黃增波

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

礦用設(shè)備開停傳感器主要是基于電磁感應(yīng)原理，即通過感應(yīng)供電電纜中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，通過閾值判定井下機(jī)電設(shè)備（如局部通風(fēng)機(jī)、饋電開關(guān)、排水泵等）的啟停狀態(tài)[1]，并將檢測(cè)到的設(shè)備狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號(hào)或總線協(xié)議信號(hào)傳輸?shù)桨踩O(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下設(shè)備啟停狀態(tài)的目的[2]。目前在用的設(shè)備開停傳感器均為通用性設(shè)備，由于實(shí)際使用中的檢測(cè)對(duì)象功率、檢測(cè)環(huán)境不同，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，每次安裝使用時(shí)需要監(jiān)測(cè)工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備啟停狀態(tài)手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境[3]。由于機(jī)械電位器行程較長(zhǎng)，且存在無法避免的回程誤差，造成井下操作人員難以準(zhǔn)確、及時(shí)地調(diào)整好傳感器靈敏度，形成時(shí)間的浪費(fèi)；電位器的旋鈕多為工程塑料，由于質(zhì)量參差不齊，在多次頻繁調(diào)整后很可能出現(xiàn)旋鈕磨平、卡死等問題，造成傳感器整機(jī)的報(bào)廢，形成資源的浪費(fèi)；在靈敏度調(diào)整過程中，常出現(xiàn)傳感器帶電開蓋工作的情況，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患[4]；在采樣數(shù)據(jù)處理上，目前的設(shè)備開停傳感器在邏輯判斷上多采用單一門限和單次判斷，即當(dāng)采樣值高于設(shè)定閾值則為“開”，低于此設(shè)定值則為“關(guān)”；每個(gè)邏輯循環(huán)只進(jìn)行一次判斷，極容易受電磁干擾產(chǎn)生誤報(bào)。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種利用數(shù)字電位器的紅外遙控靈敏度的礦用設(shè)備開停傳感器，并在判斷門限中由原來的單一門限改進(jìn)為判斷區(qū)間，同時(shí)增加傳感器“自學(xué)習(xí)”功能，將自動(dòng)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的所有監(jiān)測(cè)到的信號(hào)值，取其中的最大值Vmax作為設(shè)備判斷“停”的最高門限，以此兩個(gè)門限作為設(shè)備判斷開、停狀態(tài)統(tǒng)計(jì)判定閾值，可有效降低開停傳感器的誤報(bào)率。

1 傳感器硬件設(shè)計(jì)

1.1 當(dāng)前開停傳感器檢測(cè)電路

目前煤礦在用的設(shè)備開停傳感器檢測(cè)電路如圖1 所示，L1為磁感應(yīng)線圈，C1為濾除噪聲的濾波電容[5]。其中R4=R3，R2為機(jī)械電位器。根據(jù)基爾霍夫定律得到式（1）和式（2），得出輸出電壓與輸入電壓關(guān)系如式（3）所示。

圖1 開停傳感器檢測(cè)電路

由式（3）可以看出，作為判斷設(shè)備開停狀態(tài)的信號(hào)VOUT與放大倍數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，因此在R1阻值固定的情況下，通過調(diào)節(jié)R2的阻值可以直接改變放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)開停傳感器靈敏度的增大和減小。

1.2 改進(jìn)電路設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有開停傳感器存在靈敏度調(diào)節(jié)不方便的設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)了非接觸式調(diào)節(jié)靈敏度的硬件電路[6]，傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)傳感器硬件框架圖

改進(jìn)的傳感器采用Cygnal 公司的C8051 F040 單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心，通過互感器感應(yīng)被監(jiān)測(cè)設(shè)備電纜中的電流，利用儀表放大電路放大該電流信號(hào)，經(jīng)過紅外接收管接收控制指令傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)控制MAX5435 調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，放大的電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)處理單元對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,經(jīng)過單片機(jī)判斷后輸出相應(yīng)的開和停信號(hào)。

檢測(cè)電路中將傳統(tǒng)開停傳感器檢測(cè)電路中的機(jī)械電位器R2改進(jìn)為數(shù)字電位器MAX5435，通過遙控發(fā)送指令控制MAX5435 輸出變化的阻值，通過線性調(diào)節(jié)輸出阻值與R1的比例關(guān)系，完成放大倍數(shù)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)靈敏度的非接觸式調(diào)節(jié)。

