基于光纤传感技术的煤矿机械设备安全监测系统设计
时间：2023-06-14 09:40:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王 将
（山西安标检验认证有限公司，山西 太原 030031）
随着煤炭资源的需求量越来越大，在煤炭行业的生产过程中已经形成了超高负荷，会造成各种各样的煤矿安全事故。其中以机械设备运行为主要调查对象，在煤矿开采过程中，存在大量设备机械化利用程度低等问题。多个机械设备同时运行过程中，若不能进行全面的安全监测，在设备发生故障时，工作人员不能第一时间接收到预警信号，威胁其生命安全[1-2]。
在煤矿机械设备运行过程中，当设备完成启动后，其闸瓦装置会与制动轮之间存在接触面积，一般情况下对设备进行监测是在运行阶段检查接触面积的变化情况，一旦接触面积小于60%，则两者之间会出现缝隙影响制动效果。原有监测系统受节点布控不合理影响，在进行接触面监测时，无法完全照顾到各个角落，在出现缝隙时无法发出预警，造成闸瓦和制动轮之间的间距过大，影响设备的制动效果[3]。本文以此为基础，应用光纤传感技术研究煤矿机械设备安全监测系统，为煤矿安全开采提供科学的理论指导。
在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）中，空间周期为a，具体布拉格波长计算如下：
式中：λB为Bragg 光栅波长；
neff为光栅的折射率；
Λ 为光栅空间周期。
Bragg 光栅对应力、温度有着非常灵敏的感应，应力引起光栅空间周期的变化和弹光效应，温度则是热膨胀与热光效应，则：
式中：T 为温度；
L 为光栅本身的长度，进一步换算：
式（5）中光栅波长的变化由等号右侧的几项决定。第一项是温度热效应引起的光栅空间周期变化，第二项是热光响应，第三项是应变，第四项是弹性光学效应。从上述公式可以看出，温度应变的变化会引起光纤布拉格光栅波长的变化。
一般情况下，在不受其他应力条件影响的情况下，光栅随温度呈线性变化，且传感器制作相对简单。在本文的第4 小节中，通过光纤布拉格光栅温度传感器采集了大量用于数据分析的温度数据。针对应用于煤矿的光纤温度传感器，进行了尾纤加工和传感器外壳加工，使其满足煤矿规章制度和煤矿环境的要求。
通过与悬臂梁等其他机械结构的组合，可以制成位移传感器；
可以通过在表面涂覆氢敏材料制成氢敏传感器；
可以在湿敏材料上涂覆湿敏材料，制成湿敏传感器。光纤布拉格光栅是在光纤的基础上发展而来的，它可以通过光纤的基本特性形成大容量的传感网络。
本次设计主要由光纤传感控制为中心，在多点位网络布局中进行数据采集和传输，重新完成机械设备的监测系统框架设计。根据煤矿自身的地形走向，将其分为开采区和运输区两个部分，在每个通道内构建光纤网络，对机械设备进行全方位的监测，具体框架示意图如图1 所示。
图1 矿区光纤网络拓扑结构
根据图1 中内容所示，在每个通路中安置光纤传感器，在各个节点处进行网络定位，通过传感器发出的信号标志，能够直接定位到机械设备的工作位置。其中光纤网络中心选用WSN 以太网关进行网络拓扑结构设定，通过NI9556 型号的无线网关，进行可编程通信处理，在多种开放式的通信标准下，传感器能够与其他硬件进行交流，并在INTERNET 远程登录中，查看机械设备的实时监测数据。
3.1 基于光纤传感技术设置设备监测节点
由于煤矿开采的特殊性，在引入大型机械设备进行作业时，需要对日常的运行状态进行监测，本次采用光纤传感技术进行节点设置，使得在煤矿开采的各个通路中，必须具备光纤环路的保护。在煤矿设备的运行过程中，穿插一个具有环路相切的网线结构通路，在光纤网络线路的等量节点中，设置每个运行通路汇集点的RTU 站点，用于收集和传输机械的运行数据。
在光纤传感技术中，尽可能地利用光纤开关进行监测，能够完成多个方向上和多个角度的数据追踪，发挥各个节点的检测功能。按照同时具备两组光纤传感技术的环网，完成煤矿机械设备的定点安置，以G1环路和G2 环路为两个监测网络，建设等长距离下各个机械设备到环网中心的节点位置，具体连接结构如图2 所示。
根据图2 中内容所示，在两个环路中分别连接不同的光纤网络，多个机械设备通过光纤通路进行连接，按照每个设备到环网中心的距离，对应设置多个数据监测节点，并以交接的R 站作为监测主站，能够满足最大监测距离，实现对全部设备的全网控制。
图2 光纤传感技术节点设置局部构图
根据光线传感技术布置的检测节点，在分簇的网络拓扑结构中，引入层次信誉管理理论，通过分层管理机制对各个节点的数据进行逐层的分析和处理，完成对煤矿生产全过程的机械设备的监控。按照信誉管理机制呈现的分层形式，对接收的节点数据直接划分为三个单元，以每个层级的不同功能形式进行数据处理，分别对光线传感监测节点进行解释。
