自供电传感器在煤矿机械智能控制系统中的设计应用

2018-08-26闫春斌

机械管理开发 2018年8期

闫春斌

（山西西山晋兴能源有限公司斜沟煤矿，山西太原 033602）

引言

近年来，包括采矿机械开发在内的机器和设备监控及自动化系统的实现成为重要的工业内容，需要实施新的解决方案。在受甲烷威胁和煤尘爆炸危险的地区，基于工业网络的（例如CAN总线）分散控制系统变得越来越流行。工业网络的使用旨在限制电缆数量（实际上通常需要将网络电缆和电力电缆合并为一个电缆）。通过无线网络相互通信的传感器需要从电源线或电池供电。在设备专用于采矿机械的情况下，由于电池更换的技术问题和安全要求，电池供电很繁琐。由KOMAG在开展的工作中开发了自供电传感器系统的概念[1]。

受威胁地区使用的电子设备设计的一般要求符合ATEX指令的PN-EN 60079-0：2009标准。对于电子设备来说，对其本身进行安全设计是最好的保护方法。本质安全通常由收集和限制电力的合适外壳来保证在与爆炸性气体接触的装置（及其接线）中，不会由于起泡和升温引起点火。

自供电系统的概念传感器使用压电能量收集和热电发电机作为供应组件并计划使用人造和技术智能管理传感器网络配置。在采矿业中人造智能主要用于诊断部件和部件的磨损以及机器和机械化系统的控制系统。机器智能适应变化的实现操作条件是已知的。本文将对自供电感应器在现代煤矿机械智能控制系统中的应用展开讨论[2]。

1 煤矿使用自供电传感器的可行性

基于在采矿业专用设备设计方面的经验，传感器的设计师们分析了使用自供电传感器的要求。

使用自供电传感器能将监测机器运行相关的其他选项参数纳入到现有体系中，不需要在现有的电力和控制系统中进行干预铺设额外电缆。

自供电传感器的应用直接源自于能源领域的发展及能源的高效利用。在本文中专注于机械振动的能量或来自温差的能量。

1.1 机械振动的能量

从机械振动分析使用由能源驱动的自供电传感器的可能性，发现它们可以被使用在移动机器或在长壁开采系统中运行的机器中或在路桥系统中。

目标传感器系统可以选择测量以下参数：选定设计节点的温度，在机器操作期间任何可能改变温度的地方设置传感器位置；机器液压系统中的压力；振动（振动诊断）；飞杆输送机链条的压力（在一个专门设计的测量单元配备电压元件并安装机械能转换传感器）[3]。

1.2 来自温差的能量

采矿机械运行空间受限大，机器功率大驱动装置会导致长壁开采系统或掘进工作中使用机器部件系统显著升温。机器表面测得的最大温度不应超过150℃。在驱动器故障或过度磨损的情况下存在机器温度限值将被超过的风险。自供电传感器的建议概念基于热工行业。这样的传感器将能够在选定的设计节点进行温度测量，也很容易改变其布置位置。

2 由振动能量驱动的传感器及热点传感器设计机理

2.1 由振动能量驱动的传感器设计及应用

压电传感器使用在表面上产生电荷的机械应力下的压电材料。根据PN-EN 60079-11：2012标准，如果计划使用这些传感器，就必须严格地测试这些传感器用于受甲烷或煤尘爆炸危害威胁的地区的适用性。

如果给定机器的最大输出能量超过根据EN 60079-11：2012标准给出的值，建议将压电元件安装在密封件中用一种填充物覆盖它，然后将其放入一个特殊的机械应力外壳中。这种准备好的设备应符合PN-EN 60079-11：2012标准对“ia”保护级别（固有设备进行投入在甲烷存在下的连续操作）。

经过初步分析，得出的结论是无线传感器将由四个主要模块组成：

1）测量元件。取决于传感器的类型，它可能是压电式的用于测量振动的元件，也可以是用于测量温度的热电偶元件。

2）处理器。传感器测量的物理参数由处理器传输从类似的形式转换成数字形式，然后以适当的格式发送给传输系统。此外，处理器将具有能够自我启用的无线电通信逻辑组织。

3）无线电数据传输系统。在查看可用系统后，发现该系统ZigBee是在讨论的案例中使用无线电数据传输的最佳标准。

4）供电。在典型的无线传感器中使用电池供电系统替代方案建议所有传感器组件的电源。

2.2 带有热电电源的传感器设计应用

工业制造过程中（包括采矿业）会产生大量的废热能。因此，开发热电发电机的目标是将热能转化为电力。热点装置最突出的优点包括，如无活动部件，热能直接转化为电能，体积尺寸小，可以根据实际情况设计制造出任何可能形状的热电装置。

热能回收技术的试验在不同的分支机构进行并从微纳米技术开始，通过汽车行业，如通用汽车、宝马、丰田、福特等汽车重工业的不断发展和演变。热电发电机技术也用于产生较少热能的生产过程中。供电方式是构建自供电系统的主要问题，为了确保连续运行，热电装置利用周围环境的能量，主要是热能来解决用电量和方式中的问题。

热电发生器用于将热能转化为电能（如图1所示），这可以被用于提供自主设备，例如，无线传感器。热电工作原理发电机基于塞贝克现象。它包括电动机的生成电路中的力由两种不同的材料组成，其接触面有不同温度。接触电压是由于电子扩散导致的通过接触表面从一种材料转移到另一种材料的电压。高温段材料具有较低的电子浓度接触温度越高，差异越大。