煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统及方法

摘要

一种煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统及方法，属于电缆收放机系统及方法。包括设在工作机上的第一感知单元和第一信号处理单元，以及设在煤矿井下防爆电缆收放机上的第二感知单元、第二信号处理单元和控制中心；第一感知单元包括流量传感器和测力传感器；第二感知单元由煤矿井下防爆电缆收放机内部感知单元和外部感知单元两部分构成；第一信号处理单元和第二信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器；控制中心包括主控制PLC处理器、人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统。优点：该系统有效、快速、可靠地排除防爆电缆收放机的故障，实现煤矿井下防爆电缆收放机的自动控制。

权利要求

1.一种煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统，其特征是：它包括设在工作机上的第一感知单元和第一信号处理单元，以及设在煤矿井下防爆电缆收放机上的第二感知单元、第二信号处理单元和控制中心；

所述第一感知单元由工作机内部感知单元构成，工作机内部感知单元包括流量传感器和测力传感器；流量传感器有两个分别为第一流量传感器和第二流量传感器，分别布置在工作机的两个行走马达上，在工作机工作时测定工作机的行走速度；测力传感器布置在工作机电缆接入点，用于测定所拖拽电缆的拉力；

所述第二感知单元由煤矿井下防爆电缆收放机内部感知单元和外部感知单元两部分构成，其中外部感知单元包括超声波传感器，内部感知单元包括流量传感器；流量传感器有一个为第三流量传感器，布置在电缆收放机卷缆马达上，用于测定卷缆速度；超声波传感器有六个，分别为第一超声波传感器（C1）、第二超声波传感器（C2）、第三超声波传感器（C3）、第四超声波传感器（C4）、第五超声波传感器（C5）和第六超声波传感器（C6），分别布置在煤矿井下防爆电缆收放机周围，用于测定煤矿井下防爆电缆收放机与周围机械的距离；

所述的第一信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第一PLC处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和第一PLC处理器，信号采集和第一PLC处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制PLC处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；

所述的第二信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第二PLC处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和第二PLC处理器，信号采集和第二PLC处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制PLC处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；

所述的控制中心包括主控制PLC处理器、控制中心无线收发模块、人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统；其中，所述的控制中心无线收发模块与信号处理单元的无线收发模块配套，并与主控制PLC处理器连接，主控制PLC处理器还分别与人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统连接。

2.一种煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统的使用方法，其特征是包括如下步骤：

(1)煤矿井下防爆电缆收放机开始工作时，故障监控系统初始化，载入预先设定的故障检测指标和阈值；

(2)故障监控系统运行时，安装在设备上的内部感知单元和外部感知单元开启，对设备进行监测，采集到的信号经过信号调理电路和模/数转换后，传送给信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器；

(3)信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器得到信号后，进行预处理，并对信号进行分析后作出初步判断，将结果和相应的监测信号经无线收发模块传送给控制中心的主控制PLC控制器；

(4)主控制PLC控制器对接收到的判断结果和信号进行更详尽的分析和处理，对煤矿井下防爆电缆收放机卷缆状态进行控制；若确定有故障发生，则一方面控制声光报警电路进行报警，另一方面分析出故障发生点和故障发生原因信息，通过人机交互设备提供给现场工程人员查看，同时存储在数据存储设备中，并依照预先内置的故障处理算法，控制煤矿井下防爆电缆收放机做出相应的动作，以免造成不必要的损失；若无故障发生，主控制PLC控制器则根据工作机的运行状态，通过卷缆设备控制系统实时调整煤矿井下防爆电缆收放机的电缆收放速度，以适应工作机的运行状态；同时将设备运行状态通过人机交互设备提供给现场工程人员查看。

说明书

煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电缆收放机系统及方法，特别是一种煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统及方法。

背景技术

[0002] 煤矿井下普掘工作面的行走机械工作时，电缆收放工作都是由人工来完成的，没有现成的机器设备。目前金属矿中使用的卷缆设备多是集成在工作机上，且不具有防爆特性。如果对煤矿井下的行走机械进行改进，集成防爆电缆卷筒，不仅要对现有的机器进行重新设计，带来复杂的工作量，还会使现有的机械设备变得复杂化，且体积变大，给使用带来不便。在申请号为201020276705.3的专利文献中，公开了《矿用多功能履带车》，该实用新型专利为煤矿井下的电缆收放等提供了装备，但其是手动控制。在粉尘和噪声较大时，便不能有效的对电缆进行收放。在专利号为201120380609.8的专利文献中，公开了《一种防爆电缆收放机》，该机针对煤矿井下普掘工作面的特点，实现了机器的遥控控制，虽然解决了工作面粉尘的影响，但是机器仍由人工控制，容易因误操作使电缆承受过大的拉力，也未能对设备运行状态进行实时监控，限制了该装备的高效率工作，制约了设备的稳定性和可靠性，降低了设备的使用寿命，给安全生产留下了隐患。