MAX5435 是非易失、線性變化數(shù)字電位器，能夠以簡(jiǎn)單的2 線串行接口替代機(jī)械裝置，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械電位器的功能[7]。可以實(shí)現(xiàn)分立電位器或可變電阻的功能，端到端電阻可達(dá)100 kΩ，并具有32個(gè)抽頭點(diǎn)。且內(nèi)部具有非易失存儲(chǔ)器(EEPROM)，該存儲(chǔ)器在上電時(shí)將滑動(dòng)端恢復(fù)到上次存儲(chǔ)的位置[8]。根據(jù)芯片協(xié)議I2C 接口輸入的數(shù)據(jù)芯片輸出電阻值及對(duì)應(yīng)靈敏度放大倍數(shù)關(guān)系如表1 所示。

表1 輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)阻值和放大倍數(shù)關(guān)系表

電路中MAX5435的W 與L 管腳分別與運(yùn)算放大器的負(fù)向輸入腳和輸出腳相連，作為電位器使用，MAX5435 的SCL 和SDA 分別與單片機(jī)管腳相連，靈敏度設(shè)置時(shí)，紅外遙控發(fā)送命令碼給單片機(jī)的紅外接收管[9]，單片機(jī)解析到命令碼后通過SCL 和SDA 發(fā)送給MAX5435，MAX5435 改變輸出阻值從而調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。芯片內(nèi)部采用數(shù)字器件，因此可以有效降低回程誤差，且具有非易失存儲(chǔ)器(EEPROM)，傳感器重新上電后可自動(dòng)修正到上一次的靈敏度，無需再次調(diào)節(jié)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 流程設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用C8051F040[10]，軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用C 語言編制，在keil4 運(yùn)行環(huán)境下調(diào)試[11]。程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括A/D 采集子程序、中值濾波程序、采樣值比較程序、信號(hào)輸出程序和變量輸入程序。通過采集檢測(cè)信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)，并對(duì)采集值和參考值做比較，實(shí)現(xiàn)設(shè)備開停狀態(tài)的精確判斷。軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 軟件流程圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

在采樣數(shù)據(jù)處理上，針對(duì)目前的設(shè)備開停傳感器在邏輯判斷上多采用單一門限和單次判斷，即當(dāng)采樣值高于設(shè)定閾值則為“開”，低于此設(shè)定值則為“關(guān)”；每個(gè)邏輯循環(huán)只進(jìn)行一次判斷，極容易受電磁干擾產(chǎn)生誤報(bào)。該設(shè)計(jì)采用上下門限自學(xué)習(xí)方法[12]和軟件濾波方法，如圖4 所示。

圖4 門限自學(xué)習(xí)方法流程圖

自學(xué)習(xí)具體做法是設(shè)備開停傳感器在被檢測(cè)設(shè)備“開”的條件下通過遙控器設(shè)定當(dāng)前為自學(xué)習(xí)模式，在被檢測(cè)設(shè)備“開”的條件下在此模式下自動(dòng)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間（該設(shè)計(jì)統(tǒng)一為60 min）內(nèi)的所有監(jiān)測(cè)到的信號(hào)值，在自學(xué)習(xí)過程中不斷比較取其中最小值Vmin作為設(shè)備判斷“開”的最低門限；在被檢測(cè)設(shè)備“停”的條件下通過遙控器設(shè)定當(dāng)前為自學(xué)習(xí)模式[13]，在此模式下自動(dòng)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的所有監(jiān)測(cè)到的信號(hào)值，在自學(xué)習(xí)過程中不斷比較，取其中最大值Vmax作為設(shè)備判斷“停”的最高門限，以此，將兩個(gè)門限作為設(shè)備判斷開、停狀態(tài)統(tǒng)計(jì)判定閾值Utj，在統(tǒng)計(jì)閾值的基礎(chǔ)上利用經(jīng)驗(yàn)值Ujy進(jìn)行修正，獲得設(shè)備開停判斷的最終閾值Ufi=Utj-Ujy。

