原紅飛

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046032)

在生產(chǎn)和生活中，節(jié)能不僅能夠節(jié)約成本的損耗，也能夠有效地避免不必要的設(shè)備損耗。在我國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域均有不同的科研人員設(shè)計(jì)節(jié)能的照明系統(tǒng)，比如聲控?zé)簟⒐饪責(zé)舻?，同樣，煤礦井下的照明要求更高，幾乎是24 h不間斷使用，因此耗電量更大。隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，目前智慧照明系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用在了各個(gè)行業(yè)，建設(shè)一套適用于礦井的智慧照明系統(tǒng)就顯得十分必要了。

礦用巷道燈廣泛適用于有甲烷、煤塵等爆炸性混合氣體的環(huán)境，用作巷道或固定地點(diǎn)的照明，比如在煤礦運(yùn)輸大巷、井底車(chē)場(chǎng)、機(jī)電硐室等地點(diǎn)均普遍使用。巷道燈一般具備防爆等級(jí)高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井智慧照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1) 設(shè)計(jì)一套既能雙向通信，又能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的高性能智慧照明分站，按照“符合規(guī)程、按需照明、動(dòng)態(tài)調(diào)整”的原則，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、光強(qiáng)適度功能，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間小于5sec。

2) 設(shè)計(jì)智慧照明嵌入式控制裝置，安裝在巷道燈配電裝置內(nèi)的防爆腔中，實(shí)現(xiàn)智慧照明控制動(dòng)態(tài)調(diào)整及時(shí)。

3) 設(shè)計(jì)基于煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件系統(tǒng)平臺(tái)，與智慧照明嵌入式控制裝置配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2 應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)

物聯(lián)網(wǎng)智慧照明系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)智慧照明系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)和參數(shù)

1.3 組網(wǎng)原理及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

1) 物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，通過(guò)各種可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理，將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)利用智慧照明技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED照明應(yīng)用的需求，拓展能力好，可以有效節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

2) 采用基于物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee無(wú)線模塊構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)LED照明系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。ZigBee能夠在數(shù)千個(gè)微小的傳感傳動(dòng)單元之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，并且這些單元只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以它的通信效率非常高，這種技術(shù)低功耗、抗干擾、高可靠、易組網(wǎng)、易擴(kuò)容、易使用、易維護(hù)、便于快速大規(guī)模部署等特點(diǎn)順應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求和趨勢(shì)。

3) 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，傳輸采用RS485傳輸模式，利用雙絞線或監(jiān)控電纜實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸。距離較短時(shí)采用雙絞線，距離長(zhǎng)時(shí)使用專用阻抗匹配(一般為120 Ω)的RS485專用電纜，干擾嚴(yán)重的地方需要使用屏蔽式電纜，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等一系列現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行融合，具備非常豐富且能夠不斷擴(kuò)展的功能。

2 雷達(dá)感應(yīng)LED巷道燈的設(shè)計(jì)

2.1 感應(yīng)燈的設(shè)計(jì)

首先在感應(yīng)燈具里面，雷達(dá)感應(yīng)比原來(lái)傳統(tǒng)的聲控感應(yīng)和人體紅外感應(yīng)更智能，雷達(dá)感應(yīng)的是明顯的移動(dòng)物體，感應(yīng)靈敏度比較高，人來(lái)燈亮人走燈滅或者微亮，感應(yīng)距離也比較遠(yuǎn)(可達(dá)5～10 m)，人未到燈已亮，而且不受環(huán)境和聲音分貝的影響，雷達(dá)感應(yīng)可以穿透非金屬物體來(lái)感應(yīng)，無(wú)需外露感應(yīng)探頭，隱秘性比較高不會(huì)影響燈具外觀。但是雷達(dá)感應(yīng)怕金屬，金屬會(huì)屏閉感應(yīng)信號(hào)，所以建議燈具安裝時(shí)感應(yīng)面不要有金屬物體遮擋，最好盡量避免靠近金屬物體，并且燈與燈之間安裝間隔最少在2.5 m以上。目前，雷達(dá)感應(yīng)也是替代傳統(tǒng)聲控感應(yīng)和紅外人體感應(yīng)的最佳選擇。

