适用于煤矿井下自动风门地感线圈的研制.doc

适用于煤矿井下自动风门地感线圈的研制 摘要矿井通风系统是矿井的呼吸系统，对矿井通风系统管理的好坏决定矿井的正常生产秩序，决定矿井在灾变时的抗灾水平，自动风门在这一过程中扮演着十分重要的角色，在很大程度上决定了抢险救灾工作的成败。本文从煤矿现场的实际工作需求出发，设计并制作了一种适用于煤矿井下自动风门的防爆型地感线圈，实践表明，该线圈能很好的满足煤矿现场的实际工作的要求。 关键词煤矿 闭环监测 自动风门 远程控制 地感线圈 0 引言 矿井通风是煤矿安全生产的基础，它不但具有向井下各用风地点输送新鲜风流，保障井下作业人员的呼吸的重要功能，同时，还肩负着稀释、排除矿井瓦斯与粉尘以及作业区间的降温等重任[1]。近年来，随着矿井向集约化发展，大型和特大型矿井的出现已使矿井通风方式突破了原有的中央式、对角式、混合式等简单方式[2]，而出现了安全可靠性更强的区域式通风布置，即将矿井划分为若干个区域，每个区域均有一组进、回风井，各个区域相对独立的通风方式[3]。在这种集约化生产方式下，通风系统就显得格外重要，更要求通风系统具有较强的稳定性、可靠性和合理性[4]，具有较强的抗灾能力。但是，集约化生产同时也给我们带来许多难题和挑战，需要我们进一步研究出适应现代化、集约化、大型及特大型矿井通风的技术和装备。通常情况下，矿井通风系统从监测、分析到控制决策是相互脱节的。如监测系统对通风系统进行监测，然后技术人员再对通风系统的相关数据进行分析（必要时还要进行人工测定）和评价，找出不合理的因素，提出改造方案，最后再对通风系统进行调整和改造[5]。这种从监测、分析到决策控制的开环过程，需要花费较长的时间，待作出通风系统调整或改造的决策后，可能原有的通风系统已经改变。要实现对矿井通风系统实时闭环监测、分析与决策控制，必须从技术上提高现有的通风设施、设备的自动化、智能化水平[6]。 自动风门在矿井通风系统的智能化优化过程中扮演着十分重要的角色，实践表明，在传统的自动控制方式很不理想的现实情况下，地感线圈的应用将会解决以往出现的难题。地感线圈是一种埋于地下的电感线圈，在通电的情况下，地感线圈周围会产生稳定的电磁场，当有金属导电物质通过并切割磁力线时，磁场和线圈的电感量都会发生改变，这样就可以利用一些检测装置通过检测其电感量的变化来检测有无金属物体通过，再据此发出控制信号。地感线圈技术在近两年已经得到突飞猛进的发展，已广泛地应用于交通、住宅小区和停车场等处的大门管理，进行有、无车的识别。当车辆通过埋有地感线圈的地面时，由于车底的铁板引起电感量的变化，当检测装置检测到电感发生变化后，便得到车辆通过的信息，继而发出控制信号，控制大门的开、关、停等状态。地感线圈虽然已经较广泛地应用于交通等行业，但还没有应用于煤矿井下，也就是说其产品没有解决防爆问题。众所周知，本安电路最关键的因素之一是电容和电感元件，而地感线圈本身就是一个大电感元件，检测电路也是一个基本的LC振荡回路，要解决防爆问题，首先要优化电路参数，合理匹配振荡回路的能量。本文经过大量的研究和试验，终于研制成功可用于煤矿井下的地感线圈。 1 工作原理 测量电感的方法多采用阻抗法和电桥法。阻抗法适宜测量较大的电感，但精度不高；而电桥法虽然测量精度较高，但操作烦琐，过程较长，浪费时间。采用传统模拟电路存在难以克服的缺陷，即如果灵敏度设置得太高，环境变化所带来的影响往往会引起误动作；如果灵敏度设置得比较低，又可能发生漏检。本文在大量的调研和实验研究工作的基础之上，采用现代电子设计潮流，对地感线圈检测装置进行了重新设计，LC回路的原始振荡信号（模拟信号）被量化。将LC振荡电路输出的正弦振荡信号送入整形电路后，并将得到的方波信号送入89C2051的P3.5（T1）中。在TI的计数器工作方式下，当信号由高电平变为低电平时，计数器加1。定时器T0中断的同步启动计数器T1，当定时到5ms以后，用计数值经过运算就可以计算出被测电感的值。计算出的数字信号再通过MCU进行计算，随时跟踪微小的频率漂移，将参考量变成数字化的和动态的，有效克服了模拟电路处理的弊病。特别的，本设计采用了高性能集成电路和手动复位（WDT）的单片机设计而成，具备工作稳定，调试简单、地感线圈适应性好等特点。地感线圈经过特殊处理和封装，非常适合具有爆炸危险的场合使用。地感线圈检测装置工作原理如图1所示。 