基于光纖傳感技術(shù)的煤礦機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 將

（山西安標(biāo)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，山西 太原 030031）

引言

隨著煤炭資源的需求量越來(lái)越大，在煤炭行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)形成了超高負(fù)荷，會(huì)造成各種各樣的煤礦安全事故。其中以機(jī)械設(shè)備運(yùn)行為主要調(diào)查對(duì)象，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，存在大量設(shè)備機(jī)械化利用程度低等問(wèn)題。多個(gè)機(jī)械設(shè)備同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中，若不能進(jìn)行全面的安全監(jiān)測(cè)，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，工作人員不能第一時(shí)間接收到預(yù)警信號(hào)，威脅其生命安全[1-2]。

在煤礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)設(shè)備完成啟動(dòng)后，其閘瓦裝置會(huì)與制動(dòng)輪之間存在接觸面積，一般情況下對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)是在運(yùn)行階段檢查接觸面積的變化情況，一旦接觸面積小于60%，則兩者之間會(huì)出現(xiàn)縫隙影響制動(dòng)效果。原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受節(jié)點(diǎn)布控不合理影響，在進(jìn)行接觸面監(jiān)測(cè)時(shí)，無(wú)法完全照顧到各個(gè)角落，在出現(xiàn)縫隙時(shí)無(wú)法發(fā)出預(yù)警，造成閘瓦和制動(dòng)輪之間的間距過(guò)大，影響設(shè)備的制動(dòng)效果[3]。本文以此為基礎(chǔ)，應(yīng)用光纖傳感技術(shù)研究煤礦機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為煤礦安全開(kāi)采提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 基于光纖傳感技術(shù)的物理量檢測(cè)原理

在光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）中，空間周期為a，具體布拉格波長(zhǎng)計(jì)算如下：

式中：λB為Bragg 光柵波長(zhǎng)；neff為光柵的折射率；Λ 為光柵空間周期。

Bragg 光柵對(duì)應(yīng)力、溫度有著非常靈敏的感應(yīng)，應(yīng)力引起光柵空間周期的變化和彈光效應(yīng)，溫度則是熱膨脹與熱光效應(yīng)，則：

式中：T 為溫度；L 為光柵本身的長(zhǎng)度，進(jìn)一步換算：

式（5）中光柵波長(zhǎng)的變化由等號(hào)右側(cè)的幾項(xiàng)決定。第一項(xiàng)是溫度熱效應(yīng)引起的光柵空間周期變化，第二項(xiàng)是熱光響應(yīng)，第三項(xiàng)是應(yīng)變，第四項(xiàng)是彈性光學(xué)效應(yīng)。從上述公式可以看出，溫度應(yīng)變的變化會(huì)引起光纖布拉格光柵波長(zhǎng)的變化。

一般情況下，在不受其他應(yīng)力條件影響的情況下，光柵隨溫度呈線性變化，且傳感器制作相對(duì)簡(jiǎn)單。在本文的第4 小節(jié)中，通過(guò)光纖布拉格光柵溫度傳感器采集了大量用于數(shù)據(jù)分析的溫度數(shù)據(jù)。針對(duì)應(yīng)用于煤礦的光纖溫度傳感器，進(jìn)行了尾纖加工和傳感器外殼加工，使其滿(mǎn)足煤礦規(guī)章制度和煤礦環(huán)境的要求。

通過(guò)與懸臂梁等其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合，可以制成位移傳感器；可以通過(guò)在表面涂覆氫敏材料制成氫敏傳感器；可以在濕敏材料上涂覆濕敏材料，制成濕敏傳感器。光纖布拉格光柵是在光纖的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它可以通過(guò)光纖的基本特性形成大容量的傳感網(wǎng)絡(luò)。

2 基于光纖傳感技術(shù)的煤礦機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)主要由光纖傳感控制為中心，在多點(diǎn)位網(wǎng)絡(luò)布局中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，重新完成機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)。根據(jù)煤礦自身的地形走向，將其分為開(kāi)采區(qū)和運(yùn)輸區(qū)兩個(gè)部分，在每個(gè)通道內(nèi)構(gòu)建光纖網(wǎng)絡(luò)，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，具體框架示意圖如圖1 所示。

圖1 礦區(qū)光纖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 中內(nèi)容所示，在每個(gè)通路中安置光纖傳感器，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)定位，通過(guò)傳感器發(fā)出的信號(hào)標(biāo)志，能夠直接定位到機(jī)械設(shè)備的工作位置。其中光纖網(wǎng)絡(luò)中心選用WSN 以太網(wǎng)關(guān)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定，通過(guò)NI9556 型號(hào)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行可編程通信處理，在多種開(kāi)放式的通信標(biāo)準(zhǔn)下，傳感器能夠與其他硬件進(jìn)行交流，并在INTERNET 遠(yuǎn)程登錄中，查看機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 基于光纖傳感技術(shù)的煤礦機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于光纖傳感技術(shù)設(shè)置設(shè)備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