发明内容

[0003] 本发明的目的是要提供一种煤矿井下防爆电缆收放机的故障监控系统及方法，解决了煤矿井下防爆电缆收放机工作过程中电缆收放延迟大、电缆承受过大的拉力的问题，完成煤矿井下防爆电缆收放机的自动控制及其运行参数和状态的实时监测，实现煤矿井下防爆电缆收放机运行的自动化、智能化、可视化和人性化。

[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统包括设在工作机上的第一感知单元和第一信号处理单元，以及设在煤矿井下防爆电缆收放机上的第二感知单元、第二信号处理单元和控制中心；

[0005] 所述第一感知单元由工作机内部感知单元构成，工作机内部感知单元包括流量传感器和测力传感器；流量传感器有两个分别为第一流量传感器和第二流量传感器，分别布置在工作机的两个行走马达上，在工作机工作时测定工作机的行走速度；测力传感器布置在工作机电缆接入点，用于测定所拖拽电缆的拉力；

[0006] 所述第二感知单元由煤矿井下防爆电缆收放机内部感知单元和外部感知单元两部分构成，其中外部感知单元包括超声波传感器，内部感知单元包括流量传感器；流量传感器有一个为第三流量传感器，布置在电缆收放机卷缆马达上，用于测定卷缆速度；超声波传感器有六个，分别为第一超声波传感器C1、第二超声波传感器C2、第三超声波传感器C3、第四超声波传感器C4、第五超声波传感器C5和第六超声波传感器C6，分别布置在煤矿井下防爆电缆收放机周围，用于测定煤矿井下防爆电缆收放机与周围机械的距离；

[0007] 所述的第一信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第一PLC处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和第一PLC处理器，信号采集和第一PLC处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制PLC处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；

[0008] 所述的第二信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第二PLC处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和第二PLC处理器，信号采集和第二PLC处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制PLC处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；

[0009] 所述的控制中心包括主控制PLC处理器、无线收发模块、人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统；其中，所述的无线收发模块与信号处理单元的无线收发模块配套，并与主控制PLC处理器连接，主控制PLC处理器还分别与人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统连接。

[0010] 煤矿井下防爆电缆收放机故障监控的方法如下：

[0011] (1)煤矿井下防爆电缆收放机开始工作时，故障监控系统初始化，载入预先设定的故障检测指标和阀值；

[0012] (2)故障监控系统运行时，安装在设备上的内部感知单元和外部感知单元开启，对设备进行监测，采集到的信号经过信号调理电路和模/数转换后，传送给信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器；

[0013] (3)信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器得到信号后，进行预处理，并对信号进行分析后作出初步判断，将结果和相应的监测信号经无线收发模块传送给控制中心的主控制PLC控制器；

[0014] (4)主控制PLC控制器对接收到的判断结果和信号进行更详尽的分析和处理，对煤矿井下防爆电缆收放机卷缆状态进行控制；若确定有故障发生，则一方面控制声光报警电路进行报警，另一方面分析出故障发生点和故障发生原因等信息，通过人机交互设备提供给现场工程人员查看，同时存储在数据存储设备中，并依照预先内置的故障处理算法，控制煤矿井下防爆电缆收放机做出相应的动作，以免造成不必要的损失；若无故障发生，主控制PLC控制器则根据工作机的运行状态，通过卷缆设备控制系统实时调整煤矿井下防爆电缆收放机的电缆收放速度，以适应工作机的运行状态；同时将设备运行状态通过人机交互设备提供给现场工程人员查看。

[0015] 有益效果：由于采用了上述方案，安装有故障监控系统的煤矿井下防爆电缆收放机能够自动根据工作机的行走速度进行电缆收放，并且能够及时检测故障、分析故障和排除故障，并能实时显示设备运行状态，实现了设备运行的自动化、智能化、可视化和人性化。煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统以PLC处理器为核心，综合了传感器抗干扰能力强、可靠性高和PLC使用方便，编程简单，系统构成灵活，扩展容易的特点；数据处理单元和控制中心之间采用无线通信技术，灵活性高，成本低，可靠性高；人机交互设备实时显示设备运行状态和故障信息，使工程人员能够及时直观掌握现场状况，提高了故障监测系统的人性化。解决了煤矿井下防爆电缆收放机工作过程中电缆收放延迟大、电缆承受过大的拉力的问题，完成煤矿井下防爆电缆收放机运行参数和状态的实时监控，实现了煤矿井下防爆电缆收放机运行的自动化、智能化、可视化和为性化，达到了本发明的目的。

