無線電能傳輸系統 保障礦井提升安全

文/趙恒聲 姜桂鵬 江澎

礦井提升機中數據采集與發送裝置采用鋰電池或鉛酸蓄電池供電，帶來更換問題，選用基于磁耦共振原理的無線充放電模組，利用零電壓開關電路逆變產生交變電流，通過并聯-并聯傳輸結構，采用橋式整流接收電路并對電池進行充電，實現了無線電能傳輸功能。

提升機系統是礦山生產的核心環節之一，不論是多繩摩擦式提升機還是單繩纏繞式提升機，不論是主井提升還是副井提升系統，其終端荷載均面臨著稱重不準、箕斗粘堵、二次裝載、維護或操作不善等因素導致的過載斷繩的嚴峻風險。近年來，礦山運輸提升事故是礦山系統的第三大類災難事故，所占比例僅次于瓦斯和頂板事故。提升機承載在線監測系統能提高提升設備的本質安全水平，降低下井人員的安全風險，此類勞動安全防護設施日益成為業界的研究熱點。

對于傳感器采集、發送及接收系統而言，傳統的有線充電方式中，雜亂的物理導線易引起安全隱患，且在特定工況下不便使用；采用鋰電池或鉛酸蓄電池直接供電方式，其鋰電池或鉛酸蓄電池需定期更換，增大了現場維護工作量。無線電能傳輸自2007年麻省理工學院Marin教授的研究團隊提出以來，日益成為當今充電系統研究的主流方向。

本文介紹基于無線通信技術和無線電能傳輸技術的無線充放電模組，采用磁耦共振的原理，利用零電壓開關(Zero Voltage Switch，簡稱ZVS)電路逆變產生交變電流，通過并聯-并聯傳輸結構，實現無線電能傳輸，采用橋式整流接收電路并對電池進行充電，系統傳輸效率達80%，傳輸距離為5 cm。本系統選用抗沖擊測力傳感器、稱重傳感器、制動加速度傳感器、可編程控制器（Programmable Logic Controller ，簡稱PLC）及RS-485傳輸技術相結合，在不破壞原有提升系統的條件下研究提升機載荷在線監控系統，對提高生產效率、杜絕二次裝載、摩擦提升系統防滑、大件貨物配重及松繩卡罐等引起的安全隱患監測具有重要的意義。

監控系統總體組成

無線充電發射模組布置在井口位置，無線充電模組、電池及發送器安裝在罐籠和箕斗頂端，制動繩上安裝的抗沖擊測力傳感器輸出4～20 mA的信號傳輸到井口主控制柜PLC模擬量輸入模塊；在罐籠和箕斗頂端安裝稱重傳感器，并在罐籠上方加裝加速度傳感器讀取防墜器制動時的制動加速度，信號采集發送裝置在容器往返運行中實時采集提升機載荷的各類傳感器信號，并將信號通過無線模塊數傳至無線接收模塊，接收模塊通過RS-485電纜將數據上傳至地面PLC和上位機監控系統。礦井提升機載荷在線監控系統工作原理如圖1所示。

無線電能傳輸模塊的選型

無線充放電模組的工作原理基于磁耦共振（如圖2），該系統主要由能量發送裝置和能量接收裝置組成，其中能量發送裝置包括高頻逆變電路和諧振補償電路等；能量接收裝置包括諧振補償電路和整流濾波電路等。當發射線圈的頻率與接收線圈的頻率相同時，系統處于強耦合模式，通過中高頻磁場可實現較大距離下電能的高效傳輸。

