CN101413834B - 提升机滚筒应力场检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种提升机滚筒应力场检测方法与装置，属于滚筒应力场的检测方法与装置。本发明的制动闸座位于提升机滚筒的外侧，应力无线传感器节点固定在提升机滚筒上，锚节点固定在制动闸座上，汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控机相连。优点：该提升机滚筒应力场的检测方法与装置不会给提升系统带来任何安全隐患，安全可靠；采用UWB超宽带无线通信技术，具有很高的通信速率和通信可靠性，系统响应快速；传感器节点工作条件好，安装维护方便；无线传感器节点采用低功耗设计，两节AA电池即可使用一年，解决了电源供电问题；传感器节点具有自诊断功能，当传感器节点毁坏或电池耗尽时可以通知维护人员及时更换。

Description

提升机滚筒应力场检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种滚筒应力场的检测方法与装置，特别是一种提升机滚筒应力场检测方法与装置。

背景技术

目前，对提升机运行状态的监测都是通过对提升钢丝绳张力的检测来实现的。提升钢丝绳张力的检测方法包括直接检测法与间接检测法。直接检测法是在提升容器顶端安装钢丝绳张力检测装置，该装置由传感器、信号采集模块、无线发射模块和蓄电池构成。检测的钢丝绳张力信号通过无线发射模块发送，由井口的接收模块接收后进行数据处理得到钢丝绳张力。检测钢丝绳张力的传感器主要有以下三种：拉力传感器，串联在提升钢丝绳与提升容器之间；三点式钢丝绳张力传感器；油压传感器，适用于提升容器与钢丝绳之间有液压平衡装置的多绳摩擦提升机。这种方法主要存在四点缺陷：无线通信在井筒中的传输距离短，当井筒深度超过500米，无法实现可靠的通信；蓄电池需要定期更换，维护不便；传感器安装维护不便；拉力传感器灵敏度低，张力传感器会加剧钢丝绳的疲劳磨损，油压传感器只适用于提升容器与钢丝绳之间有液压平衡装置的场合。间接检测法是在天轮的轴承底座上安装测力传感器来检测钢丝绳张力。该方法要求测力传感器具有结构适用性、功能适用性、长期稳定性和高可靠性。传感器研制困难、成本很高，而且很难安装。当传感器毁坏时也很难及时更换。

根据以上分析可以发现，目前通过提升钢丝绳张力的检测来反映提升机运行状态的方法主要存在以下缺陷：传感器安装不便，检测系统维护困难；检测系统应用具有一定的局限性，不能应用于深井检测；蓄电池供电的方案需要定期更换电池，维护不便；现有传感器存在成本高、灵敏度低、对钢丝绳有损害等问题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种检测系统维护方便、能够应用于深井检测、且传感器成本低、灵敏度高、对钢丝绳无损害的提升机滚筒应力场检测方法与装置。

本发明的目的是这样实现的，本发明的装置包括提升机滚筒、制动闸座、应力无线传感器节点、锚节点、汇聚节点、USB接口和工控机，制动闸座位于提升机滚筒的外侧，应力无线传感器节点固定在提升机滚筒上，锚节点固定在制动闸座上，汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控机相连。

所述的应力无线传感器节点由应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，应变片与信号调理电路连接，MCU微控芯片的输出端与、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路连接，UWB无线收发芯片的输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU微控芯片连接，电源模块与信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。

所述的锚节点和汇聚节点均由MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路连接，时钟芯片与MCU微控芯片连接，UWB无线收发芯片与PCB天线连接，电源模块与MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。

提升机滚筒应力场的检测方法是：设定采样频率，设定时钟同步，按照设定的采样频率分别触发应力无线传感器节点、锚节点和汇聚节点，应力无线传感器节点和锚节点将收集的信息发送到汇聚节点，汇聚节点对接收到应力无线传感器节点和锚节点的信息预处理，然后通过USB接口将数据发送给工控机，工控机将接收的无线传感器节点和锚节点的位置信息分析处理得到滚筒应力场状态。

