CN102720478A - 煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统。本发明包括传感器组件、现场控制箱、显示终端组件，所述的传感器组件设置在坑道钻机机身上，现场控制箱设置在坑道钻机机身上，一侧与传感器组件连接，另一侧与显示终端组件连接，现场控制箱将传感器组件采集到的电信号处理后变成多路光信号传输到显示终端组件。本发明能应用于煤矿井下工作环境中，安装方便、成本低、监测距离远、显示终端多、显示方式灵活，能够实时监测钻机的多种钻进参数，协助司钻人员完成井下钻孔施工作业。

Description

煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统

技术领域

本发明属于煤矿井下的电子仪器仪表，具体涉及一种煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统。 

背景技术

我国是一个以煤为主的能源消费大国，几乎95%的煤炭资源来自于井工开采，由于我国的煤层赋存条件复杂多变，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、顶板冒落、透水等动力灾害事故屡有发生。煤矿井下是一个特殊的生产环境，湿度高、粉尘大且含有瓦斯爆炸性气体。随着我国深部和松软突出煤层等高危资源的逐步开采，井下的工况条件愈加复杂，作业人员受到的安全威胁也越来越严重。 

瓦斯抽采是煤矿防治瓦斯灾害的基本途径，主要通过煤层钻孔来实现，目前，我国煤矿井下钻孔施工主要以全液压动力头式钻机为主，全液压动力头式钻机通常由电机驱动，通过液压系统控制动力头的回转和给进，进而带动钻头切削煤岩，钻孔施工时，司钻人员需依据钻机上配置的各种仪表，如压力表、温度计来了解钻进工作状态，进而依据经验对操纵钻机，这种施工方法要求司钻人员位于钻机附近，难以避免煤层钻孔突出事故造成的人身伤害。 

发明内容                                                 

本发明所解决的技术问题提供一种安装方便、成本低、监测距离远、显示终端多、显示方式灵活，能用于煤矿井下危险环境中的坑道钻机多终端参数监测系统。

为解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案： 

一种煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统，其特殊之处在于：包括

传感器组件、现场控制箱、显示终端组件，所述的传感器组件设置在坑道钻机机身上，现场控制箱设置在坑道钻机机身上，一侧与传感器组件连接，另一侧与显示终端组件连接，现场控制箱将传感器组件采集到的电信号处理后变成多路光信号传输到显示终端组件。

上述的传感器组件采用模拟量传感器C1和数字量传感器C2。 

上述的传感器组件的传感器均选用本安型传感器，模拟量传感器C1的输出接口均为4~20mA信号。 

上述的传感器组件的模拟量传感器C1包括给进压力传感器、起拔压力传感器、主泵压力传感器、副泵压力传感器、回油压力传感器、油箱液位传感器、油液温度传感器；所述的数字量传感器C2包括回转转速传感器。 

上述的现场控制箱包括12V电源、主控制板和光分路器，均置于密封的具有本质安全型输入输出信号接口的矿用隔爆箱体内，主控制板包括本安电源电路、模拟量信号调理电路、光电隔离电路、微控制器、存储电路、通信电路，本安电源电路由隔离降压电路、双重过压过流保护电路、降压及保护电路依次串联构成，模拟量信号调理电路由电子模拟开关电路、线性光耦、滤波电路、放大电路依次串联构成，通信电路由通信电平转换电路、传输控制模块、光电收发一体模块依次串联构成，12V电源的一路与本安电源电路连接，另外两路分别与模拟量信号调理电路、光电隔离电路连接，本安电源电路分别与模拟量信号调理电路、光电隔离电路、微控制器、存储电路、通信电路连接，微控制器分别与模拟量信号调理电路、光电隔离电路、存储电路、通信电路连接，光分路器一端与通信电路连接，另一端与显示终端组件连接。 