逆變諧振發射端

逆變諧振發射端電路工作時，電流完整路線見圖3。

圖1 礦井提升機載荷在線監控系統原理圖

圖2 磁耦共振式無線電能傳輸原理

整流濾波接收端

采用橋式整流電路作為接收端的整流電路見圖4。單相不可控的橋式整流電路中交流電通過整流后，經C2的濾波作用，將整流濾波后的直流電輸送給后端的電池負載。

圖3 逆變諧振發射端電路圖

圖4 接收端整流電路

監控系統模塊選型

為了達到檢測系統的使用指標，滿足實際應用的要求，選用高可靠性、功能強的芯片以及合理的電路來確保整個系統的正常運轉。

模數轉換模塊

本系統選用的模塊為基于雙積分A/D轉換電路的芯片ICL7135，該芯片的引腳如圖5所示，為DIP28封裝。抗干擾能力強、分辨率高，價格低廉。分辨率為14位二進制數，轉換誤差為1 LSB，轉換輸出為0～19 999；當測量量程為0～2 000 kN時，這樣的精度使得儀表的分辨率達到0.1 kN；模擬輸入可以是差動信號，輸入阻抗極高，輸入電壓為0～1.9999 V；采用自動校零技術，可保證零點在常溫下的長期穩定性。由于7135輸出的轉換結果是動態掃描BCD碼，因此一般采用并行接口與處理器連接，以節省處理器的硬件開銷，同時8155中的定時器還可滿足7135對時鐘的需要。

圖5 ICL7135芯片的引腳圖

數據采集裝置發射模塊的選用

提升容器上處理器采集到的鋼絲繩張力信號經過處理后以電磁波的形式發射，信號的中心頻率為230 MHz。本系統選用500 mW的數傳電臺進行無線的數據傳輸。

該模塊在視距情況下，天線放置高度位置＞2 m，可靠傳輸距離可達2 km (比特出錯概率BER=10-3/1 200 bps)；可靠傳輸距離大于1 km(BER=10-3/9 600 bps)。

采集數據的傳輸

由于提升機的結構和礦井環境的限制，采集到的信號在本系統中采用無線加有線的傳輸方式進行傳輸，在井口、井底各放置一套無線接收站，接收容器上采集發射系統發送的無線信號，采集系統和發送系統采用無線充放電模組進行供電。

數據采集部分將傳感器監測到的數值經過放大和濾波后，轉化為數字信號，然后將數字信號傳輸給發射系統處理器。數據發送模塊接收到傳輸而來的數字信號，通過內部處理器對數據進行進一步的處理，將數據整理、編碼等，然后通過串行口將信號傳輸給信號調制芯片，調制好的數字信號由無線發射系統將信號發送出去。數據采集和發送系統框圖如圖6所示。

圖6 數據采集和發射系統框圖

圖7 數據接收系統框圖

在數據接收端，接收系統接收發送來信號，在調制解調芯片內將數據解調，解調后的數據傳輸給接收系統處理器，在處理器內將信號譯碼還原成鋼絲繩張力信息，然后選擇長距離串口方式將數據準確的傳輸給上位機控制箱。數據接收系統框圖如圖7所示。

研究結論

本系統的無線電能傳輸充放電模組采用自適應控制技術，能為鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池和超級電容提供精確可靠的無線充電，保護和延長電池壽命。

本系統在罐籠/箕斗上安裝無線充電接收模組，在井口井架上安裝無線充電發射模組，現場采用抗沖擊測力傳感器、稱重傳感器和制動加速度傳感器，通過數據采集系統測得提升機系統容器的載荷，并通過無線發射系統將信號持續發出，無線接收系統將接受到的信號傳送至PLC和上位機。

本系統信號采集和發送均采用磁耦共振式的無線電能傳輸系統供電，從而避免了鋰電池更換電池或鉛酸蓄電池維護和更換需要人工操作導致的安全風險，減小了系統的維護工作量和系統部件更換成本，提高設備的運行效率。該系統目前已成功應用于甘肅省合作市早子溝金礦，運行狀態良好，提高了提升機的本質安全水平，且該無線電能傳輸系統無需停車更換電池，實現了系統連續運行。過去傳統人工換電池方式需48 h更換一次，每次換電池用時0.5～1 h。新系統提高了提升機效率，節省了更換電池人工費，累計年增經濟效益1 000萬元。

由于本礦井提升機載荷在線監控系統能夠保障礦井提升機的安全、可靠、穩定運行，為下井工作人員提供了安全防護，又降低了人工操作更換提升機頂電池的人工成本和安全風險，提高了提升機的運行效率，具有良好的社會和經濟效益，推廣應用前景極佳。