王 磊

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000）

1 研究背景

煤礦采煤機(jī)械設(shè)備是綜合機(jī)械、電子、電氣、液壓為一體的綜采工作面復(fù)雜采煤系統(tǒng)[1]，在采煤時，系統(tǒng)所處環(huán)境惡劣，經(jīng)常遭受煤塵、瓦斯、潮濕等影響[2]，而且還會承受來自矸石、煤、機(jī)械等巨大載荷沖擊，采煤系統(tǒng)很容易受這些外部條件發(fā)生故障。若采煤系統(tǒng)出現(xiàn)供電故障，必定影響工作面正常生產(chǎn)，最終致使整個礦井生產(chǎn)癱瘓。為此，如何研發(fā)出適用煤礦井下工作面狹窄空間、環(huán)境惡劣的監(jiān)測系統(tǒng)，在多參量傳感器輔助作用下自動監(jiān)測采煤機(jī)供電參數(shù)，確保綜采工作面正常生產(chǎn)，這是目前礦井工作面采煤機(jī)供電在線監(jiān)測遇見的難題[3,4]。為了解決礦井面臨的困擾，論文提出基于自供電式藍(lán)牙裝置監(jiān)控采煤機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，在一定程度上提高供電安全性，保障采煤機(jī)系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，提升礦井經(jīng)濟(jì)效益。

2 藍(lán)牙裝置監(jiān)測設(shè)計思路

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，煤礦現(xiàn)在也在積極變革，正朝著煤礦智能化、自動化、無人化發(fā)展，同時也對煤礦采煤機(jī)提出了在線監(jiān)控、無線傳輸、低能耗、自供電等新要求。將目前較為成熟的溫度、壓力、速度、電壓、電流等傳感器數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)作為基礎(chǔ)，解決采煤機(jī)供電及其他運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測能力弱、信息傳輸效率低下、功耗嚴(yán)重等問題，進(jìn)一步降低監(jiān)測系統(tǒng)所占空間，提升監(jiān)測系統(tǒng)綜合性能，達(dá)到信息監(jiān)測的時效性和準(zhǔn)確性，提高采煤機(jī)供電穩(wěn)定性和采煤機(jī)生產(chǎn)能力，因此，藍(lán)牙裝置作為采煤機(jī)供電監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來，藍(lán)牙裝置所占空間小，不需要專用的信息傳輸光纜，所耗能量小，準(zhǔn)確度高，基于藍(lán)牙裝置監(jiān)測采煤機(jī)設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙裝置在線監(jiān)測采煤機(jī)

低功耗壓力和溫度傳感器、控制電路、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)冉Y(jié)構(gòu)構(gòu)成藍(lán)牙傳感系統(tǒng)，各個結(jié)構(gòu)模塊之間的關(guān)系以及監(jiān)測原理如圖2所示，設(shè)計的思路是降低供電節(jié)點(diǎn)損耗、電源與負(fù)載需求相匹配、供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。電源模塊為整個藍(lán)牙監(jiān)測裝置提供動力[5]，電源模塊結(jié)構(gòu)中有電路調(diào)控、納米級收發(fā)電器、鋰電池，電路調(diào)控負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制收發(fā)電器和鋰離子電池用電供應(yīng)，為整個藍(lán)牙裝置供能；信號采集模塊指揮并控制加速度、壓力傳感器和溫度傳感器收集采煤機(jī)供電信息，該模塊集成電路功能是整個藍(lán)牙裝置監(jiān)測決定性環(huán)節(jié)；核心控制單片機(jī)是整個藍(lán)牙裝置運(yùn)行的大腦，集分析、處理和判斷一體的功能；無線發(fā)射模塊是藍(lán)牙裝置根據(jù)收集到的信息發(fā)送給上位機(jī)，是實現(xiàn)與外界交換信息的載體，也是動態(tài)數(shù)據(jù)信息與靜態(tài)數(shù)據(jù)信息交流的一種形式。