軟件濾波方法的核心是在每次邏輯循環(huán)中進(jìn)行多次采樣[14]（該設(shè)計(jì)中設(shè)定為30 次），考慮到電磁干擾可能會(huì)造成單次采樣“誤報(bào)”，當(dāng)傳感器檢測(cè)值大于“開”門限一定次數(shù)（該設(shè)計(jì)中設(shè)定為27 次）后判定為“開”，反之判定為“關(guān)”。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 靈敏度調(diào)節(jié)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性，設(shè)計(jì)中增加了靈敏度調(diào)節(jié)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比改進(jìn)前后的開停傳感器靈敏度調(diào)節(jié)時(shí)間驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的先進(jìn)性。首先，通過實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境[15]，通過電流發(fā)生器模擬煤礦井下機(jī)電設(shè)備的供電狀態(tài)，外接一根3 m長(zhǎng)的供電線纜作為測(cè)試線纜，分別將改進(jìn)前后的2臺(tái)設(shè)備開停傳感器安裝在測(cè)試線纜上。開啟電流發(fā)生器后，5組測(cè)試人員在同一個(gè)設(shè)備電纜上分別調(diào)節(jié)目前礦用設(shè)備開停傳感器和設(shè)計(jì)改進(jìn)的傳感器靈敏度，記錄時(shí)間如表2所示。

表2 改進(jìn)前后傳感器調(diào)節(jié)時(shí)間對(duì)比表

通過對(duì)比可以看出，改進(jìn)后的傳感器在調(diào)節(jié)時(shí)間上較原開停傳感器降低了80%以上，充分驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)可以提高工程人員的施工效率。

3.2 傳感器可靠性實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試改進(jìn)傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，該設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB/T17626.4在設(shè)備供電線纜上施加快速脈沖群4 級(jí)（電壓峰值為4 kV，重復(fù)頻率為100 kHz）的電磁干擾[16]。通過示波器記錄原始開停傳感器受脈沖群干擾下信號(hào)后，傳感器輸出信號(hào)變化如圖5 所示，在干擾信號(hào)注入到設(shè)備電纜后，傳感器互感線圈感應(yīng)到高頻次的磁場(chǎng)變化，且輸出幅值在0～1 之間交替變化，證實(shí)傳感器由于靈敏度調(diào)節(jié)過大，同時(shí)開停判斷門限固定導(dǎo)致傳感器運(yùn)行不穩(wěn)定，出現(xiàn)多次誤判情況。

圖5 原始開停傳感器受干擾后信號(hào)變化

改進(jìn)后的開停傳感器受相同強(qiáng)度的脈沖群干擾下傳感器輸出信號(hào)變化如圖6 所示，在干擾信號(hào)注入到設(shè)備電纜后，傳感器互感線圈同樣感應(yīng)到高頻次的磁場(chǎng)變化，這是傳感器采用的磁感應(yīng)原理所導(dǎo)致的，無法排除，但通過靈敏度的精確調(diào)節(jié)可以準(zhǔn)確地將干擾信號(hào)的幅值降低，同時(shí)通過經(jīng)驗(yàn)值修正的判定門限進(jìn)行判定可有效降低判定錯(cuò)誤率，從圖上可以看出輸出幅值在0.8～1之間交替變化，證明通過靈敏度調(diào)節(jié)已經(jīng)將干擾信號(hào)幅值有效降低，再通過經(jīng)驗(yàn)值0.3進(jìn)行修正后，可以充分消除此次干擾的影響。

圖6 改進(jìn)開停傳感器受干擾后信號(hào)變化

通過對(duì)比可以看出，通過增加了數(shù)字電位器和軟件數(shù)據(jù)處理后，開停傳感器受電磁干擾影響產(chǎn)生的幅值變化明顯降低，改進(jìn)后的開停傳感器通過門限閾值判斷設(shè)備狀態(tài)可一直保持穩(wěn)定，無誤報(bào)情況發(fā)生。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)采用數(shù)字電位器替代機(jī)械電位器調(diào)節(jié)靈敏度的方法，解決了現(xiàn)有礦用設(shè)備開停傳感器靈敏度不易調(diào)節(jié)的問題，并通過軟件門限自學(xué)習(xí)方法和濾波算法降低了傳感器的誤報(bào)率。通過實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)傳感器的時(shí)間和模擬干擾檢測(cè)到的輸出信號(hào)變化可以看出，改進(jìn)的開停傳感器能夠方便地調(diào)節(jié)設(shè)備檢測(cè)靈敏度，穩(wěn)定、準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備啟停狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。應(yīng)用此設(shè)計(jì)可以提高傳感器靈敏度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度、靈活性，提升設(shè)備智能化程度，降低煤礦井下變頻器等設(shè)備的電磁干擾，有效地提高安全生產(chǎn)效率。更適用于目前的安全監(jiān)控系統(tǒng)改造和智慧礦山建設(shè)。