上述的微控制器采用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6型ARM单片机。 

上述的显示终端组件包括本安通信板、隔爆兼本安12V电源、PC104主板、存储模块、显示和控制单元，存储模块包括硬盘、闪存，显示和控制单元包括USB本安键盘鼠标、显示屏，本安通信板包括本安电源电路、USB隔离电路、通信处理电路，本安电源电路由隔离降压电路、双重过压过流保护电路串联构成，USB隔离电路包括第一USB隔离电路、第二USB隔离电路，通信处理电路由通信电平转换电路、传输控制模块、光电收发一体模块依次串联构成，隔爆兼本安12V电源分别与PC104主板、本安电源电路连接，本安电源电路的隔离降压电路与USB隔离电路连接，双重过压过流保护电路分别与USB隔离电路、通信处理电路连接，通信处理电路一端与PC104主板连接， 另一端与现场控制箱连接，USB隔离电路与PC104主板连接，PC104主板分别与显示屏、硬盘连接，第一USB隔离电路与第二USB隔离电路连接，第二USB隔离电路与闪存连接。 

与现有技术相比，本发明的有益效果： 

本发明能应用于煤矿井下工作环境中，安装方便、成本低、监测距离远、显示终端多、显示方式灵活，能够实时监测钻机的多种钻进参数，协助司钻人员完成井下钻孔施工作业。

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是本发明的传感器组件结构图；

图3是本发明的现场控制箱电路图；

图4是本发明的显示终端图；

图5是本发明的现场控制箱的控制流程图；

图6是本发明的显示终端的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 

本发明的基本原理是：传感器组件采集现场坑道钻机参数，转换成模拟量或数字量信号并由现场控制箱中的信号调理电路调理后送入微控制器处理；微控制器进行计算并按通信数据包格式发送到通信485总线上，再由控制箱内部的电—光转换模块将其转换成光信号输出后经过光分路器将光信号分配给各个显示终端；每个显示终端将光信号接收后再还原成485电信号，再将获得的通信数据包按格式提取各传感器所采集的参数，由各参数数据判断是否存在故障，并生产故障代码，一方面这些参数数据和故障代码被保存成记事本文件供闪存拷贝，另一方面它们又用来实时更新软件界面中的参数并绘制相应曲线，工作人员通过各显示终端的软件界面能实时了解钻机的工作状态，从而达到本发明的目的。 

参见图1~4，本发明包括传感器组件1、现场控制箱2、显示终端组件3，所述的传感器组件1设置在坑道钻机机身上，现场控制箱2设置在坑道钻机机身上，一侧与传感器组件1连接，另一侧与显示终端组件3连接，现场控制箱2将传感器组件1采集到的电信号处理后变成多路光信号传输到显示终端组件3。 

传感器组件1将需要监测的物理量变成控制器可以处理的数字量。 

现场控制箱2定时采集并处理传感器组件的信号后将监测参数按通信数据格式变成光信号传输出去。 

显示终端组件3将接收到来自现场控制箱的光信号还原成电信号，并按通信数据格式提取监测的传感器参数，处理是否出现故障，并在软件界面上定时刷新监测参数和故障代码。 

上述的传感器组件1的传感器均选用本安型传感器，模拟量传感器C1的输出接口均为4~20mA信号。 

参见图1，传感器组件1安装在坑道钻机机身上，在各个待监测的位置固定好后，由传感器组件尾部引出的电缆线沿坑道钻机机身布置好，再在坑道钻机上的接线盒中进行汇总，最终连接到现场控制箱2中；模拟量传感器C1选用4~20mA信号输出，便于故障检测和多路复用微控制器203的AD资源。现场控制箱2另一端连接显示终端组件3，显示终端组件3可以是位于煤矿井下的多个终端D1~Dn，也可以是位于煤矿井上的多个终端U1~Un；现场控制箱2是控制中心，它将传感器组件1采集到的电信号处理后变成光信号传输到显示终端组件3。 

参见图2，传感器组件包括模拟量传感器C1和数字量传感器C2；模拟量传感器C1包括：给进压力传感器10、起拔压力传感器11、主泵压力传感器12、副泵压力传感器13、回油压力传感器14、油箱液位传感器15、油液温度传感器16；所述的数字量传感器C2包括回转转速传感器17。 

