浅谈蓝牙装置监测采煤机供电设计构想

2020-05-13王磊

煤矿现代化 2020年3期

王磊

（山西潞安集团潞宁煤业公司，山西忻州 036000）

1 研究背景

煤矿采煤机械设备是综合机械、电子、电气、液压为一体的综采工作面复杂采煤系统[1]，在采煤时，系统所处环境恶劣，经常遭受煤尘、瓦斯、潮湿等影响[2]，而且还会承受来自矸石、煤、机械等巨大载荷冲击，采煤系统很容易受这些外部条件发生故障。若采煤系统出现供电故障，必定影响工作面正常生产，最终致使整个矿井生产瘫痪。为此，如何研发出适用煤矿井下工作面狭窄空间、环境恶劣的监测系统，在多参量传感器辅助作用下自动监测采煤机供电参数，确保综采工作面正常生产，这是目前矿井工作面采煤机供电在线监测遇见的难题[3,4]。为了解决矿井面临的困扰，论文提出基于自供电式蓝牙装置监控采煤机网络节点供电，在一定程度上提高供电安全性，保障采煤机系统安全、可靠、稳定运行，提升矿井经济效益。

2 蓝牙装置监测设计思路

随着技术不断发展，煤矿现在也在积极变革，正朝着煤矿智能化、自动化、无人化发展，同时也对煤矿采煤机提出了在线监控、无线传输、低能耗、自供电等新要求。将目前较为成熟的温度、压力、速度、电压、电流等传感器数据信息采集技术作为基础，解决采煤机供电及其他运行参数监测能力弱、信息传输效率低下、功耗严重等问题，进一步降低监测系统所占空间，提升监测系统综合性能，达到信息监测的时效性和准确性，提高采煤机供电稳定性和采煤机生产能力，因此，蓝牙装置作为采煤机供电监测系统的优势就体现了出来，蓝牙装置所占空间小，不需要专用的信息传输光缆，所耗能量小，准确度高，基于蓝牙装置监测采煤机设计方案如图1所示。

图1 蓝牙装置在线监测采煤机

低功耗压力和温度传感器、控制电路、无线数据传输等结构构成蓝牙传感系统，各个结构模块之间的关系以及监测原理如图2所示，设计的思路是降低供电节点损耗、电源与负载需求相匹配、供电系统安全稳定运行。电源模块为整个蓝牙监测装置提供动力[5]，电源模块结构中有电路调控、纳米级收发电器、锂电池，电路调控负责协调控制收发电器和锂离子电池用电供应，为整个蓝牙装置供能；信号采集模块指挥并控制加速度、压力传感器和温度传感器收集采煤机供电信息，该模块集成电路功能是整个蓝牙装置监测决定性环节；核心控制单片机是整个蓝牙装置运行的大脑，集分析、处理和判断一体的功能；无线发射模块是蓝牙装置根据收集到的信息发送给上位机，是实现与外界交换信息的载体，也是动态数据信息与静态数据信息交流的一种形式。

图2 蓝牙装置监测原理

3 装置监测煤机供电设计

3.1 设计方案

在微弱电量供给下，纳米发电机将收集到的能量传输至AD/DC转换端，并由电源管理电路传输至下一个环节中进行储存、管理和分析，经过控制电路作用下，由无线发射结构将有用数据信息传送至上位机。整个蓝牙装置采集采煤机供电能量系统结构组成和原理如图3所示。能量采集系统包含纳米发电机、管理电路、控制电路和数据采集以及信息发射端[6]，蓝牙装置中的管理电路由转换器、信息综合处理器、输入/输出电压管理、功率调控以及备用锂电池和监测装置保护模块。

图3 蓝牙装置系统能量采集原理

3.2 无线通信

蓝牙装置将采煤机供电监测到的信息传输至上位机，其利用的通讯方式是无线WiFi，本质是跳频传输数据信息，可以理解为扩频通讯，蓝牙装置监测信息通讯替代了矿井传统的线缆，降低了成本，也为采煤机作业空间提供便利。采用有线传输采煤机供电监测信息，一旦发生故障，信息就会被中断，而无线蓝牙装置可以改变此种状态，能够实时保障将采集到的采煤机供电信息传输给上位机，时刻监控采煤机供电状态。一般的无线通讯容易受电磁波干扰，但是蓝牙装置却克服此缺陷，蓝牙装置具有抗干扰，在煤矿井下工作面采集采煤机供电参数具有明显的优势。而且，蓝牙装置无线通讯是以工业环网为基础传输信息，可以有效保护信息的准确性和及时性。蓝牙装置采用5.0高集成电路，具有体积较小，传输速度快，非常适合井下采煤机供电信息监测。

3.3 控制电路设计

井下工作面条件十分恶劣，采煤机在工作期间周围被各种力场和电场干扰，环境相当复杂，要求监测采煤机供电的装置必须拥有抗干扰能力，这样才能有效保障采集电路信号不失真，避免外界环境信号数据对供电参数的影响。蓝牙装置控制电路设计以单片机为控制电路，A/D转换单元、储存器、其他外围电路为辅助，相互协作，共同完成对采煤机供电参数监测，并给上位机提供有效数据，例如，蓝牙装置采集供电状态下采煤机运行压力如图4所示。

图4 蓝牙装置采集采煤机运行压力

蓝牙装置核心控制电路选择主控芯片，信号由传感器收集，通过转换器将电压、电流等信号转换为蓝牙装置控制端数字信号，通过无线通讯传至上位机。数据信号输入与采集电路是相互对应的，既可以采用同步电路采集采煤机供电数据，也可以采用异步电路采集供电参数。设计的控制电路是针对采煤机供电在线监测的，传感器采集的信号为电压、电流、温度、加速度、压力等形式，而输入给蓝牙装置控制电路需要数字信号，转换器就在整个装置系统体现其功能，将参数信息转换为所需的数字信息，蓝牙装置内部电路体积微弱、重量小，设置的硬件设施简单、稳定、可靠，而且调控方便，大多数在监测采煤机供电状态下使用的是多通道的无线通讯。

4 试验研究

为了验证蓝牙装置在线监测井下工作面采煤机供电情况，对设计的蓝牙装置进行了试验，现场采集工作中采煤机供电运行参数如图5。

为了测试无线通讯效果，采用有线传输和无线传输，对比二者上传给上位机的信息，对比发现，在长时间工作下，有线传输受机械割伤或者崩断影响，其是传输的信息出现缺失，而蓝牙装置传输的信息准确率较高，受环境影响较小。在试验期间蓝牙装置监测供电节点处信息从未出现过间断，具有连续性和稳定性，良好的确保了调度中心实时掌握采煤机供电情况，从而也给采煤机提供了足够动力。

图5 现场采集工作中采煤机供电运行参数

为了确保传感器采集性能，对蓝牙装置的传感器数据采集也进行了实验，例如，测试了温度传感器采集效果。模拟实验将供电终端节点放置在高温和低温箱中，设置不同的温度，使用蓝牙装置温度传感器收集节点温度变化，温度现场采集对比实验如图6所示。通过温度实验对比发现，蓝牙装置温度传感器监测的温度数据误差较小，均处于合理范围内，可以认为蓝牙装置信息收集具有可靠性。