圖2 藍(lán)牙裝置監(jiān)測原理

3 裝置監(jiān)測煤機(jī)供電設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

在微弱電量供給下，納米發(fā)電機(jī)將收集到的能量傳輸至AD/DC轉(zhuǎn)換端，并由電源管理電路傳輸至下一個環(huán)節(jié)中進(jìn)行儲存、管理和分析，經(jīng)過控制電路作用下，由無線發(fā)射結(jié)構(gòu)將有用數(shù)據(jù)信息傳送至上位機(jī)。整個藍(lán)牙裝置采集采煤機(jī)供電能量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和原理如圖3所示。能量采集系統(tǒng)包含納米發(fā)電機(jī)、管理電路、控制電路和數(shù)據(jù)采集以及信息發(fā)射端[6]，藍(lán)牙裝置中的管理電路由轉(zhuǎn)換器、信息綜合處理器、輸入/輸出電壓管理、功率調(diào)控以及備用鋰電池和監(jiān)測裝置保護(hù)模塊。

圖3 藍(lán)牙裝置系統(tǒng)能量采集原理

3.2 無線通信

藍(lán)牙裝置將采煤機(jī)供電監(jiān)測到的信息傳輸至上位機(jī)，其利用的通訊方式是無線WiFi，本質(zhì)是跳頻傳輸數(shù)據(jù)信息，可以理解為擴(kuò)頻通訊，藍(lán)牙裝置監(jiān)測信息通訊替代了礦井傳統(tǒng)的線纜，降低了成本，也為采煤機(jī)作業(yè)空間提供便利。采用有線傳輸采煤機(jī)供電監(jiān)測信息，一旦發(fā)生故障，信息就會被中斷，而無線藍(lán)牙裝置可以改變此種狀態(tài)，能夠?qū)崟r保障將采集到的采煤機(jī)供電信息傳輸給上位機(jī)，時刻監(jiān)控采煤機(jī)供電狀態(tài)。一般的無線通訊容易受電磁波干擾，但是藍(lán)牙裝置卻克服此缺陷，藍(lán)牙裝置具有抗干擾，在煤礦井下工作面采集采煤機(jī)供電參數(shù)具有明顯的優(yōu)勢。而且，藍(lán)牙裝置無線通訊是以工業(yè)環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)傳輸信息，可以有效保護(hù)信息的準(zhǔn)確性和及時性。藍(lán)牙裝置采用5.0高集成電路，具有體積較小，傳輸速度快，非常適合井下采煤機(jī)供電信息監(jiān)測。

3.3 控制電路設(shè)計

井下工作面條件十分惡劣，采煤機(jī)在工作期間周圍被各種力場和電場干擾，環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，要求監(jiān)測采煤機(jī)供電的裝置必須擁有抗干擾能力，這樣才能有效保障采集電路信號不失真，避免外界環(huán)境信號數(shù)據(jù)對供電參數(shù)的影響。藍(lán)牙裝置控制電路設(shè)計以單片機(jī)為控制電路，A/D轉(zhuǎn)換單元、儲存器、其他外圍電路為輔助，相互協(xié)作，共同完成對采煤機(jī)供電參數(shù)監(jiān)測，并給上位機(jī)提供有效數(shù)據(jù)，例如，藍(lán)牙裝置采集供電狀態(tài)下采煤機(jī)運(yùn)行壓力如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙裝置采集采煤機(jī)運(yùn)行壓力

藍(lán)牙裝置核心控制電路選擇主控芯片，信號由傳感器收集，通過轉(zhuǎn)換器將電壓、電流等信號轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙裝置控制端數(shù)字信號，通過無線通訊傳至上位機(jī)。數(shù)據(jù)信號輸入與采集電路是相互對應(yīng)的，既可以采用同步電路采集采煤機(jī)供電數(shù)據(jù)，也可以采用異步電路采集供電參數(shù)。設(shè)計的控制電路是針對采煤機(jī)供電在線監(jiān)測的，傳感器采集的信號為電壓、電流、溫度、加速度、壓力等形式，而輸入給藍(lán)牙裝置控制電路需要數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換器就在整個裝置系統(tǒng)體現(xiàn)其功能，將參數(shù)信息轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字信息，藍(lán)牙裝置內(nèi)部電路體積微弱、重量小，設(shè)置的硬件設(shè)施簡單、穩(wěn)定、可靠，而且調(diào)控方便，大多數(shù)在監(jiān)測采煤機(jī)供電狀態(tài)下使用的是多通道的無線通訊。

