際上通常需要將網(wǎng)絡(luò)電纜和電力電纜合并為一個電纜）。通過無線網(wǎng)絡(luò)相互通信的傳感器需要從電源線或電池供電。在設(shè)備專用于采礦機(jī)械的情況下，由于電池更換的技術(shù)問題和安全要求，電池供電很繁瑣。由KOMAG在開展的工作中開發(fā)了自供電傳感器系統(tǒng)的概念[1]。

受威脅地區(qū)使用的電子設(shè)備設(shè)計的一般要求符合ATEX指令的PN-EN 60079-0：2009標(biāo)準(zhǔn)。對于電子設(shè)備來說，對其本身進(jìn)行安全設(shè)計是最好的保護(hù)方法。本質(zhì)安全通常由收集和限制電力的合適外殼來保證在與爆炸性氣體接觸的裝置（及其接線）中，不會由于起泡和升溫引起點火。

自供電系統(tǒng)的概念傳感器使用壓電能量收集和熱電發(fā)電機(jī)作為供應(yīng)組件并計劃使用人造和技術(shù)智能管理傳感器網(wǎng)絡(luò)配置。在采礦業(yè)中人造智能主要用于診斷部件和部件的磨損以及機(jī)器和機(jī)械化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。機(jī)器智能適應(yīng)變化的實現(xiàn)操作條件是已知的。本文將對自供電感應(yīng)器在現(xiàn)代煤礦機(jī)械智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用展開討論[2]。

1 煤礦使用自供電傳感器的可行性

基于在采礦業(yè)專用設(shè)備設(shè)計方面的經(jīng)驗，傳感器的設(shè)計師們分析了使用自供電傳感器的要求。

使用自供電傳感器能將監(jiān)測機(jī)器運行相關(guān)的其他選項參數(shù)納入到現(xiàn)有體系中，不需要在現(xiàn)有的電力和控制系統(tǒng)中進(jìn)行干預(yù)鋪設(shè)額外電纜。

自供電傳感器的應(yīng)用直接源自于能源領(lǐng)域的發(fā)展及能源的高效利用。在本文中專注于機(jī)械振動的能量或來自溫差的能量。

1.1 機(jī)械振動的能量

從機(jī)械振動分析使用由能源驅(qū)動的自供電傳感器的可能性，發(fā)現(xiàn)它們可以被使用在移動機(jī)器或在長壁開采系統(tǒng)中運行的機(jī)器中或在路橋系統(tǒng)中。

目標(biāo)傳感器系統(tǒng)可以選擇測量以下參數(shù)：選定設(shè)計節(jié)點的溫度，在機(jī)器操作期間任何可能改變溫度的地方設(shè)置傳感器位置；機(jī)器液壓系統(tǒng)中的壓力；振動（振動診斷）；飛桿輸送機(jī)鏈條的壓力（在一個專門設(shè)計的測量單元配備電壓元件并安裝機(jī)械能轉(zhuǎn)換傳感器）[3]。

1.2 來自溫差的能量

采礦機(jī)械運行空間受限大，機(jī)器功率大驅(qū)動裝置會導(dǎo)致長壁開采系統(tǒng)或掘進(jìn)工作中使用機(jī)器部件系統(tǒng)顯著升溫。機(jī)器表面測得的最大溫度不應(yīng)超過150℃。在驅(qū)動器故障或過度磨損的情況下存在機(jī)器溫度限值將被超過的風(fēng)險。自供電傳感器的建議概念基于熱工行業(yè)。這樣的傳感器將能夠在選定的設(shè)計節(jié)點進(jìn)行溫度測量，也很容易改變其布置位置。

2 由振動能量驅(qū)動的傳感器及熱點傳感器設(shè)計機(jī)理

2.1 由振動能量驅(qū)動的傳感器設(shè)計及應(yīng)用

壓電傳感器使用在表面上產(chǎn)生電荷的機(jī)械應(yīng)力下的壓電材料。根據(jù)PN-EN 60079-11：2012標(biāo)準(zhǔn)，如果計劃使用這些傳感器，就必須嚴(yán)格地測試這些傳感器用于受甲烷或煤塵爆炸危害威脅的地區(qū)的適用性。

