自供電傳感器在煤礦機械智能控制系統中的設計應用
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摘 要：煤炭是現在人們生存所需要的重要能源之一，煤礦機械化水平的高低會對煤礦的生產效率與經濟效益造成較大的影響，煤礦機械在開展工作時很容易受到巖石、煤等的猛烈撞擊，使得煤礦機械發生故障。在煤礦機械智能控制系統當中有效運用自供電傳感器，能夠解決機器周圍因不具備有線連接而不可以運用典型傳感器的采礦地點。文章主要圍繞自供電傳感器的具體設計應用展開探究。
關鍵詞：煤礦;智能控制系統;自供電;傳感器
中圖分類號：TD67 文獻標志碼：A 文章編號：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
近些年我國工業越來越重視機械、設備監控以及自動化系統的運用，為了真正實現采礦機械的自動化系統，需要不斷探究新技術。自供電傳感器的主要供應組間包含了熱電發電機與壓電能量收集等，同時還準備人造與技術智能來對傳感器網絡配置進行有效的管理，下文將針對自供電感應器的運用進行分析。
1 無線傳感器網絡簡介
近些年電子信息技術、微機電系統與無線通信技術均以較快的速度發展著，傳感器節點逐漸往智能化與微小化方向發展。無線傳感器網絡的組成主要為許多成本與功耗均較低、功能較多、高度集成的傳感器節點。通常情況下傳感器節點包含了各種傳感器、射頻收發裝置與嵌入式微處理器等，網絡能夠有效采集信息、對數據進行有效處理以及具備無線通信能力。網絡中的節點除了能夠進行信息交互，還可以與基站進行有效的通信，這導致數據可以做到遠程傳輸到用戶處理平臺。無線傳感器網絡與傳統無線通信網絡、移動自組織網絡與蜂窩網絡等實施比較，無線傳感器網絡所具備的特點有如下幾點：（1）節點會在指定區
域的分布中具有高密度集中的特點[1]，節點分布數目眾多，且具有大范圍的網絡面積。（2）會受到節點功耗的限制，從而導致傳感器節點在數據運算、分析與存儲等方面都存在局限性，也就是傳感器節點處理器普遍都比較簡單。（3）節點的安置環境大多都比較惡劣，提前規劃的可能性比較低，安置節點之后會自動配置與構建網絡。（4）數據為無線網絡的首要中心。在網絡中具有眾多的傳感節點數目，網絡具有復雜多變的特性，單個節點出現休眠或故障等情況時，并不會牽連到整體網絡，整體網絡因單節點發生故障而出現失效的現象。（5）通常情況下，其傳輸模式主要為多個起始節點向目的節點匯集，從而實現數據傳送的多對一傳輸模式。（6）傳感器節點的供電持續性存在不足，通常情況下節點會借助電池實現供電，但是節點所在位置都比較惡劣或者是不可以輕松到達，因此在電池更換上具有比較大的難度。
2 煤礦有效運用自供電傳感器的可行性分析
在以往采礦業專用設備設計方面所積累的經驗，傳感器的設計師們對運用自供電傳感器的具體要求做出了有效分析。
通過自供電傳感器可以使得與監測機器運行存在關聯的其他選項參數都歸入到現在已經規劃好的體系當中，在開展干預鋪設額外電纜的過程中并不需要借助原本已經具有的電力與控制系統。自供電傳感器的使用實質上是在能源領域中對能源進行充分利用。本文主要對來自溫差的能量以及機械振動的能量進行有效的分析。
2.1 來自溫差的能量分析
采礦機械運行空間存在有比較大的限制，機器功率大驅動裝置會造成長臂開采系統或挖掘工作中運用機器部件系統會出現溫度明顯升高的現象。機器表面所能夠承受的最高溫度為150℃[2]。如果驅動器出現故障。或者是存在有過度磨損的現象，則會導致機器溫度明顯大于最大溫度限值。自供電傳感器的建議概念是在熱工行業中發展來的。這種傳感器可以做到在選定的設計節點實施有效的溫度測量，同時也可以做到輕易改變其安放位置。
2.2 機械振動的能量分析
從機械振動角度出發，對有效運用由能源驅動的自供電傳感器的可能性進行認真的分析，分析后可知道自供電傳感器能夠被運用在移動機器、路橋系統中，此外還能夠運用在長壁開采系統正在運行的機器當中。目標傳感器系統還能夠對以下參數進行有效的測量：測量選定設計節點的實際溫度，在機器操作過程中所有可能導致溫度改變的地方都確定為傳感器所在位置;對機器液壓系統當中存在的壓力進行有效測量;實施振動診斷;對飛桿輸送機鏈條的壓力進行有效的測量[3]，將電壓元件放置在專門設計的測量單元當中，同時進行機械能轉換傳感器的部署。 3 自供電系統的設計方法
