一種礦用設備開停傳感器設計

黃增波

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

礦用設備開停傳感器主要是基于電磁感應原理，即通過感應供電電纜中電流產生的磁場強度的大小，通過閾值判定井下機電設備（如局部通風機、饋電開關、排水泵等）的啟停狀態[1]，并將檢測到的設備狀態信號轉換成開關量信號或總線協議信號傳輸到安全監控系統，達到地面實時監測井下設備啟停狀態的目的[2]。目前在用的設備開停傳感器均為通用性設備，由于實際使用中的檢測對象功率、檢測環境不同，電流產生的磁場強度不同，每次安裝使用時需要監測工根據現場的設備啟停狀態手動調節電位器，以適應現場的工作環境[3]。由于機械電位器行程較長，且存在無法避免的回程誤差，造成井下操作人員難以準確、及時地調整好傳感器靈敏度，形成時間的浪費；電位器的旋鈕多為工程塑料，由于質量參差不齊，在多次頻繁調整后很可能出現旋鈕磨平、卡死等問題，造成傳感器整機的報廢，形成資源的浪費；在靈敏度調整過程中，常出現傳感器帶電開蓋工作的情況，給煤礦安全生產帶來隱患[4]；在采樣數據處理上，目前的設備開停傳感器在邏輯判斷上多采用單一門限和單次判斷，即當采樣值高于設定閾值則為“開”，低于此設定值則為“關”；每個邏輯循環只進行一次判斷，極容易受電磁干擾產生誤報。鑒于此，設計了一種利用數字電位器的紅外遙控靈敏度的礦用設備開停傳感器，并在判斷門限中由原來的單一門限改進為判斷區間，同時增加傳感器“自學習”功能，將自動統計一段時間內的所有監測到的信號值，取其中的最大值Vmax作為設備判斷“停”的最高門限，以此兩個門限作為設備判斷開、停狀態統計判定閾值，可有效降低開停傳感器的誤報率。

1 傳感器硬件設計

1.1 當前開停傳感器檢測電路

目前煤礦在用的設備開停傳感器檢測電路如圖1 所示，L1為磁感應線圈，C1為濾除噪聲的濾波電容[5]。其中R4=R3，R2為機械電位器。根據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系如式（3）所示。

圖1 開停傳感器檢測電路

由式（3）可以看出，作為判斷設備開停狀態的信號VOUT與放大倍數成正相關關系，因此在R1阻值固定的情況下，通過調節R2的阻值可以直接改變放大倍數，實現開停傳感器靈敏度的增大和減小。

1.2 改進電路設計

針對現有開停傳感器存在靈敏度調節不方便的設計問題，設計了非接觸式調節靈敏度的硬件電路[6]，傳感器硬件結構圖如圖2 所示。

圖2 改進傳感器硬件框架圖

改進的傳感器采用Cygnal 公司的C8051 F040 單片機為設計核心，通過互感器感應被監測設備電纜中的電流，利用儀表放大電路放大該電流信號，經過紅外接收管接收控制指令傳輸給單片機，單片機控制MAX5435 調節放大倍數，放大的電信號經A/D轉換電路轉換為數字信號，單片機處理單元對其進行數據處理,經過單片機判斷后輸出相應的開和停信號。

檢測電路中將傳統開停傳感器檢測電路中的機械電位器R2改進為數字電位器MAX5435，通過遙控發送指令控制MAX5435 輸出變化的阻值，通過線性調節輸出阻值與R1的比例關系，完成放大倍數調節，從而實現靈敏度的非接觸式調節。

MAX5435 是非易失、線性變化數字電位器，能夠以簡單的2 線串行接口替代機械裝置，并實現機械電位器的功能[7]。可以實現分立電位器或可變電阻的功能，端到端電阻可達100 kΩ，并具有32個抽頭點。且內部具有非易失存儲器(EEPROM)，該存儲器在上電時將滑動端恢復到上次存儲的位置[8]。根據芯片協議I2C 接口輸入的數據芯片輸出電阻值及對應靈敏度放大倍數關系如表1 所示。

表1 輸入數據對應阻值和放大倍數關系表

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

2 軟件設計

2.1 流程設計

單片機采用C8051F040[10]，軟件設計運用C 語言編制，在keil4 運行環境下調試[11]。程序采用模塊化結構設計，主要包括A/D 采集子程序、中值濾波程序、采樣值比較程序、信號輸出程序和變量輸入程序。通過采集檢測信號和基準信號，并對采集值和參考值做比較，實現設備開停狀態的精確判斷。軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 軟件流程圖