由于煤礦開(kāi)采的特殊性，在引入大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要對(duì)日常的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，本次采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)置，使得在煤礦開(kāi)采的各個(gè)通路中，必須具備光纖環(huán)路的保護(hù)。在煤礦設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，穿插一個(gè)具有環(huán)路相切的網(wǎng)線結(jié)構(gòu)通路，在光纖網(wǎng)絡(luò)線路的等量節(jié)點(diǎn)中，設(shè)置每個(gè)運(yùn)行通路匯集點(diǎn)的RTU 站點(diǎn)，用于收集和傳輸機(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

在光纖傳感技術(shù)中，盡可能地利用光纖開(kāi)關(guān)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠完成多個(gè)方向上和多個(gè)角度的數(shù)據(jù)追蹤，發(fā)揮各個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)功能。按照同時(shí)具備兩組光纖傳感技術(shù)的環(huán)網(wǎng)，完成煤礦機(jī)械設(shè)備的定點(diǎn)安置，以G1環(huán)路和G2 環(huán)路為兩個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)等長(zhǎng)距離下各個(gè)機(jī)械設(shè)備到環(huán)網(wǎng)中心的節(jié)點(diǎn)位置，具體連接結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

根據(jù)圖2 中內(nèi)容所示，在兩個(gè)環(huán)路中分別連接不同的光纖網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)機(jī)械設(shè)備通過(guò)光纖通路進(jìn)行連接，按照每個(gè)設(shè)備到環(huán)網(wǎng)中心的距離，對(duì)應(yīng)設(shè)置多個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并以交接的R 站作為監(jiān)測(cè)主站，能夠滿(mǎn)足最大監(jiān)測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部設(shè)備的全網(wǎng)控制。

圖2 光纖傳感技術(shù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置局部構(gòu)圖

根據(jù)光線傳感技術(shù)布置的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，在分簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，引入層次信譽(yù)管理理論，通過(guò)分層管理機(jī)制對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層的分析和處理，完成對(duì)煤礦生產(chǎn)全過(guò)程的機(jī)械設(shè)備的監(jiān)控。按照信譽(yù)管理機(jī)制呈現(xiàn)的分層形式，對(duì)接收的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)直接劃分為三個(gè)單元，以每個(gè)層級(jí)的不同功能形式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別對(duì)光線傳感監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解釋。

3.2 光纖振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光纖振動(dòng)傳感器中，k1為光纖的彈性系數(shù)，對(duì)于同種品質(zhì)、同種類(lèi)型、同種材料的光纖，k1相同；k2為支撐桿的彈性系數(shù)；c 為介質(zhì)阻尼系數(shù)；m為重塊質(zhì)量。則系統(tǒng)彈性系數(shù)k 為：

式中：ω 為頻率，a0為振幅。

式中：δ 為阻尼系數(shù)；ω0為固有頻率。假設(shè)式（8）的特解為：

式中：B 為振幅；φ 為初相位。

由式（9）得到：

圖3 |、ξ、q 的關(guān)系圖

應(yīng)變-加速度靈敏系數(shù)K 為：

從以上結(jié)果可以看出，光纖振動(dòng)傳感器需要調(diào)整參數(shù)，使其振動(dòng)時(shí)相變量相對(duì)較大。選擇不同比例的黏滯阻尼材料，可以得到高靈敏度的光纖傳感器。

3.3 層次信譽(yù)管理節(jié)點(diǎn)安全監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備

層次信譽(yù)管理理論主要將節(jié)點(diǎn)分為3 個(gè)部分，從上至下排列出三個(gè)等級(jí)。第一層級(jí)為節(jié)點(diǎn)匯集中心，可對(duì)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)各組數(shù)據(jù)中安全問(wèn)題的篩選和標(biāo)記。第二層級(jí)為簇頭的組成集合，主要對(duì)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，完成數(shù)據(jù)信息的信譽(yù)值判斷和分析。第三層級(jí)主要包含大量的節(jié)點(diǎn)成員，負(fù)責(zé)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的基本數(shù)據(jù)采集，可作為傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際目標(biāo)，能夠?yàn)榘踩O(jiān)測(cè)提供真實(shí)的評(píng)價(jià)信息。

