文/趙恒聲 姜桂鵬 江澎

礦井提升機(jī)中數(shù)據(jù)采集與發(fā)送裝置采用鋰電池或鉛酸蓄電池供電，帶來更換問題，選用基于磁耦共振原理的無線充放電模組，利用零電壓開關(guān)電路逆變產(chǎn)生交變電流，通過并聯(lián)-并聯(lián)傳輸結(jié)構(gòu)，采用橋式整流接收電路并對(duì)電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)了無線電能傳輸功能。

提升機(jī)系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)之一，不論是多繩摩擦式提升機(jī)還是單繩纏繞式提升機(jī)，不論是主井提升還是副井提升系統(tǒng)，其終端荷載均面臨著稱重不準(zhǔn)、箕斗粘堵、二次裝載、維護(hù)或操作不善等因素導(dǎo)致的過載斷繩的嚴(yán)峻風(fēng)險(xiǎn)。近年來，礦山運(yùn)輸提升事故是礦山系統(tǒng)的第三大類災(zāi)難事故，所占比例僅次于瓦斯和頂板事故。提升機(jī)承載在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能提高提升設(shè)備的本質(zhì)安全水平，降低下井人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，此類勞動(dòng)安全防護(hù)設(shè)施日益成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

對(duì)于傳感器采集、發(fā)送及接收系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的有線充電方式中，雜亂的物理導(dǎo)線易引起安全隱患，且在特定工況下不便使用；采用鋰電池或鉛酸蓄電池直接供電方式，其鋰電池或鉛酸蓄電池需定期更換，增大了現(xiàn)場維護(hù)工作量。無線電能傳輸自2007年麻省理工學(xué)院Marin教授的研究團(tuán)隊(duì)提出以來，日益成為當(dāng)今充電系統(tǒng)研究的主流方向。

本文介紹基于無線通信技術(shù)和無線電能傳輸技術(shù)的無線充放電模組，采用磁耦共振的原理，利用零電壓開關(guān)(Zero Voltage Switch，簡稱ZVS)電路逆變產(chǎn)生交變電流，通過并聯(lián)-并聯(lián)傳輸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸，采用橋式整流接收電路并對(duì)電池進(jìn)行充電，系統(tǒng)傳輸效率達(dá)80%，傳輸距離為5 cm。本系統(tǒng)選用抗沖擊測(cè)力傳感器、稱重傳感器、制動(dòng)加速度傳感器、可編程控制器（Programmable Logic Controller ，簡稱PLC）及RS-485傳輸技術(shù)相結(jié)合，在不破壞原有提升系統(tǒng)的條件下研究提升機(jī)載荷在線監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、杜絕二次裝載、摩擦提升系統(tǒng)防滑、大件貨物配重及松繩卡罐等引起的安全隱患監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

監(jiān)控系統(tǒng)總體組成

無線充電發(fā)射模組布置在井口位置，無線充電模組、電池及發(fā)送器安裝在罐籠和箕斗頂端，制動(dòng)繩上安裝的抗沖擊測(cè)力傳感器輸出4～20 mA的信號(hào)傳輸?shù)骄谥骺刂乒馪LC模擬量輸入模塊；在罐籠和箕斗頂端安裝稱重傳感器，并在罐籠上方加裝加速度傳感器讀取防墜器制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)加速度，信號(hào)采集發(fā)送裝置在容器往返運(yùn)行中實(shí)時(shí)采集提升機(jī)載荷的各類傳感器信號(hào)，并將信號(hào)通過無線模塊數(shù)傳至無線接收模塊，接收模塊通過RS-485電纜將數(shù)據(jù)上傳至地面PLC和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。礦井提升機(jī)載荷在線監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

無線電能傳輸模塊的選型

無線充放電模組的工作原理基于磁耦共振（如圖2），該系統(tǒng)主要由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，其中能量發(fā)送裝置包括高頻逆變電路和諧振補(bǔ)償電路等；能量接收裝置包括諧振補(bǔ)償電路和整流濾波電路等。當(dāng)發(fā)射線圈的頻率與接收線圈的頻率相同時(shí)，系統(tǒng)處于強(qiáng)耦合模式，通過中高頻磁場可實(shí)現(xiàn)較大距離下電能的高效傳輸。

逆變諧振發(fā)射端

逆變諧振發(fā)射端電路工作時(shí)，電流完整路線見圖3。

圖1 礦井提升機(jī)載荷在線監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

圖2 磁耦共振式無線電能傳輸原理

整流濾波接收端

采用橋式整流電路作為接收端的整流電路見圖4。單相不可控的橋式整流電路中交流電通過整流后，經(jīng)C2的濾波作用，將整流濾波后的直流電輸送給后端的電池負(fù)載。