[0016] 优点：该煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统及方法可靠性和智能化程度高，同时复合使用多传感器，并通过人机交互设备实时显示机器工作状态和故障信息。整套系统能够有效、快速、可靠地排除防爆电缆收放机的常见故障，实现煤矿井下防爆电缆收放机的自动控制。

附图说明

[0017] 图1为本发明防爆电缆收放机结构图。

[0018] 图2为本发明工作机结构图。

[0019] 图3为本发明所述的煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统及方法示意框图。

[0020] 图4为本发明所述的煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统及方法总流程图。

[0021] 图中：1、托缆机构；2、排缆器；3、卷筒；4、泵站；5、卷缆马达；6、电缆。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0023] 实施例1：煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统包括设在工作机上的第一感知单元和第一信号处理单元，以及设在煤矿井下防爆电缆收放机上的第二感知单元、第二信号处理单元和控制中心；

[0024] 所述第一感知单元由工作机内部感知单元构成，工作机内部感知单元包括流量传感器和测力传感器；流量传感器有两个分别为第一流量传感器和第二流量传感器，分别布置在工作机的两个行走马达上，在工作机工作时测定工作机的行走速度；测力传感器布置在工作机电缆接入点，用于测定所拖拽电缆的拉力；

[0025] 所述第二感知单元由煤矿井下防爆电缆收放机内部感知单元和外部感知单元两部分构成，其中外部感知单元包括超声波传感器，内部感知单元包括流量传感器；流量传感器有一个为第三流量传感器，布置在电缆收放机卷缆马达上，用于测定卷缆速度；超声波传感器有六个，分别为第一超声波传感器C1、第二超声波传感器C2、第三超声波传感器C3、第四超声波传感器C4、第五超声波传感器C5和第六超声波传感器C6，分别布置在煤矿井下防爆电缆收放机周围，用于测定煤矿井下防爆电缆收放机与周围机械的距离；

[0026] 所述的第一信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第一PLC处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和第一PLC处理器，信号采集和第一PLC处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制PLC处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；

[0027] 所述的第二信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第二PLC处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和第二PLC处理器，信号采集和第二PLC处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制PLC处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；

[0028] 所述的控制中心包括主控制PLC处理器、无线收发模块、人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统；其中，所述的无线收发模块与信号处理单元的无线收发模块配套，并与主控制PLC处理器连接，主控制PLC处理器还分别与人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统连接。

[0029] 煤矿井下防爆电缆收放机故障监控的方法如下：

[0030] 1、煤矿井下防爆电缆收放机开始工作时，故障监控系统初始化，载入预先设定的故障检测指标和阀值；

[0031] 2、故障监控系统运行时，安装在设备上的内部感知单元和外部感知单元开启，对设备进行监测，采集到的信号经过信号调理电路和模/数转换后，传送给信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器；

[0032] 3、信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器得到信号后，进行预处理，对信号进行分析后作出初步判断，将结果和相应的监测信号经无线收发模块传送给控制中心的主控制PLC控制器；

[0033] 4、主控制PLC控制器对接收到的判断结果和信号进行更详尽的分析和处理，对煤矿井下防爆电缆收放机卷缆状态进行控制；若确定有故障发生，则一方面控制声光报警电路进行报警，另一方面分析出故障发生点和故障发生原因等信息，通过人机交互设备提供给现场工程人员查看，同时存储在数据存储设备中，并依照预先内置的故障处理算法，控制煤矿井下防爆电缆收放机做出相应的动作，以免造成不必要的损失；若无故障发生，主控制PLC控制器则根据工作机的运行状态，通过卷缆设备控制系统实时调整煤矿井下防爆电缆收放机的电缆收放速度，以适应工作机的运行状态；同时将设备运行状态通过人机交互设备提供给现场工程人员查看。

[0034] 图1和图2中，以煤矿井下防爆电缆收放机和矿用侧卸式装岩机（工作机）为平台展现所述故障监控系统的主要结构。

[0035] 所述煤矿井下防爆电缆收放机及工作机由图1所示的防爆电缆收放机和图2所示侧卸式装岩机构成。

[0036] 所述的流量传感器A有三个，分别是布置在侧卸式装岩机的两个行走马达上的第一流量传感器A1、第二流量传感器A2和布置在该防爆电缆收放机的卷缆马达上的第三流量传感器A3。

[0037] 所述的测力传感器B有一个，布置在侧卸式装岩机所连接的电缆上。

[0038] 所述的超声波传感器C有六个，为均布在该防爆电缆收放机的周围的第一超声波传感器C1、第二超声波传感器C2、第三超声波传感器C3、第四超声波传感器C4、第五超声波传感器C5和第六超声波传感器C6。