有益效果：由于采用了上述方案，通过多个无线传感器节点收集提升机滚筒应力信息，将传感器节点收集的应力信息进行数据融合得到提升机滚筒的应力场状态；使得检测系统维护方便、能够应用于深井检测、且传感器成本低、灵敏度高、对钢丝绳无损害，达到了本发明的目的。

优点：该提升机滚筒应力场的检测方法与装置不会给提升系统带来任何安全隐患，安全可靠；采用UWB超宽带无线通信技术，具有很高的通信速率和通信可靠性，系统响应快速；传感器节点工作条件好，安装维护方便；无线传感器节点采用低功耗设计，两节AA电池即可使用一年，解决了电源供电问题；传感器节点具有自诊断功能，当传感器节点毁坏或电池耗尽时可以通知维护人员及时更换。

附图说明

图1是本发明的系统组成原理图，

图2是本发明的应力无线传感器节点结构原理图，

图3是本发明的锚节点与汇聚节点结构原理图，

图4是本发明的检测方法流程示意图，

图中：1、应力无线传感器节点；2、锚节点；3、汇聚节点；4、USB总线；5、工控机。

具体实施方式

实施例1：本发明的装置包括提升机滚筒、制动闸座、应力无线传感器节点1、锚节点2、汇聚节点3、USB接口4和工控机5，制动闸座位于提升机滚筒的外侧，应力无线传感器节点固定在提升机滚筒上，锚节点固定在制动闸座上，汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控机相连。

所述的应力无线传感器节点由应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，应变片与信号调理电路连接，MCU微控芯片的输出端与、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路连接，UWB无线收发芯片的输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU微控芯片连接，电源模块与信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。

所述的锚节点和汇聚节点均由MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路连接，时钟芯片与MCU微控芯片连接，UWB无线收发芯片与PCB天线连接，电源模块与MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。

提升机滚筒应力场的检测方法是：设定采样频率，设定时钟同步，按照设定的采样频率分别触发应力无线传感器节点、锚节点和汇聚节点，应力无线传感器节点和锚节点将收集的信息发送到汇聚节点，汇聚节点对接收到应力无线传感器节点和锚节点的信息预处理，然后通过USB接口将数据发送给工控机，工控机将接收的无线传感器节点和锚节点的位置信息分析处理得到滚筒应力场状态。

具体检测方法是将三十六个应力无线传感器节点均匀固定在提升机滚筒的边缘，用于检测滚筒的应力；在提升机的制动闸座上固定三个锚节点，用来定位应力无线传感器节点的位置；在提升机操作台外壳上固定一个汇聚节点，用于接收应力无线传感器节点与锚节点发送的应力数据与节点位置数据并预处理，之后通过USB接口将数据发送给工控机；工控机将接收的应力、节点位置信息分析处理得到滚筒应力场状态。

在图1中，提升机恶性故障在线检测装置由三十六个应力无线传感器节点1、三个锚节点2、一个汇聚节点3、一条USB总线4和一台工控机5组成。用强力胶将三十六个应力无线传感器节点1均匀固定在提升机滚筒的边缘，传感器节点从1#到36#按照逆时针顺序分布，用来获得滚筒边缘的应力信息。根据无线传感器网络中的“三角形定位原理”，将三个锚节点2用强力胶固定在制动闸座上，三个锚节点构成三角形，用来定位1#应力无线传感器节点的位置信息。当1#应力无线传感器节点的位置确定后，其它传感器节点的位置也就确定下来。用强力胶将汇聚节点3固定在操作台的外壳上，用来接收三十六个应力无线传感器节点1与三个锚节点2发送的数据，预处理后通过USB接口总线发送给工控机5。工控机5将接收的数据进行处理得到滚筒边缘应力场的状态。所述的工控机采用研华高性能工控机。