圖3 逆變諧振發(fā)射端電路圖

圖4 接收端整流電路

監(jiān)控系統(tǒng)模塊選型

為了達(dá)到檢測(cè)系統(tǒng)的使用指標(biāo)，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，選用高可靠性、功能強(qiáng)的芯片以及合理的電路來確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)選用的模塊為基于雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路的芯片ICL7135，該芯片的引腳如圖5所示，為DIP28封裝?？垢蓴_能力強(qiáng)、分辨率高，價(jià)格低廉。分辨率為14位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換誤差為1 LSB，轉(zhuǎn)換輸出為0～19 999；當(dāng)測(cè)量量程為0～2 000 kN時(shí)，這樣的精度使得儀表的分辨率達(dá)到0.1 kN；模擬輸入可以是差動(dòng)信號(hào)，輸入阻抗極高，輸入電壓為0～1.9999 V；采用自動(dòng)校零技術(shù)，可保證零點(diǎn)在常溫下的長期穩(wěn)定性。由于7135輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)掃描BCD碼，因此一般采用并行接口與處理器連接，以節(jié)省處理器的硬件開銷，同時(shí)8155中的定時(shí)器還可滿足7135對(duì)時(shí)鐘的需要。

圖5 ICL7135芯片的引腳圖

數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)射模塊的選用

提升容器上處理器采集到的鋼絲繩張力信號(hào)經(jīng)過處理后以電磁波的形式發(fā)射，信號(hào)的中心頻率為230 MHz。本系統(tǒng)選用500 mW的數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行無線的數(shù)據(jù)傳輸。

該模塊在視距情況下，天線放置高度位置＞2 m，可靠傳輸距離可達(dá)2 km (比特出錯(cuò)概率BER=10-3/1 200 bps)；可靠傳輸距離大于1 km(BER=10-3/9 600 bps)。

采集數(shù)據(jù)的傳輸

由于提升機(jī)的結(jié)構(gòu)和礦井環(huán)境的限制，采集到的信號(hào)在本系統(tǒng)中采用無線加有線的傳輸方式進(jìn)行傳輸，在井口、井底各放置一套無線接收站，接收容器上采集發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送的無線信號(hào)，采集系統(tǒng)和發(fā)送系統(tǒng)采用無線充放電模組進(jìn)行供電。

數(shù)據(jù)采集部分將傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)值經(jīng)過放大和濾波后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)傳輸給發(fā)射系統(tǒng)處理器。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊接收到傳輸而來的數(shù)字信號(hào)，通過內(nèi)部處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將數(shù)據(jù)整理、編碼等，然后通過串行口將信號(hào)傳輸給信號(hào)調(diào)制芯片，調(diào)制好的數(shù)字信號(hào)由無線發(fā)射系統(tǒng)將信號(hào)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)采集和發(fā)送系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集和發(fā)射系統(tǒng)框圖

圖7 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)框圖

在數(shù)據(jù)接收端，接收系統(tǒng)接收發(fā)送來信號(hào)，在調(diào)制解調(diào)芯片內(nèi)將數(shù)據(jù)解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)據(jù)傳輸給接收系統(tǒng)處理器，在處理器內(nèi)將信號(hào)譯碼還原成鋼絲繩張力信息，然后選擇長距離串口方式將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸給上位機(jī)控制箱。數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)框圖如圖7所示。

研究結(jié)論

本系統(tǒng)的無線電能傳輸充放電模組采用自適應(yīng)控制技術(shù)，能為鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池和超級(jí)電容提供精確可靠的無線充電，保護(hù)和延長電池壽命。

本系統(tǒng)在罐籠/箕斗上安裝無線充電接收模組，在井口井架上安裝無線充電發(fā)射模組，現(xiàn)場采用抗沖擊測(cè)力傳感器、稱重傳感器和制動(dòng)加速度傳感器，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得提升機(jī)系統(tǒng)容器的載荷，并通過無線發(fā)射系統(tǒng)將信號(hào)持續(xù)發(fā)出，無線接收系統(tǒng)將接受到的信號(hào)傳送至PLC和上位機(jī)。

本系統(tǒng)信號(hào)采集和發(fā)送均采用磁耦共振式的無線電能傳輸系統(tǒng)供電，從而避免了鋰電池更換電池或鉛酸蓄電池維護(hù)和更換需要人工操作導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)，減小了系統(tǒng)的維護(hù)工作量和系統(tǒng)部件更換成本，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。該系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于甘肅省合作市早子溝金礦，運(yùn)行狀態(tài)良好，提高了提升機(jī)的本質(zhì)安全水平，且該無線電能傳輸系統(tǒng)無需停車更換電池，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。過去傳統(tǒng)人工換電池方式需48 h更換一次，每次換電池用時(shí)0.5～1 h。新系統(tǒng)提高了提升機(jī)效率，節(jié)省了更換電池人工費(fèi)，累計(jì)年增經(jīng)濟(jì)效益1 000萬元。

由于本礦井提升機(jī)載荷在線監(jiān)控系統(tǒng)能夠保障礦井提升機(jī)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，為下井工作人員提供了安全防護(hù)，又降低了人工操作更換提升機(jī)頂電池的人工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了提升機(jī)的運(yùn)行效率，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，推廣應(yīng)用前景極佳。