如果給定機(jī)器的最大輸出能量超過根據(jù)EN 60079-11：2012標(biāo)準(zhǔn)給出的值，建議將壓電元件安裝在密封件中用一種填充物覆蓋它，然后將其放入一個特殊的機(jī)械應(yīng)力外殼中。這種準(zhǔn)備好的設(shè)備應(yīng)符合PN-EN 60079-11：2012標(biāo)準(zhǔn)對“ia”保護(hù)級別（固有設(shè)備進(jìn)行投入在甲烷存在下的連續(xù)操作）。

經(jīng)過初步分析，得出的結(jié)論是無線傳感器將由四個主要模塊組成：

1）測量元件。取決于傳感器的類型，它可能是壓電式的用于測量振動的元件，也可以是用于測量溫度的熱電偶元件。

2）處理器。傳感器測量的物理參數(shù)由處理器傳輸從類似的形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，然后以適當(dāng)?shù)母袷桨l(fā)送給傳輸系統(tǒng)。此外，處理器將具有能夠自我啟用的無線電通信邏輯組織。

3）無線電數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在查看可用系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)ZigBee是在討論的案例中使用無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴褬?biāo)準(zhǔn)。

4）供電。在典型的無線傳感器中使用電池供電系統(tǒng)替代方案建議所有傳感器組件的電源。

2.2 帶有熱電電源的傳感器設(shè)計應(yīng)用

工業(yè)制造過程中（包括采礦業(yè)）會產(chǎn)生大量的廢熱能。因此，開發(fā)熱電發(fā)電機(jī)的目標(biāo)是將熱能轉(zhuǎn)化為電力。熱點裝置最突出的優(yōu)點包括，如無活動部件，熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，體積尺寸小，可以根據(jù)實際情況設(shè)計制造出任何可能形狀的熱電裝置。

熱能回收技術(shù)的試驗在不同的分支機(jī)構(gòu)進(jìn)行并從微納米技術(shù)開始，通過汽車行業(yè)，如通用汽車、寶馬、豐田、福特等汽車重工業(yè)的不斷發(fā)展和演變。熱電發(fā)電機(jī)技術(shù)也用于產(chǎn)生較少熱能的生產(chǎn)過程中。供電方式是構(gòu)建自供電系統(tǒng)的主要問題，為了確保連續(xù)運行，熱電裝置利用周圍環(huán)境的能量，主要是熱能來解決用電量和方式中的問題。

熱電發(fā)生器用于將熱能轉(zhuǎn)化為電能（如圖1所示），這可以被用于提供自主設(shè)備，例如，無線傳感器。熱電工作原理發(fā)電機(jī)基于塞貝克現(xiàn)象。它包括電動機(jī)的生成電路中的力由兩種不同的材料組成，其接觸面有不同溫度。接觸電壓是由于電子擴(kuò)散導(dǎo)致的通過接觸表面從一種材料轉(zhuǎn)移到另一種材料的電壓。高溫段材料具有較低的電子濃度接觸溫度越高，差異越大。

圖1 典型的熱電傳感器裝置（實物圖及機(jī)理圖）

3 結(jié)語

通信系統(tǒng)的自組織方法能夠?qū)崿F(xiàn)采礦機(jī)械監(jiān)測和控制狀態(tài)，特別是在地下最先進(jìn)和高效的監(jiān)測和控制技術(shù)關(guān)于自供電傳感器的網(wǎng)絡(luò)中，配備了電子系統(tǒng)。使用本文提出的自供電傳感器成本相對較低，因此有必要在商業(yè)化的模式下進(jìn)一步研究和考量采礦業(yè)中自供電系統(tǒng)的規(guī)?；褂们熬?。