4 試驗研究

為了驗證藍(lán)牙裝置在線監(jiān)測井下工作面采煤機(jī)供電情況，對設(shè)計的藍(lán)牙裝置進(jìn)行了試驗，現(xiàn)場采集工作中采煤機(jī)供電運(yùn)行參數(shù)如圖5。

為了測試無線通訊效果，采用有線傳輸和無線傳輸，對比二者上傳給上位機(jī)的信息，對比發(fā)現(xiàn)，在長時間工作下，有線傳輸受機(jī)械割傷或者崩斷影響，其是傳輸?shù)男畔⒊霈F(xiàn)缺失，而藍(lán)牙裝置傳輸?shù)男畔?zhǔn)確率較高，受環(huán)境影響較小。在試驗期間藍(lán)牙裝置監(jiān)測供電節(jié)點(diǎn)處信息從未出現(xiàn)過間斷，具有連續(xù)性和穩(wěn)定性，良好的確保了調(diào)度中心實時掌握采煤機(jī)供電情況，從而也給采煤機(jī)提供了足夠動力。

圖5 現(xiàn)場采集工作中采煤機(jī)供電運(yùn)行參數(shù)

為了確保傳感器采集性能，對藍(lán)牙裝置的傳感器數(shù)據(jù)采集也進(jìn)行了實驗，例如，測試了溫度傳感器采集效果。模擬實驗將供電終端節(jié)點(diǎn)放置在高溫和低溫箱中，設(shè)置不同的溫度，使用藍(lán)牙裝置溫度傳感器收集節(jié)點(diǎn)溫度變化，溫度現(xiàn)場采集對比實驗如圖6所示。通過溫度實驗對比發(fā)現(xiàn)，藍(lán)牙裝置溫度傳感器監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)誤差較小，均處于合理范圍內(nèi)，可以認(rèn)為藍(lán)牙裝置信息收集具有可靠性。

圖6 設(shè)置溫度現(xiàn)場采集溫度對比

為了驗證藍(lán)牙裝置整體性能，分別還對采煤機(jī)在供電狀態(tài)下的其他參數(shù)和供電參數(shù)進(jìn)行了在線監(jiān)測試驗，試驗表明藍(lán)牙采集信息準(zhǔn)確，藍(lán)牙裝置處理信息快速，受外界干擾較小，滿足礦井采煤機(jī)供電信息監(jiān)測需求，為采煤機(jī)持續(xù)供電奠定了良好的基礎(chǔ)，提高了礦井生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

為了確保采煤機(jī)供電穩(wěn)定，采用藍(lán)牙裝置實時監(jiān)測采煤機(jī)供電參數(shù)。通過對藍(lán)牙裝置監(jiān)測采煤機(jī)供電設(shè)計構(gòu)想，主要得出以下結(jié)論：

1）敘述了利用先進(jìn)的無線傳輸?shù)乃{(lán)牙技術(shù)，構(gòu)想了在線監(jiān)測煤礦井下采煤機(jī)供電運(yùn)行參數(shù)新思路。

2）針對采煤機(jī)供電監(jiān)測需求，分別對藍(lán)牙裝置監(jiān)測采煤機(jī)供電設(shè)計了藍(lán)牙裝置的控制電路、無線通訊和技術(shù)方案。

3）為了驗證藍(lán)牙裝置在線監(jiān)測井下工作面采煤機(jī)供電效果，分別在井下和實驗室對藍(lán)牙裝置的采集、處理和傳輸性能進(jìn)行了測試，試驗表明藍(lán)牙裝置監(jiān)測采煤機(jī)供電效果理想，為礦井安全開采奠定了理論基礎(chǔ)。