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，煤礦機械化水平的高低會對煤礦的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益造成較大的影響，煤礦機械在開展工作時很容易受到巖石、煤等的猛烈撞擊，使得煤礦機械發(fā)生故障。在煤礦機械智能控制系統(tǒng)當(dāng)中有效運用自供電傳感器，能夠解決機器周圍因不具備有線連接而不可以運用典型傳感器的采礦地點。文章主要圍繞自供電傳感器的具體設(shè)計應(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：TD67? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

近些年我國工業(yè)越來越重視機械、設(shè)備監(jiān)控以及自動化系統(tǒng)的運用，為了真正實現(xiàn)采礦機械的自動化系統(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)電機與壓電能量收集等，同時還準(zhǔn)備人造與技術(shù)智能來對傳感器網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行有效的管理，下文將針對自供電感應(yīng)器的運用進(jìn)行分析。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

近些年電子信息技術(shù)、微機電系統(tǒng)與無線通信技術(shù)均以較快的速度發(fā)展著，傳感器節(jié)點逐漸往智能化與微小化方向發(fā)展。無線傳感器網(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。通常情況下傳感器節(jié)點包含了各種傳感器、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、對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理以及具備無線通信能力。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點除了能夠進(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_。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)、移動自組織網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)等實施比較，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具備的特點有如下幾點：（1）節(jié)點會在指定區(qū)

域的分布中具有高密度集中的特點[1]，節(jié)點分布數(shù)目眾多，且具有大范圍的網(wǎng)絡(luò)面積。（2）會受到節(jié)點功耗的限制，從而導(dǎo)致傳感器節(jié)點在數(shù)據(jù)運算、分析與存儲等方面都存在局限性，也就是傳感器節(jié)點處理器普遍都比較簡單。（3）節(jié)點的安置環(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)點之后會自動配置與構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。（4）數(shù)據(jù)為無線網(wǎng)絡(luò)的首要中心。在網(wǎng)絡(luò)中具有眾多的傳感節(jié)點數(shù)目，網(wǎng)絡(luò)具有復(fù)雜多變的特性，單個節(jié)點出現(xiàn)休眠或故障等情況時，并不會牽連到整體網(wǎng)絡(luò)，整體網(wǎng)絡(luò)因單節(jié)點發(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起始節(jié)點向目的節(jié)點匯集，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的多對一傳輸模式。（6）傳感器節(jié)點的供電持續(xù)性存在不足，通常情況下節(jié)點會借助電池實現(xiàn)供電，但是節(jié)點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)計方面所積累的經(jīng)驗，傳感器的設(shè)計師們對運用自供電傳感器的具體要求做出了有效分析。

通過自供電傳感器可以使得與監(jiān)測機器運行存在關(guān)聯(lián)的其他選項參數(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質(zhì)上是在能源領(lǐng)域中對能源進(jìn)行充分利用。本文主要對來自溫差的能量以及機械振動的能量進(jìn)行有效的分析。

2.1 來自溫差的能量分析

采礦機械運行空間存在有比較大的限制，機器功率大驅(qū)動裝置會造成長臂開采系統(tǒng)或挖掘工作中運用機器部件系統(tǒng)會出現(xiàn)溫度明顯升高的現(xiàn)象。機器表面所能夠承受的最高溫度為150℃[2]。如果驅(qū)動器出現(xiàn)故障。或者是存在有過度磨損的現(xiàn)象，則會導(dǎo)致機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)展來的。這種傳感器可以做到在選定的設(shè)計節(jié)點實施有效的溫度測量，同時也可以做到輕易改變其安放位置。

2.2 機械振動的能量分析

從機械振動角度出發(fā)，對有效運用由能源驅(qū)動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用在移動機器、路橋系統(tǒng)中，此外還能夠運用在長壁開采系統(tǒng)正在運行的機器當(dāng)中。目標(biāo)傳感器系統(tǒng)還能夠?qū)σ韵聟?shù)進(jìn)行有效的測量：測量選定設(shè)計節(jié)點的實際溫度，在機器操作過程中所有可能導(dǎo)致溫度改變的地方都確定為傳感器所在位置;對機器液壓系統(tǒng)當(dāng)中存在的壓力進(jìn)行有效測量;實施振動診斷;對飛桿輸送機鏈條的壓力進(jìn)行有效的測量[3]，將電壓元件放置在專門設(shè)計的測量單元當(dāng)中，同時進(jìn)行機械能轉(zhuǎn)換傳感器的部署。

