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自供电传感器在煤矿机械智能控制系统中的设计应用

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  摘  要:煤炭是现在人们生存所需要的重要能源之一,煤矿机械化水平的高低会对煤矿的生产效率与经济效益造成较大的影响,煤矿机械在开展工作时很容易受到岩石、煤等的猛烈撞击,使得煤矿机械发生故障。在煤矿机械智能控制系统当中有效运用自供电传感器,能够解决机器周围因不具备有线连接而不可以运用典型传感器的采矿地点。文章主要围绕自供电传感器的具体设计应用展开探究。
  关键词:煤矿;智能控制系统;自供电;传感器
  中图分类号:TD67         文献标志码:A         文章编号:2095-2945(2019)10-0093-02
  Abstract: Coal is one of the important energy sources that people need to survive now. The level of coal mine mechanization will have a great impact on the production efficiency and economic benefits of coal mines. Coal mine machinery is easy to be hit by rock, coal and so on when it works, which makes the coal mine machinery fail. The effective use of self-powered sensors in the intelligent control system of coal mine machinery can solve the mining sites around the machine where typical sensors cannot be used because of the lack of wired connection. This paper mainly focuses on the specific design and application of self-power supply sensor.
  Keywords: coal mine; intelligent control system; self-power supply; sensor
  近些年我國工业越来越重视机械、设备监控以及自动化系统的运用,为了真正实现采矿机械的自动化系统,需要不断探究新技术。自供电传感器的主要供应组间包含了热电发电机与压电能量收集等,同时还准备人造与技术智能来对传感器网络配置进行有效的管理,下文将针对自供电感应器的运用进行分析。
  1 无线传感器网络简介
  近些年电子信息技术、微机电系统与无线通信技术均以较快的速度发展着,传感器节点逐渐往智能化与微小化方向发展。无线传感器网络的组成主要为许多成本与功耗均较低、功能较多、高度集成的传感器节点。通常情况下传感器节点包含了各种传感器、射频收发装置与嵌入式微处理器等,网络能够有效采集信息、对数据进行有效处理以及具备无线通信能力。网络中的节点除了能够进行信息交互,还可以与基站进行有效的通信,这导致数据可以做到远程传输到用户处理平台。无线传感器网络与传统无线通信网络、移动自组织网络与蜂窝网络等实施比较,无线传感器网络所具备的特点有如下几点:(1)节点会在指定区
  域的分布中具有高密度集中的特点[1],节点分布数目众多,且具有大范围的网络面积。(2)会受到节点功耗的限制,从而导致传感器节点在数据运算、分析与存储等方面都存在局限性,也就是传感器节点处理器普遍都比较简单。(3)节点的安置环境大多都比较恶劣,提前规划的可能性比较低,安置节点之后会自动配置与构建网络。(4)数据为无线网络的首要中心。在网络中具有众多的传感节点数目,网络具有复杂多变的特性,单个节点出现休眠或故障等情况时,并不会牵连到整体网络,整体网络因单节点发生故障而出现失效的现象。(5)通常情况下,其传输模式主要为多个起始节点向目的节点汇集,从而实现数据传送的多对一传输模式。(6)传感器节点的供电持续性存在不足,通常情况下节点会借助电池实现供电,但是节点所在位置都比较恶劣或者是不可以轻松到达,因此在电池更换上具有比较大的难度。
  2 煤矿有效运用自供电传感器的可行性分析
  在以往采矿业专用设备设计方面所积累的经验,传感器的设计师们对运用自供电传感器的具体要求做出了有效分析。
  通过自供电传感器可以使得与监测机器运行存在关联的其他选项参数都归入到现在已经规划好的体系当中,在开展干预铺设额外电缆的过程中并不需要借助原本已经具有的电力与控制系统。自供电传感器的使用实质上是在能源领域中对能源进行充分利用。本文主要对来自温差的能量以及机械振动的能量进行有效的分析。
  2.1 来自温差的能量分析
  采矿机械运行空间存在有比较大的限制,机器功率大驱动装置会造成长臂开采系统或挖掘工作中运用机器部件系统会出现温度明显升高的现象。机器表面所能够承受的最高温度为150℃[2]。如果驱动器出现故障。或者是存在有过度磨损的现象,则会导致机器温度明显大于最大温度限值。自供电传感器的建议概念是在热工行业中发展来的。这种传感器可以做到在选定的设计节点实施有效的温度测量,同时也可以做到轻易改变其安放位置。
  2.2 机械振动的能量分析