在匯集節(jié)點(diǎn)中，光纖傳感器作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的融合終端，在層次信譽(yù)機(jī)制中處于最上層，需要發(fā)揮出最高的協(xié)同作用，其中匯集節(jié)點(diǎn)本身沒(méi)有任何數(shù)據(jù)記錄，是通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，來(lái)判斷各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的信譽(yù)問(wèn)題，通過(guò)其所在分簇的位置，鎖定目標(biāo)數(shù)據(jù)的來(lái)源，但出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題故障時(shí)，可以進(jìn)行分簇簇頭的數(shù)據(jù)交互，以判斷煤礦機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在層次信譽(yù)理論管理機(jī)制下，對(duì)光纖監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)域處理，能夠避免單個(gè)節(jié)點(diǎn)的多次利用，在長(zhǎng)傳重復(fù)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，影響機(jī)械設(shè)備的監(jiān)控效果。

由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)中存在邊際劃分問(wèn)題，在第二層級(jí)內(nèi)直接對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)記，按照整個(gè)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的信譽(yù)記錄，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)成員的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，在其中分類(lèi)整理出所需要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可。至此在光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置多個(gè)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，利用層次信譽(yù)管理理論機(jī)制，劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信譽(yù)區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，完成煤礦機(jī)械設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用效果，能夠?qū)γ旱V機(jī)械設(shè)備進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行論證。測(cè)試運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)閘瓦接觸面積進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，保障煤礦機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定操作，減少故障發(fā)生的次數(shù)。閘瓦接觸面積表示閘瓦在制動(dòng)過(guò)程中能夠接觸到制動(dòng)盤(pán)的面積，對(duì)其進(jìn)行全面監(jiān)控，能夠及時(shí)調(diào)整閘瓦的間隙大小。

以某省實(shí)際開(kāi)采的礦區(qū)為測(cè)試環(huán)境，選擇三組運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，在閘瓦制動(dòng)時(shí)與制動(dòng)輪的接觸面積不可低于60%，一旦出現(xiàn)接觸面積過(guò)低的現(xiàn)象，則表示設(shè)備閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間存在間隙。采集運(yùn)行4 h 后的閘瓦接觸面積變化數(shù)據(jù)，對(duì)三組設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如表1 所示。

表1 機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中閘瓦接觸面積 %

根據(jù)表中內(nèi)容所示，此次截取了5 h 的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在三組機(jī)械設(shè)備中，初始的接觸面積最大可達(dá)到98%。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，接觸面積逐漸減少，其中A1 組設(shè)備在16：00 的面積低于60%，表示出現(xiàn)接觸縫隙，若長(zhǎng)時(shí)間保持該狀態(tài)運(yùn)行，超過(guò)2 mm 間隙時(shí)會(huì)影響閘瓦的制動(dòng)效果，發(fā)生設(shè)備故障。

將出現(xiàn)問(wèn)題的A1 設(shè)備數(shù)據(jù)，導(dǎo)入至MATLAB 測(cè)試平臺(tái)，引入本文系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)，與原有系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照測(cè)試。采用檢測(cè)儀器測(cè)定兩組設(shè)備的縫隙大小，A1 組設(shè)備的縫隙為2.56 mm，發(fā)生了設(shè)備故障。為保證測(cè)試環(huán)節(jié)的真實(shí)性，在平臺(tái)中直接模擬兩組設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用兩種系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控，在多輪測(cè)試模擬下，統(tǒng)計(jì)設(shè)備閘瓦與制動(dòng)輪的縫隙，具體結(jié)果如下頁(yè)表2 所示。

表2 不同系統(tǒng)下機(jī)械閘瓦與制動(dòng)輪間隙大小 mm

根據(jù)表1 中內(nèi)容所示，在本文系統(tǒng)的應(yīng)用下，設(shè)備的間隙均控制在0.55 mm 以?xún)?nèi)，說(shuō)明可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)閘瓦接觸面積變化，在發(fā)生問(wèn)題時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證閘瓦的有序制動(dòng)。

而傳統(tǒng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果不理想，設(shè)備的間隙沒(méi)有發(fā)生變化，在閘瓦接觸面積中不能做到精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致閘瓦與制動(dòng)輪的間隙過(guò)大，影響后續(xù)制動(dòng)效果。

綜合結(jié)果可知：以閘瓦接觸面積作為測(cè)試對(duì)象，本文系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)完成監(jiān)測(cè)，保證閘瓦與制動(dòng)輪的間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，具有實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在分析光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)上，完成設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以閘瓦的接觸面積作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，本系統(tǒng)能夠精確完成多個(gè)節(jié)點(diǎn)的布控，保證閘瓦與制動(dòng)輪的間隙在0.55 mm 以?xún)?nèi)，不影響設(shè)備的制動(dòng)效果，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)論具有一定偏差性。后續(xù)研究中會(huì)對(duì)實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行測(cè)試，為煤礦的機(jī)械安全生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。