3 自供電系統(tǒng)的設(shè)計方法

自供電系統(tǒng)首先收集采礦機械工作時所形成的振動能量，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)點的供電問題得到良好的解決[4]，在設(shè)計自供電系統(tǒng)的時候，最為關(guān)鍵的就是要將振動能量的收集以及對收集能量的管理與轉(zhuǎn)化進(jìn)行有效的解決，其所運用的技術(shù)方案包含有以下幾點。

3.1 分析振動能量收集技術(shù)

現(xiàn)在已經(jīng)有許多方法來進(jìn)行振動能量的收集，且大多數(shù)方法在實際運用當(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，實施壓電式振動能量收集，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)，以此讓采礦機械工作當(dāng)中所形成的振動能可以有效轉(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比較明顯時，材料內(nèi)部會出現(xiàn)極化現(xiàn)象，相對應(yīng)的兩塊壓電材料上會發(fā)生兩種截然不同的電荷，從而實現(xiàn)對設(shè)備供電的目的，壓電式振動能量收集技術(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，實施電磁式振動能量收集，該種收集技術(shù)在工作中所體現(xiàn)出來的原理為以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)[5]，當(dāng)處于振動狀態(tài)時，閉合回路可以不間斷的進(jìn)行切割磁感線的運動，在切割磁感線運動的過程當(dāng)中，線圈的磁通量大小會明顯出現(xiàn)變化，導(dǎo)致感應(yīng)電動勢的出現(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，且具有相對穩(wěn)定的電能運用。第三，實施靜電式振動能量收集，該種能量收集發(fā)電方式只有相對簡單的結(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)其處于振動的狀態(tài)下，兩塊電容可以在振動狀態(tài)下做功，導(dǎo)致兩塊電容之間的間距相對面積出現(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)電容中存儲的電荷量出現(xiàn)明顯的改變時，電壓會因此出現(xiàn)，在對產(chǎn)生的電壓實施有效的管理與調(diào)整之后就可以將其有效運用在實際工作當(dāng)中了。

3.2 分析能源管理方法

因為現(xiàn)在采礦機械具有相對復(fù)雜的工作情況，而且需要收集的機械振動也相對較弱，這種不具備規(guī)律性的能量無法做到對相應(yīng)模塊或器件實施穩(wěn)定的充電，在這種情況下就需要將具備存儲功能的電路聯(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、能量轉(zhuǎn)換以及及時監(jiān)測等。

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，從而讓實際供電的要求得到有效的滿足。在能量存儲當(dāng)中，能夠有效選擇充電電池或者電容器來對能量實施良好的存儲，在確定儲存器件的時候需要有效結(jié)合供電對象的實際需求，超級電容器是現(xiàn)階段使用得較多的儲能元件。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)能量的存儲和供應(yīng)，全面結(jié)合電能供應(yīng)元件的實際特點與相關(guān)需求，以此來有效調(diào)節(jié)所供給能量的大小，使得能量損耗與浪費的現(xiàn)象可以得到有效的避免。最后進(jìn)行電池的監(jiān)測，若可充電電池可以作為能量儲存模塊，則需要時刻監(jiān)測電池的充放電過程[8]，為充放電過程的穩(wěn)定提供充足的保障，以此來有效避免因為電池的過度充放電而出現(xiàn)相關(guān)的故障，從而實現(xiàn)充電電池與終端節(jié)點的實際使用壽命延長的目的。

4 結(jié)束語

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對采礦機械設(shè)備造成直接的影響，采礦機械設(shè)備當(dāng)中的軸承與液壓系統(tǒng)會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)會受到較大的影響，容易導(dǎo)致工傷事故等安全問題，所以需要有效運用煤礦機械智能控制系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的自組織方法可以讓采礦機械監(jiān)測與控制得到良好的實現(xiàn)，具有自供電系統(tǒng)的無線傳感器能夠保障控制系統(tǒng)的正常運行。本文中從振動能量采集與能源管理這兩方面來進(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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