自供電傳感器在煤礦機械智能控制系統中的設計應用

閆春斌

（山西西山晉興能源有限公司斜溝煤礦， 山西 太原 033602）

引言

近年來，包括采礦機械開發在內的機器和設備監控及自動化系統的實現成為重要的工業內容，需要實施新的解決方案。在受甲烷威脅和煤塵爆炸危險的地區，基于工業網絡的（例如CAN總線）分散控制系統變得越來越流行。工業網絡的使用旨在限制電纜數量（實際上通常需要將網絡電纜和電力電纜合并為一個電纜）。通過無線網絡相互通信的傳感器需要從電源線或電池供電。在設備專用于采礦機械的情況下，由于電池更換的技術問題和安全要求，電池供電很繁瑣。由KOMAG在開展的工作中開發了自供電傳感器系統的概念[1]。

受威脅地區使用的電子設備設計的一般要求符合ATEX指令的PN-EN 60079-0：2009標準。對于電子設備來說，對其本身進行安全設計是最好的保護方法。本質安全通常由收集和限制電力的合適外殼來保證在與爆炸性氣體接觸的裝置（及其接線）中，不會由于起泡和升溫引起點火。

自供電系統的概念傳感器使用壓電能量收集和熱電發電機作為供應組件并計劃使用人造和技術智能管理傳感器網絡配置。在采礦業中人造智能主要用于診斷部件和部件的磨損以及機器和機械化系統的控制系統。機器智能適應變化的實現操作條件是已知的。本文將對自供電感應器在現代煤礦機械智能控制系統中的應用展開討論[2]。

1 煤礦使用自供電傳感器的可行性

基于在采礦業專用設備設計方面的經驗，傳感器的設計師們分析了使用自供電傳感器的要求。

使用自供電傳感器能將監測機器運行相關的其他選項參數納入到現有體系中，不需要在現有的電力和控制系統中進行干預鋪設額外電纜。

自供電傳感器的應用直接源自于能源領域的發展及能源的高效利用。在本文中專注于機械振動的能量或來自溫差的能量。

1.1 機械振動的能量

從機械振動分析使用由能源驅動的自供電傳感器的可能性，發現它們可以被使用在移動機器或在長壁開采系統中運行的機器中或在路橋系統中。

目標傳感器系統可以選擇測量以下參數：選定設計節點的溫度，在機器操作期間任何可能改變溫度的地方設置傳感器位置；機器液壓系統中的壓力；振動（振動診斷）；飛桿輸送機鏈條的壓力（在一個專門設計的測量單元配備電壓元件并安裝機械能轉換傳感器）[3]。

1.2 來自溫差的能量

采礦機械運行空間受限大，機器功率大驅動裝置會導致長壁開采系統或掘進工作中使用機器部件系統顯著升溫。機器表面測得的最大溫度不應超過150℃。在驅動器故障或過度磨損的情況下存在機器溫度限值將被超過的風險。自供電傳感器的建議概念基于熱工行業。這樣的傳感器將能夠在選定的設計節點進行溫度測量，也很容易改變其布置位置。

2 由振動能量驅動的傳感器及熱點傳感器設計機理

2.1 由振動能量驅動的傳感器設計及應用

壓電傳感器使用在表面上產生電荷的機械應力下的壓電材料。根據PN-EN 60079-11：2012標準，如果計劃使用這些傳感器，就必須嚴格地測試這些傳感器用于受甲烷或煤塵爆炸危害威脅的地區的適用性。

如果給定機器的最大輸出能量超過根據EN 60079-11：2012標準給出的值，建議將壓電元件安裝在密封件中用一種填充物覆蓋它，然后將其放入一個特殊的機械應力外殼中。這種準備好的設備應符合PN-EN 60079-11：2012標準對“ia”保護級別（固有設備進行投入在甲烷存在下的連續操作）。

經過初步分析，得出的結論是無線傳感器將由四個主要模塊組成：

1）測量元件。取決于傳感器的類型，它可能是壓電式的用于測量振動的元件，也可以是用于測量溫度的熱電偶元件。

2）處理器。傳感器測量的物理參數由處理器傳輸從類似的形式轉換成數字形式，然后以適當的格式發送給傳輸系統。此外，處理器將具有能夠自我啟用的無線電通信邏輯組織。

3）無線電數據傳輸系統。在查看可用系統后，發現該系統ZigBee是在討論的案例中使用無線電數據傳輸的最佳標準。

4）供電。在典型的無線傳感器中使用電池供電系統替代方案建議所有傳感器組件的電源。

2.2 帶有熱電電源的傳感器設計應用

工業制造過程中（包括采礦業）會產生大量的廢熱能。因此，開發熱電發電機的目標是將熱能轉化為電力。熱點裝置最突出的優點包括，如無活動部件，熱能直接轉化為電能，體積尺寸小，可以根據實際情況設計制造出任何可能形狀的熱電裝置。

熱能回收技術的試驗在不同的分支機構進行并從微納米技術開始，通過汽車行業，如通用汽車、寶馬、豐田、福特等汽車重工業的不斷發展和演變。熱電發電機技術也用于產生較少熱能的生產過程中。供電方式是構建自供電系統的主要問題，為了確保連續運行，熱電裝置利用周圍環境的能量，主要是熱能來解決用電量和方式中的問題。

熱電發生器用于將熱能轉化為電能（如圖1所示），這可以被用于提供自主設備，例如，無線傳感器。熱電工作原理發電機基于塞貝克現象。它包括電動機的生成電路中的力由兩種不同的材料組成，其接觸面有不同溫度。接觸電壓是由于電子擴散導致的通過接觸表面從一種材料轉移到另一種材料的電壓。高溫段材料具有較低的電子濃度接觸溫度越高，差異越大。

圖1 典型的熱電傳感器裝置（實物圖及機理圖）

3 結語

通信系統的自組織方法能夠實現采礦機械監測和控制狀態，特別是在地下最先進和高效的監測和控制技術關于自供電傳感器的網絡中，配備了電子系統。使用本文提出的自供電傳感器成本相對較低，因此有必要在商業化的模式下進一步研究和考量采礦業中自供電系統的規模化使用前景。