2.2 數據處理

在采樣數據處理上，針對目前的設備開停傳感器在邏輯判斷上多采用單一門限和單次判斷，即當采樣值高于設定閾值則為“開”，低于此設定值則為“關”；每個邏輯循環只進行一次判斷，極容易受電磁干擾產生誤報。該設計采用上下門限自學習方法[12]和軟件濾波方法，如圖4 所示。

圖4 門限自學習方法流程圖

自學習具體做法是設備開停傳感器在被檢測設備“開”的條件下通過遙控器設定當前為自學習模式，在被檢測設備“開”的條件下在此模式下自動統計一段時間（該設計統一為60 min）內的所有監測到的信號值，在自學習過程中不斷比較取其中最小值Vmin作為設備判斷“開”的最低門限；在被檢測設備“停”的條件下通過遙控器設定當前為自學習模式[13]，在此模式下自動統計一段時間內的所有監測到的信號值，在自學習過程中不斷比較，取其中最大值Vmax作為設備判斷“停”的最高門限，以此，將兩個門限作為設備判斷開、停狀態統計判定閾值Utj，在統計閾值的基礎上利用經驗值Ujy進行修正，獲得設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中進行多次采樣[14]（該設計中設定為30 次），考慮到電磁干擾可能會造成單次采樣“誤報”，當傳感器檢測值大于“開”門限一定次數（該設計中設定為27 次）后判定為“開”，反之判定為“關”。

3 實驗數據

3.1 靈敏度調節時間實驗

為了驗證該設計的靈活性和可靠性，設計中增加了靈敏度調節時間實驗，通過對比改進前后的開停傳感器靈敏度調節時間驗證本設計的先進性。首先，通過實驗室模擬現場環境[15]，通過電流發生器模擬煤礦井下機電設備的供電狀態，外接一根3 m長的供電線纜作為測試線纜，分別將改進前后的2臺設備開停傳感器安裝在測試線纜上。開啟電流發生器后，5組測試人員在同一個設備電纜上分別調節目前礦用設備開停傳感器和設計改進的傳感器靈敏度，記錄時間如表2所示。

表2 改進前后傳感器調節時間對比表

通過對比可以看出，改進后的傳感器在調節時間上較原開停傳感器降低了80%以上，充分驗證了本設計可以提高工程人員的施工效率。

3.2 傳感器可靠性實驗

為了測試改進傳感器的可靠性和穩定性，該設計通過實驗室模擬現場環境，參照國際標準GB/T17626.4在設備供電線纜上施加快速脈沖群4 級（電壓峰值為4 kV，重復頻率為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后，傳感器輸出信號變化如圖5 所示，在干擾信號注入到設備電纜后，傳感器互感線圈感應到高頻次的磁場變化，且輸出幅值在0～1 之間交替變化，證實傳感器由于靈敏度調節過大，同時開停判斷門限固定導致傳感器運行不穩定，出現多次誤判情況。

圖5 原始開停傳感器受干擾后信號變化

改進后的開停傳感器受相同強度的脈沖群干擾下傳感器輸出信號變化如圖6 所示，在干擾信號注入到設備電纜后，傳感器互感線圈同樣感應到高頻次的磁場變化，這是傳感器采用的磁感應原理所導致的，無法排除，但通過靈敏度的精確調節可以準確地將干擾信號的幅值降低，同時通過經驗值修正的判定門限進行判定可有效降低判定錯誤率，從圖上可以看出輸出幅值在0.8～1之間交替變化，證明通過靈敏度調節已經將干擾信號幅值有效降低，再通過經驗值0.3進行修正后，可以充分消除此次干擾的影響。

圖6 改進開停傳感器受干擾后信號變化

通過對比可以看出，通過增加了數字電位器和軟件數據處理后，開停傳感器受電磁干擾影響產生的幅值變化明顯降低，改進后的開停傳感器通過門限閾值判斷設備狀態可一直保持穩定，無誤報情況發生。

4 結論

該設計采用數字電位器替代機械電位器調節靈敏度的方法，解決了現有礦用設備開停傳感器靈敏度不易調節的問題，并通過軟件門限自學習方法和濾波算法降低了傳感器的誤報率。通過實驗室模擬現場環境調節傳感器的時間和模擬干擾檢測到的輸出信號變化可以看出，改進的開停傳感器能夠方便地調節設備檢測靈敏度，穩定、準確地對設備啟停狀態進行檢測。應用此設計可以提高傳感器靈敏度調節的準確度、靈活性，提升設備智能化程度，降低煤礦井下變頻器等設備的電磁干擾，有效地提高安全生產效率。更適用于目前的安全監控系統改造和智慧礦山建設。