无线电能传输系统 保障矿井提升安全

文/赵恒声 姜桂鹏 江澎

矿井提升机中数据采集与发送装置采用锂电池或铅酸蓄电池供电，带来更换问题，选用基于磁耦共振原理的无线充放电模组，利用零电压开关电路逆变产生交变电流，通过并联-并联传输结构，采用桥式整流接收电路并对电池进行充电，实现了无线电能传输功能。

提升机系统是矿山生产的核心环节之一，不论是多绳摩擦式提升机还是单绳缠绕式提升机，不论是主井提升还是副井提升系统，其终端荷载均面临着称重不准、箕斗粘堵、二次装载、维护或操作不善等因素导致的过载断绳的严峻风险。近年来，矿山运输提升事故是矿山系统的第三大类灾难事故，所占比例仅次于瓦斯和顶板事故。提升机承载在线监测系统能提高提升设备的本质安全水平，降低下井人员的安全风险，此类劳动安全防护设施日益成为业界的研究热点。

对于传感器采集、发送及接收系统而言，传统的有线充电方式中，杂乱的物理导线易引起安全隐患，且在特定工况下不便使用；采用锂电池或铅酸蓄电池直接供电方式，其锂电池或铅酸蓄电池需定期更换，增大了现场维护工作量。无线电能传输自2007年麻省理工学院Marin教授的研究团队提出以来，日益成为当今充电系统研究的主流方向。

本文介绍基于无线通信技术和无线电能传输技术的无线充放电模组，采用磁耦共振的原理，利用零电压开关(Zero Voltage Switch，简称ZVS)电路逆变产生交变电流，通过并联-并联传输结构，实现无线电能传输，采用桥式整流接收电路并对电池进行充电，系统传输效率达80%，传输距离为5 cm。本系统选用抗冲击测力传感器、称重传感器、制动加速度传感器、可编程控制器（Programmable Logic Controller ，简称PLC）及RS-485传输技术相结合，在不破坏原有提升系统的条件下研究提升机载荷在线监控系统，对提高生产效率、杜绝二次装载、摩擦提升系统防滑、大件货物配重及松绳卡罐等引起的安全隐患监测具有重要的意义。

监控系统总体组成

无线充电发射模组布置在井口位置，无线充电模组、电池及发送器安装在罐笼和箕斗顶端，制动绳上安装的抗冲击测力传感器输出4～20 mA的信号传输到井口主控制柜PLC模拟量输入模块；在罐笼和箕斗顶端安装称重传感器，并在罐笼上方加装加速度传感器读取防坠器制动时的制动加速度，信号采集发送装置在容器往返运行中实时采集提升机载荷的各类传感器信号，并将信号通过无线模块数传至无线接收模块，接收模块通过RS-485电缆将数据上传至地面PLC和上位机监控系统。矿井提升机载荷在线监控系统工作原理如图1所示。

无线电能传输模块的选型

无线充放电模组的工作原理基于磁耦共振（如图2），该系统主要由能量发送装置和能量接收装置组成，其中能量发送装置包括高频逆变电路和谐振补偿电路等；能量接收装置包括谐振补偿电路和整流滤波电路等。当发射线圈的频率与接收线圈的频率相同时，系统处于强耦合模式，通过中高频磁场可实现较大距离下电能的高效传输。

逆变谐振发射端

逆变谐振发射端电路工作时，电流完整路线见图3。

图1 矿井提升机载荷在线监控系统原理图

图2 磁耦共振式无线电能传输原理

整流滤波接收端

采用桥式整流电路作为接收端的整流电路见图4。单相不可控的桥式整流电路中交流电通过整流后，经C2的滤波作用，将整流滤波后的直流电输送给后端的电池负载。

图3 逆变谐振发射端电路图

图4 接收端整流电路

监控系统模块选型

为了达到检测系统的使用指标，满足实际应用的要求，选用高可靠性、功能强的芯片以及合理的电路来确保整个系统的正常运转。

模数转换模块

本系统选用的模块为基于双积分A/D转换电路的芯片ICL7135，该芯片的引脚如图5所示，为DIP28封装。抗干扰能力强、分辨率高，价格低廉。分辨率为14位二进制数，转换误差为1 LSB，转换输出为0～19 999；当测量量程为0～2 000 kN时，这样的精度使得仪表的分辨率达到0.1 kN；模拟输入可以是差动信号，输入阻抗极高，输入电压为0～1.9999 V；采用自动校零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性。由于7135输出的转换结果是动态扫描BCD码，因此一般采用并行接口与处理器连接，以节省处理器的硬件开销，同时8155中的定时器还可满足7135对时钟的需要。

图5 ICL7135芯片的引脚图

数据采集装置发射模块的选用

提升容器上处理器采集到的钢丝绳张力信号经过处理后以电磁波的形式发射，信号的中心频率为230 MHz。本系统选用500 mW的数传电台进行无线的数据传输。

该模块在视距情况下，天线放置高度位置＞2 m，可靠传输距离可达2 km (比特出错概率BER=10-3/1 200 bps)；可靠传输距离大于1 km(BER=10-3/9 600 bps)。

采集数据的传输

由于提升机的结构和矿井环境的限制，采集到的信号在本系统中采用无线加有线的传输方式进行传输，在井口、井底各放置一套无线接收站，接收容器上采集发射系统发送的无线信号，采集系统和发送系统采用无线充放电模组进行供电。

数据采集部分将传感器监测到的数值经过放大和滤波后，转化为数字信号，然后将数字信号传输给发射系统处理器。数据发送模块接收到传输而来的数字信号，通过内部处理器对数据进行进一步的处理，将数据整理、编码等，然后通过串行口将信号传输给信号调制芯片，调制好的数字信号由无线发射系统将信号发送出去。数据采集和发送系统框图如图6所示。

图6 数据采集和发射系统框图

图7 数据接收系统框图

在数据接收端，接收系统接收发送来信号，在调制解调芯片内将数据解调，解调后的数据传输给接收系统处理器，在处理器内将信号译码还原成钢丝绳张力信息，然后选择长距离串口方式将数据准确的传输给上位机控制箱。数据接收系统框图如图7所示。

研究结论

本系统的无线电能传输充放电模组采用自适应控制技术，能为锂电池、铅酸电池、镍氢电池和超级电容提供精确可靠的无线充电，保护和延长电池寿命。

本系统在罐笼/箕斗上安装无线充电接收模组，在井口井架上安装无线充电发射模组，现场采用抗冲击测力传感器、称重传感器和制动加速度传感器，通过数据采集系统测得提升机系统容器的载荷，并通过无线发射系统将信号持续发出，无线接收系统将接受到的信号传送至PLC和上位机。

本系统信号采集和发送均采用磁耦共振式的无线电能传输系统供电，从而避免了锂电池更换电池或铅酸蓄电池维护和更换需要人工操作导致的安全风险，减小了系统的维护工作量和系统部件更换成本，提高设备的运行效率。该系统目前已成功应用于甘肃省合作市早子沟金矿，运行状态良好，提高了提升机的本质安全水平，且该无线电能传输系统无需停车更换电池，实现了系统连续运行。过去传统人工换电池方式需48 h更换一次，每次换电池用时0.5～1 h。新系统提高了提升机效率，节省了更换电池人工费，累计年增经济效益1 000万元。

由于本矿井提升机载荷在线监控系统能够保障矿井提升机的安全、可靠、稳定运行，为下井工作人员提供了安全防护，又降低了人工操作更换提升机顶电池的人工成本和安全风险，提高了提升机的运行效率，具有良好的社会和经济效益，推广应用前景极佳。