3.2 光纤振动传感器设计
本文设计的光纤振动传感器中，k1为光纤的弹性系数，对于同种品质、同种类型、同种材料的光纤，k1相同；
k2为支撑杆的弹性系数；
c 为介质阻尼系数；
m为重块质量。则系统弹性系数k 为：
式中：ω 为频率，a0为振幅。
式中：δ 为阻尼系数；
ω0为固有频率。假设式（8）的特解为：
式中：B 为振幅；
φ 为初相位。
由式（9）得到：
图3 |、ξ、q 的关系图
应变-加速度灵敏系数K 为：
从以上结果可以看出，光纤振动传感器需要调整参数，使其振动时相变量相对较大。选择不同比例的黏滞阻尼材料，可以得到高灵敏度的光纤传感器。
3.3 层次信誉管理节点安全监测机械设备
层次信誉管理理论主要将节点分为3 个部分，从上至下排列出三个等级。第一层级为节点汇集中心，可对节点信誉值进行统一管理，实现各组数据中安全问题的筛选和标记。第二层级为簇头的组成集合，主要对各节点的数据进行整合，完成数据信息的信誉值判断和分析。第三层级主要包含大量的节点成员，负责机械设备运行的基本数据采集，可作为传感网络的实际目标，能够为安全监测提供真实的评价信息。
在汇集节点中，光纤传感器作为网络数据的融合终端，在层次信誉机制中处于最上层，需要发挥出最高的协同作用，其中汇集节点本身没有任何数据记录，是通过其他节点的数据传输，来判断各个节点数据的信誉问题，通过其所在分簇的位置，锁定目标数据的来源，但出现节点的问题故障时，可以进行分簇簇头的数据交互，以判断煤矿机械设备的运行状态。在层次信誉理论管理机制下，对光纤监测节点进行分区域处理，能够避免单个节点的多次利用，在长传重复数据的过程中，影响机械设备的监控效果。
由于各个节点中存在边际划分问题，在第二层级内直接对节点进行分类，通过多个节点簇头进行数据标记，按照整个光纤传感网络的信誉记录，实现各节点成员的数据传输请求，在其中分类整理出所需要的监测数据即可。至此在光纤传感技术的基础上，设置多个机械设备的监测节点，利用层次信誉管理理论机制，划分节点数据信誉区域并对其进行监测，完成煤矿机械设备的安全监测系统设计。
为验证此次设计的系统具有实际应用效果，能够对煤矿机械设备进行安全监测，采用实验测试的方法进行论证。测试运行过程中，对闸瓦接触面积进行全方位监测，保障煤矿机械设备的稳定操作，减少故障发生的次数。闸瓦接触面积表示闸瓦在制动过程中能够接触到制动盘的面积，对其进行全面监控，能够及时调整闸瓦的间隙大小。
以某省实际开采的矿区为测试环境，选择三组运行设备进行测试，在闸瓦制动时与制动轮的接触面积不可低于60%，一旦出现接触面积过低的现象，则表示设备闸瓦与制动盘之间存在间隙。采集运行4 h 后的闸瓦接触面积变化数据，对三组设备的运行情况进行统计，具体如表1 所示。
表1 机械设备运行过程中闸瓦接触面积 %
根据表中内容所示，此次截取了5 h 的运行数据。在三组机械设备中，初始的接触面积最大可达到98%。随着运行时间的增加，接触面积逐渐减少，其中A1 组设备在16：00 的面积低于60%，表示出现接触缝隙，若长时间保持该状态运行，超过2 mm 间隙时会影响闸瓦的制动效果，发生设备故障。
将出现问题的A1 设备数据，导入至MATLAB 测试平台，引入本文系统进行设备监测，与原有系统进行对照测试。采用检测仪器测定两组设备的缝隙大小，A1 组设备的缝隙为2.56 mm，发生了设备故障。为保证测试环节的真实性，在平台中直接模拟两组设备的运行数据，采用两种系统进行设备监控，在多轮测试模拟下，统计设备闸瓦与制动轮的缝隙，具体结果如下页表2 所示。
表2 不同系统下机械闸瓦与制动轮间隙大小 mm
根据表1 中内容所示，在本文系统的应用下，设备的间隙均控制在0.55 mm 以内，说明可以准确监测闸瓦接触面积变化，在发生问题时进行调整，保证闸瓦的有序制动。
而传统系统的监测效果不理想，设备的间隙没有发生变化，在闸瓦接触面积中不能做到精准监测，导致闸瓦与制动轮的间隙过大，影响后续制动效果。
综合结果可知：以闸瓦接触面积作为测试对象，本文系统能够精准完成监测，保证闸瓦与制动轮的间隙在标准范围内，实现煤矿机械设备的稳定运行，具有实际应用效果。
本文在分析光纤传感技术的优势上，完成设备的实时监控系统设计。实验结果表明：以闸瓦的接触面积作为监测对象，本系统能够精确完成多个节点的布控，保证闸瓦与制动轮的间隙在0.55 mm 以内，不影响设备的制动效果，具有实际应用意义。
本文所设计的系统没有对实际监测到的面积进行统计，所得结论具有一定偏差性。后续研究中会对实际的应用过程进行测试，为煤矿的机械安全生产提供理论基础。
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