  从机械振动角度出发,对有效运用由能源驱动的自供电传感器的可能性进行认真的分析,分析后可知道自供电传感器能够被运用在移动机器、路桥系统中,此外还能够运用在长壁开采系统正在运行的机器当中。目标传感器系统还能够对以下参数进行有效的测量:测量选定设计节点的实际温度,在机器操作过程中所有可能导致温度改变的地方都确定为传感器所在位置;对机器液压系统当中存在的压力进行有效测量;实施振动诊断;对飞杆输送机链条的压力进行有效的测量[3],将电压元件放置在专门设计的测量单元当中,同时进行机械能转换传感器的部署。   3 自供电系统的设计方法
  自供电系统首先收集采矿机械工作时所形成的振动能量,并将收集到的能量有效转化为电能,从而使得WSN中终端节点的供电问题得到良好的解决[4],在设计自供电系统的时候,最为关键的就是要将振动能量的收集以及对收集能量的管理与转化进行有效的解决,其所运用的技术方案包含有以下几点。
  3.1 分析振动能量收集技术
  现在已经有许多方法来进行振动能量的收集,且大多数方法在实际运用当中都可以得到较为满意的效果,这些方法的工作原理能够分为以下三种。第一,实施压电式振动能量收集,该种电能收集方法主要是充分利用压电材料的正压电效应,以此让采矿机械工作当中所形成的振动能可以有效转化为电能,其工作当中所体现出的原理为压电材料的振动比较明显时,材料内部会出现极化现象,相对应的两块压电材料上会发生两种截然不同的电荷,从而实现对设备供电的目的,压电式振动能量收集技术在自供电系统当中具有比较广大的发展前景。第二,实施电磁式振动能量收集,该种收集技术在工作中所体现出来的原理为以电磁感应定律为基础[5],当处于振动状态时,闭合回路可以不间断的进行切割磁感线的运动,在切割磁感线运动的过程当中,线圈的磁通量大小会明显出现变化,导致感应电动势的出现,从而能够取得电能,目前该种方式的能量收集发电方式已经取得了较为成熟的发展,该种方式的一大明显特征为具有比较高的输出电压,且具有相对稳定的电能运用。第三,实施静电式振动能量收集,该种能量收集发电方式只有相对简单的结构,通常情况下其组成包含了两块大小不一样的电容,当其处于振动的状态下,两块电容可以在振动状态下做功,导致两块电容之间的間距相对面积出现明显的改变,从而使得两块电容板上发生正负极的电荷改变[6],当电容中存储的电荷量出现明显的改变时,电压会因此出现,在对产生的电压实施有效的管理与调整之后就可以将其有效运用在实际工作当中了。
  3.2 分析能源管理方法
  因为现在采矿机械具有相对复杂的工作情况,而且需要收集的机械振动也相对较弱,这种不具备规律性的能量无法做到对相应模块或器件实施稳定的充电,在这种情况下就需要将具备存储功能的电路联系起有关的电源管理,从而达到能量稳定供给的效果,通常该种电源管理电路所包含的功能有能量存储、能量转换以及及时监测等。
  首先需要做的是能量的转换,能量转换需要将能量采集器中所采集到的不具备规律性与比较轻微的能量实施有效的转换[7],使得这些能量可以具有规律性与稳定性,从而让实际供电的要求得到有效的满足。在能量存储当中,能够有效选择充电电池或者电容器来对能量实施良好的存储,在确定储存器件的时候需要有效结合供电对象的实际需求,超级电容器是现阶段使用得较多的储能元件。然后是路径管理,路径管理的主要内容为有效管理系统能量的存储和供应,全面结合电能供应元件的实际特点与相关需求,以此来有效调节所供给能量的大小,使得能量损耗与浪费的现象可以得到有效的避免。最后进行电池的监测,若可充电电池可以作为能量储存模块,则需要时刻监测电池的充放电过程[8],为充放电过程的稳定提供充足的保障,以此来有效避免因为电池的过度充放电而出现相关的故障,从而实现充电电池与终端节点的实际使用寿命延长的目的。
  4 结束语
  综合上文内容可知,目前的矿产资源开采环境都不尽人意,煤尘水雾与岩石这两者都会对采矿机械设备造成直接的影响,采矿机械设备当中的轴承与液压系统会很容易受到影响而发生故障,最终导致矿井的生产系统会受到较大的影响,容易导致工伤事故等安全问题,所以需要有效运用煤矿机械智能控制系统。通信系统的自组织方法可以让采矿机械监测与控制得到良好的实现,具有自供电系统的无线传感器能够保障控制系统的正常运行。本文中从振动能量采集与能源管理这两方面来进行自供电系统的分析,从而为煤矿开采使用自供电传感器提供有效的借鉴。
  参考文献:
  [1]梁志勋,易云飞,莫燕斌,等.一种自供电多传感器无线环境质量监测系统的设计[J].贵州师范大学学报(自然科学版),2019,37(01):86-92.
  [2]屈辰,陶然,李刚.基于环境能量自供电的无线传感器节点设计[J].科技创新导报,2018,15(26):125-127.
  [3]闫春斌.自供电传感器在煤矿机械智能控制系统中的设计应用[J].机械管理开发,2018,33(08):203-204.
  [4]姜万东,王野,沈克明,等.一种新型自供电无线测温传感器控制系统[J].电气技术,2017,42(06):77-80.
  [5]刘帅.基于压电振动俘能的曳引机自供电声发射传感器研究[J].机电产品开发与创新,2017,30(03):52-54.
  [6]丁欢.采煤机械自供电监测系统的无线终端设计[J].煤矿机械,2017,38(03):29-31.
  [7]张海鹏.智能传感器在露天采煤机上的应用[J].黑龙江科技信息,2014(10):25.
  [8]苑鹏涛.智能传感器在露天采煤机上的应用[J].煤矿机械,2011,32(11):203-205.
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