在图2中，应力无线传感器节点由应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成。应变片由四片构成，其中两片用于检测周向与径向应变，另两个用于温度补偿，四个应变片构成全桥电路。信号调理电路由滤波放大电路构成，将全桥电路输出的电压信号转换成0-5V标准信号输入MCU微控芯片。MCU微控芯片选用MSP430F1611低功耗芯片，该芯片内部集成8通道12位A/D转换器将电压信号进行模数转换并存储在内部RAM中。时钟芯片选用X1226，用于定时唤醒MCU微控芯片采集应力数据。UWB无线收发芯片选用XS110，该芯片的无线信号发送频率为3.1GHz，通信速率为110M/S，用于将MCU微控芯片采集的应力数据通过PCB天线发送给汇聚节点。电源模块由两节AA电池与TC55RP33电源管理芯片构成，为信号调理电路、MCU微控芯片、时钟芯片和UWB无线收发芯片提供3.3V稳压电源。FLASH扩展存储器选用M25P80，容量为1M，用于MCU微控芯片的存储扩展。USB接口电路由协议转换芯片FT232BM与I/O缓冲芯片NC7WZ126及相应的外围电路构成，用于PC机与应力无线传感器节点相连，进行在线编程与调试。

在图3中，锚节点与汇聚节点由于不需要感知外部环境信息，所以不需要传感部分。在它们的结构设计中没有应变片与信号调理电路，其余部分与应力无线传感器节点相同。

在图4中，检测方法流程示意图对提升机恶性事故的在线检测方法作进一步详述：

a在提升机滚筒边缘固定应力无线传感器节点，在闸座上固定锚节点，在操作台外壳固定汇聚节点，并通过USB总线与工控机相连。

b打开应力无线传感器节点、锚节点和汇聚节点，节点上电初始化，设定采样频率为1000Hz，并设定节点之间时钟同步。

c每隔0.001秒时钟芯片唤醒应力无线传感器节点、锚节点和汇聚节点的MCU微控芯片，节点开始工作。应力无线传感器节点采集并发送应力信息；锚节点对1#应力无线传感器节点进行定位并发送位置信息；汇聚节点接收这些信息，预处理后通过USB总线发送给工控机。

d工控机将接收到的数据进行分析处理，得到提升机滚筒边缘应力场信息。

e当一个提升循环结束时，自动对节点进行时钟同步，防止各节点时钟误差的累积，保证各节点之间同步工作。

Claims (4)

1.一种提升机滚筒应力场检测方法，其特征是：设定采样频率，设定时钟同步，将制动闸座位于提升机滚筒的外侧，多个应力无线传感器节点均匀固定在提升机滚筒的边缘，三个锚节点固定在制动闸座上，一个汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，按照设定的采样频率分别触发多个应力无线传感器节点、三个锚节点和一个汇聚节点，应力无线传感器节点和锚节点将收集的信息发送到汇聚节点，汇聚节点对接收到应力无线传感器节点和锚节点的信息预处理，然后通过USB接口将数据发送给工控机，工控机将接收的无线传感器节点和锚节点的位置信息分析处理得到滚筒应力场状态。

2.一种提升机滚筒应力场检测装置，其特征是：该装置包括提升机滚筒、制动闸座、多个应力无线传感器节点、三个锚节点、一个汇聚节点、USB接口和工控机，制动闸座位于提升机滚筒的外侧，多个应力无线传感器节点均匀固定在提升机滚筒的边缘，三个锚节点固定在制动闸座上，一个汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控机相连。

3.根据权利要求2所述的提升机滚筒应力场检测装置，其特征是：所述的应力无线传感器节点由应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，应变片与信号调理电路连接，MCU微控芯片的输出端分别与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路连接，UWB无线收发芯片的输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU微控芯片连接，电源模块分别与信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。

4.根据权利要求2所述的提升机滚筒应力场检测装置，其特征是：所述的锚节点和汇聚节点均由MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，MCU微控芯片的输出端分别与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路连接，时钟芯片与MCU微控芯片连接，UWB无线收发芯片与PCB天线连接，电源模块分别与MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。

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