2 检测电路的硬件设计 地感线圈检测装置的硬件主要由检测电路和控制电路构成[7，8]。检测电路用于检测电感量的变化，控制电路作用是在检测到电感量变化以后发出控制信号。该电路主要由被测电感（地感线圈）、电容和整形电路组成。其原理是利用LC振荡电路产生正弦信号，送入整形电路。最后输出为方波信号。其电路如图2所示，其中，L1即为地感线圈。 3 检测电路的软件设计 检测电路的软件流程框图如图3所示。电感自检如果电感连接不正确或没有连接电感或电感损坏或电感量超出范围时，则定时中断中的记数值d为零。上电以后程序会在一个定时中断以后检测变量d，如果d为零，则认为电感存在问题，蜂鸣器报警。否则程序向下执行；初始状态的设定有、无车通过的状态会引起电感的变化，为减小计算误差，本程序是通过判断周期的大小来实现电感检测的，因此，初始状态的设定就是对初始周期（T1）的设定。在确认电感连接正确以后，判断是否有按键按下，如果有复位键按下，则对初始周期进行修改；如果没有，向下执行程序。 初始周期是对无车状态的初始设定，记下初始周期的同时就是记下了无车状态下的电感量。以后只要检测到某一周期与初始周期的差大于某一数值δT时，即认为有车。初始周期T以及变量δT的计算方法如式1、式2和式3所示。 4 地感线圈灵敏度测算 地感线圈的灵敏度与初始电感量δT有着密切的关系。图3中LC振荡电路可知，被测电感可按式4计算 式中L被测电感的电感量，μH； T初始周期，μs； C有公式5确定的电容值，μF。 将式（1）、（2）分别代入式（3）可得到式（6）。 由式（6）可知影响系统灵敏度的只有记数值d，d越大，δT就越小，系统灵敏度越高。增加d的办法只有在单位时间内（5ms）增加信号的振荡频率，而影响线圈振荡频率的因素有两个即检测电路的参数和被测电感的大小。在检测电路的参数已经确定的情况下，地感线圈的电感量就决定着系统的灵敏度。地感线圈的电感量对系统灵敏度的影响可采用下述方法估计。 根据式（4）可知，T时的电感量L■，T1时的电感量为L1■，因此δL如式（7） 将式（1）、式（2）以及电路参数分别代入式（7），计算可得电感增量 即只要系统检测到电感量与标准电感量L1（由初始周期计算出的电感值）的差大于δL，系统就认为有车到来。由式（8）可知影响δL的只有变量d，d与δL成反比例关系，而d会随地感线圈电感量的变化而不同，当地感线圈的电感L增加时，周期T增加，频率F减小，则d减小，δL增加。因此地感线圈本身的电感量越大，系统的灵敏度就越小。为防止因电感的漂移所带来的误操作，应保证δL≥1μH，即地感线圈的电感应大于150μH。 5 地感线圈的芯线与封装处理 地感线圈的芯线采用截面积0.75mm2的多股护套线，如图4所示。将多股护套线穿入PVC管中，然后用环氧树脂封装，并引出两条接线，就形成了可用于煤矿井下的防爆、防水、防潮及防腐的地感线圈。 6 结论 本文研制了适用于煤矿井下的自动风门的地感线圈，该线圈较传统的控制方法具有如下的优点结构简单，埋在地面以下，可以避免意外破坏和人为破坏，也不占用井下巷道空间；线圈可以密封在保护外套内，可以防水防潮；传感器线圈无其它电子元件，使用寿命长；地感线圈传感器仅感测金属矿车的通过，对工人的通行没有感应，有效地做到了人、车信号分离，有利于进行程序控制，同时也避免了上下班时频繁地启动气动装置，有利于提高自动风门的寿命。实践表明，该线圈能很好的满足煤矿井下实际工作的需要。 参考文献 [1]王洪德，马云东.矿井通风系统可靠性理论与应用研究[M].北京煤炭工业出版社，2004. [2]杜栋，庞庆华.现代综合评价方法与案例精选[M].北京清华大学出版社，2005. [3]叶义成，柯丽华，黄德育.系统综合评价技术及其应用[M].北京冶金工业出版社，2006. [4]王英敏.矿井空气动力学与矿井通风系统[M].北京冶金工业出版社，1994. [5]黄祥瑞.可靠性工程[M].北京清华大学出版社，1990. [6]刘法治.PLC在矿井通风控制系统中的应用[J].化工自动化及仪表，2007，34（6）88-89. [7]张国建.掘进工作面智能通风控制系统的设计与应用[J].煤炭科学技术，2008，36（5）76-79. [8]盛同平，彭担任.掘进工作面通风监控系统的OPC通讯[J].矿业安全与环保，2009，36（03）41-42，45. 作者简介 王俊章（1972-），山西襄垣人，毕业于山西矿院，目前从事煤矿技术管理工作。