2.2 雷達(dá)感應(yīng)電器設(shè)計(jì)

微波感應(yīng)控制器采用STM32系列中央處理器，由覆銅板環(huán)形線路和微波電路組成一個(gè)微波振蕩器，環(huán)形天線既做發(fā)射信號(hào)用，同時(shí)也用于接收反射回波用。其控制器軸線方向產(chǎn)生一個(gè)橢圓形半徑為0～5.5 m空間微波識(shí)別區(qū)，當(dāng)人體或車(chē)輛活動(dòng)時(shí)，天線接收到回波信號(hào)后，在半導(dǎo)體PN結(jié)與原微波混頻后差拍得到頻移信號(hào) 。該信號(hào)通過(guò)微波專用處理電路，將小動(dòng)物、遠(yuǎn)距離的物體晃動(dòng)、高頻雜波信號(hào)等引起的干擾去除，避免誤觸發(fā)，提高可靠性。將一定強(qiáng)度的頻移信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)，電路只識(shí)別脈沖足夠?qū)挼膯误w信號(hào)，如人體、車(chē)輛其鑒別電路才被觸發(fā)。微波感應(yīng)控制器工作非?？煽?，一般沒(méi)有誤報(bào)，比紅外線、超聲波等原理的觸發(fā)電路更為可靠，是目前用于安全防范和自動(dòng)監(jiān)控的最佳產(chǎn)品，其檢測(cè)靈敏度高，探測(cè)范圍寬，誤觸發(fā)極低，能在-25～+45°的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,非常適合井下復(fù)雜環(huán)境下使用。

3 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井智慧照明系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用效果，在對(duì)漳村礦幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)考察調(diào)研后，選擇在漳村礦井下二部膠帶巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

安裝完成后，當(dāng)人員靠近感應(yīng)燈時(shí)，燈光變亮，當(dāng)人員遠(yuǎn)離后，燈光變暗。經(jīng)濟(jì)效益分析如下。

3.1 未采用智能燈時(shí)的耗電量

按照每盞燈功率為18 W計(jì)算，在未實(shí)行自動(dòng)控制之前，每日每盞燈的的耗電量為：

18×24=432 W·h

按照每5 m一盞燈計(jì)算，一條1 000 m的巷道需安裝燈200盞，累計(jì)日耗電量為：

432×200=86 400 W·h

3.2 采用智能燈時(shí)的耗電量

智能燈在待機(jī)狀態(tài)下，每日每盞燈的功率約為6 W，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮人員經(jīng)過(guò)主要集中在上下班期間，每天有6 h采用高功率供電。1 000 m巷道實(shí)際用電量為：

6×18+18×6=216 W·h

同樣按照每千米巷道200盞燈計(jì)算，累計(jì)日耗電量為：

216×200=43 200 W·h

綜上，井下每1 000 m巷道日節(jié)約電量為86 400-43 200=43 200 W·h，節(jié)電效率提升50%。漳村礦膠帶巷共計(jì)照明燈1 600余個(gè)，預(yù)計(jì)全部采用后可節(jié)約電量259.2 kW·h，按照每千瓦電費(fèi)0.844元計(jì)算，每日可節(jié)約用電成本218.7元，全年累計(jì)節(jié)約資金近8萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

漳村礦采用本項(xiàng)目成果后，照明能耗大大降低，應(yīng)用結(jié)果表明：整個(gè)工作面照明節(jié)能平均率均達(dá)到 50%以上，較原先節(jié)能技術(shù)提高 30 個(gè)百分點(diǎn)以上。實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)降低能耗，可以實(shí)現(xiàn)其他控制方式不能達(dá)到節(jié)能效果，突破性地解決了節(jié)能降耗的難題，一次投入，長(zhǎng)期受益，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。