自供電系統首先收集采礦機械工作時所形成的振動能量，并將收集到的能量有效轉化為電能，從而使得WSN中終端節點的供電問題得到良好的解決[4]，在設計自供電系統的時候，最為關鍵的就是要將振動能量的收集以及對收集能量的管理與轉化進行有效的解決，其所運用的技術方案包含有以下幾點。
3.1 分析振動能量收集技術
現在已經有許多方法來進行振動能量的收集，且大多數方法在實際運用當中都可以得到較為滿意的效果，這些方法的工作原理能夠分為以下三種。第一，實施壓電式振動能量收集，該種電能收集方法主要是充分利用壓電材料的正壓電效應，以此讓采礦機械工作當中所形成的振動能可以有效轉化為電能，其工作當中所體現出的原理為壓電材料的振動比較明顯時，材料內部會出現極化現象，相對應的兩塊壓電材料上會發生兩種截然不同的電荷，從而實現對設備供電的目的，壓電式振動能量收集技術在自供電系統當中具有比較廣大的發展前景。第二，實施電磁式振動能量收集，該種收集技術在工作中所體現出來的原理為以電磁感應定律為基礎[5]，當處于振動狀態時，閉合回路可以不間斷的進行切割磁感線的運動，在切割磁感線運動的過程當中，線圈的磁通量大小會明顯出現變化，導致感應電動勢的出現，從而能夠取得電能，目前該種方式的能量收集發電方式已經取得了較為成熟的發展，該種方式的一大明顯特征為具有比較高的輸出電壓，且具有相對穩定的電能運用。第三，實施靜電式振動能量收集，該種能量收集發電方式只有相對簡單的結構，通常情況下其組成包含了兩塊大小不一樣的電容，當其處于振動的狀態下，兩塊電容可以在振動狀態下做功，導致兩塊電容之間的間距相對面積出現明顯的改變，從而使得兩塊電容板上發生正負極的電荷改變[6]，當電容中存儲的電荷量出現明顯的改變時，電壓會因此出現，在對產生的電壓實施有效的管理與調整之后就可以將其有效運用在實際工作當中了。
3.2 分析能源管理方法
因為現在采礦機械具有相對復雜的工作情況，而且需要收集的機械振動也相對較弱，這種不具備規律性的能量無法做到對相應模塊或器件實施穩定的充電，在這種情況下就需要將具備存儲功能的電路聯系起有關的電源管理，從而達到能量穩定供給的效果，通常該種電源管理電路所包含的功能有能量存儲、能量轉換以及及時監測等。
首先需要做的是能量的轉換，能量轉換需要將能量采集器中所采集到的不具備規律性與比較輕微的能量實施有效的轉換[7]，使得這些能量可以具有規律性與穩定性，從而讓實際供電的要求得到有效的滿足。在能量存儲當中，能夠有效選擇充電電池或者電容器來對能量實施良好的存儲，在確定儲存器件的時候需要有效結合供電對象的實際需求，超級電容器是現階段使用得較多的儲能元件。然后是路徑管理，路徑管理的主要內容為有效管理系統能量的存儲和供應，全面結合電能供應元件的實際特點與相關需求，以此來有效調節所供給能量的大小，使得能量損耗與浪費的現象可以得到有效的避免。最后進行電池的監測，若可充電電池可以作為能量儲存模塊，則需要時刻監測電池的充放電過程[8]，為充放電過程的穩定提供充足的保障，以此來有效避免因為電池的過度充放電而出現相關的故障，從而實現充電電池與終端節點的實際使用壽命延長的目的。
4 結束語
綜合上文內容可知，目前的礦產資源開采環境都不盡人意，煤塵水霧與巖石這兩者都會對采礦機械設備造成直接的影響，采礦機械設備當中的軸承與液壓系統會很容易受到影響而發生故障，最終導致礦井的生產系統會受到較大的影響，容易導致工傷事故等安全問題，所以需要有效運用煤礦機械智能控制系統。通信系統的自組織方法可以讓采礦機械監測與控制得到良好的實現，具有自供電系統的無線傳感器能夠保障控制系統的正常運行。本文中從振動能量采集與能源管理這兩方面來進行自供電系統的分析，從而為煤礦開采使用自供電傳感器提供有效的借鑒。
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