[0039] 图3中，本发明所述煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统由设在侧卸式装岩机（工作机）上的第一感知单元和第一信号处理单元，以及设在煤矿井下防爆电缆收放机上的第二感知单元、第二信号处理单元和控制中心五大部分构成；所述第一感知单元由工作机内部感知单元构成，其中包括流量传感器和测力传感器；所述第二感知单元由煤矿井下防爆电缆收放机内部感知单元和外部感知单元两部分构成，其中外部感知单元包括超声波传感器，内部感知单元包括流量传感器；所述第一信号处理单元和第二信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第一处理PLC和第二PLC处理器；所述的控制中心包括主控制PLC、人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统。

[0040] 所述煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统第一感知单元的内部感知单元由流量传感器和测力传感器组成；流量传感器有两个第一流量传感器A1和第二流量传感器A2，分别布置在工作机的两个行走马达上，在工作机工作时测定工作机的行走速度；测力传感器B布置在工作机电缆接入点，用于测定所拖拽电缆的拉力。

[0041] 所述煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统第二感知单元内部感知单元由流量传感器组成；流量传感器有一个第三流量传感器A3，布置在煤矿井下防爆电缆收放机卷缆马达上，用于测定卷缆速度。

[0042] 所述煤矿井下防爆电缆收放机故障监控系统第二感知单元外部感知单元由超生波传感器组成；超声波传感器有六个，分别为第一超声波传感器C1、第二超声波传感器C2、第三超声波传感器C3、第四超声波传感器C4、第五超声波传感器C5和第六超声波传感器C6，分加布置在煤矿井下防爆电缆收放机周围，用于测定防爆电缆收放机与周围机械的距离。

[0043] 所述的第一信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第一PLC处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和第一PLC处理器，信号采集和第一PLC处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制PLC处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口。

[0044] 所述的第二信号处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、信号采集和第二处理PLC处理器、无线收发模块、看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口；其中，所述的信号调理电路输出端接入模/数转换电路，模/数转换电路输出端接入信号采集和第二PLC处理器，信号采集和第二PLC处理器接有无线收发模块，用以与控制中心的主控制PLC处理器进行通信，同时还接有看门狗电路、时钟芯片和外部扩展电路接口。

[0045] 所述的控制中心包括主控制PLC处理器、无线收发模块、人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备和卷缆设备控制系统；其中，所述的无线收发模块与信号处理单元的无线收发模块配套，并与主控制PLC处理器连接，主控制PLC处理器还分别与人机交互设备、声光报警电路、数据存储设备连接和卷缆设备控制系统。

[0046] 所述三种PLC处理器均选用西门子PLC S7-200；

[0047] 所述的无线收发模块均采用无线收发芯片NRF24L01

[0048] 图4中，所述的监控方法，侧卸式装岩机和煤矿井下防爆电缆收放机开始工作时，系统开始工作。系统完成初始化，载放预先设定的控制和故障监测指标和危险阀值；安装在设备上的内部感知单元和外部感知单元开启，对设备的运行状态进行实时监测；感知单元采集到的信号经过信号调理电路和模/数转换电路处理后，转换为PLC处理器可以接收的数字信号，传送给信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器，信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器得到信号后，进行初步分析和判断，并将信号处理为可无线发射的信号。

[0049] 如果信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器判断系统无故障发生，则将经过处理的相应检测信号经无线收发模块NRF240L01传送给控制中心的主控制PLC控制器；主控制PLC控制器根据接收到的信号通过卷缆设备控制系统对卷筒速度做实时控制，以适应工作机的工作状态，并由人机交互设备实时显示感知单元监测的煤矿井下防爆电缆收放机各种状态（电缆拉力、工作机速度、电缆卷筒转速等）。

[0050] 如果信号采集和第一PLC处理器和第二PLC处理器判断系统有故障发生，则将判断结果和经过处理的相应检测信号经无线收发模块NRF240L01传送给控制中心的主控制PLC控制器；主控制PLC控制器对接收到的判断结果和信号进行更详尽的分析和处理，做出如下处理：（1）如果确定有故障发生，控制声光报警电路进行报警；分析出故障发生点和故障发生原因等信息，通过人机交互设备提供给现场工程人员查看；并依照预先内置的故障处理算法，对煤矿井下防爆电缆收放机做出相应的控制，避免造成事故；（2）如果没有故障发生，则由人机交互设备实时显示感知单元监测的煤矿井下防爆电缆收放机各种状态（电缆拉力、工作机速度、电缆卷筒转速等），并通过卷缆设备控制系统对卷筒速度做实时控制。