参见图3，现场控制箱2包括12V电源20、主控制板21和光分路器22，均置于密封的具有本质安全型输入输出信号接口得矿用隔爆箱体内，主控制板21包括本安电源电路200、模拟量信号调理电路201、光电隔离电路202、微控制器203、存储电路204、通信电路205，本安电源电路200由隔离降压电路211、双重过压过流保护电路212、降压及保护电路213依次串联构成，模拟量信号调理电路201由电子模拟开关电路214、线性光耦215、滤波电路216、放大电路217依次串联构成，通信电路205由通信电平转换电路218、传输控制模块219、光电收发一体模块220依次串联构成，12V电源20的一路与本安电源电路200连接，另外两路分别与模拟量信号调理电路201、光电隔离电路202连接，本安电源电路200分别与模拟量信号调理电路201、光电隔离电路202、微控制器203、存储电路204、通信电路205连接，微控制器203分别与模拟量信号调理电路201、光电隔离电路202、存储电路204、通信电路205连接，光分路器22一端与通信电路205连接，另一端与显示终端组件3连接。 

上述的微控制器203采用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6型ARM单片机。 

现场控制箱2的光分路器22分发自现场本安主控板的下行数据，并集中各显示终端的上行数据，将通信电路中产生的光信号等分成多分供下行数据通道使用。 

现场本安主控板21实现传感器的采集、数据存储、通信任务。微控制器采用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6型ARM单片机，其主频72MHz，512K ，64K RAM，4个16位定时器，5个串行口，2个CAN，21个可复用的AD通道，12通道PWM，112个可复用的IO口；本安电源200将隔爆兼本安12V电源20输入的12V电源变成电路板要使用的本安5V和3.3V电源，给现场本安主控板进行供电；外部传感器经过模拟量信号调理电路201和光电隔离电路202送入微控制器处理并计算出各物理量的参数；存储电路204采用EEPROM芯片24C02，可以掉电保存各物理量参数。通信电路205实现显示终端组件3与微控制器203的实时通信功能，微控制器的串口RS232经过通信电平转换电路218转换成RS485信号，传输控制模块219将其进行并串转换和控制送入光电收发一体模块220变成光信号输出。 

      模拟量信号调理电路将4~20mA 的本安模拟量传感器C1经过电子模拟开关214切换，被选中的传感器依次经过线性光耦215进行隔离、滤波电路216处理后变成比较理想的直流信号，再经过放大电路217将幅值变换成微控制器203的AD通道可以处理的信号。依此方法，微控制器203通过轮流切换电子模拟开关214可以实现7路模拟量传感器C1的处理，数字量传感器C2经过光耦隔离电路202隔离后直接送入微控制器203的计数通道或数字量输入接口。微控制器203经过这些接口处理后，计算出传感器所测物理量的参数。 

参见图5，本发明的现场控制箱2的控制方法，包括以下步骤： 

步骤1，程序启动，各单元初始化；

步骤2，启动定时器；

步骤3，每100ms采样一次，采样后将采样的数据进行滤波、计算、并按数据格式保存到发送缓冲区，准备发送；

步骤4， CPU读取缓冲区，将缓冲区中的数据发送到通信485总线上，判断当前是否发送成功，如果没有发送成功，则重复步骤4，发送成功则返回到步骤3重复执行。

      参见图4，显示终端组件3根据需要可以安装在煤矿井下，也可以安装在井上，安装到井下可以远程使用也可以近距离使用；显示终端组件通过光纤连接到现场控制箱的通信接口。显示终端组件3包括本安通信板30、隔爆兼本安12V电源31、PC104主板32、存储模块、显示和控制单元，存储模块包括硬盘33、闪存34，显示和控制单元包括USB本安键盘鼠标35、显示屏36，本安通信板30包括本安电源电路301、USB隔离电路309、通信处理电路310，本安电源电路301由隔离降压电路302、双重过压过流保护电路303串联构成，USB隔离电路309包括第一USB隔离电路304、第二USB隔离电路305，通信处理电路310由通信电平转换电路306、传输控制模块307、光电收发一体模块308依次串联构成，隔爆兼本安12V电源31分别与PC104主板32、本安电源电路301连接，本安电源电路301的隔离降压电路302与USB隔离电路309连接，双重过压过流保护电路303分别与USB隔离电路309、通信处理电路310连接，通信处理电路310一端与PC104主板32连接， 另一端与现场控制箱2连接，USB隔离电路309与PC104主板32连接，PC104主板32分别与显示屏36、硬盘33连接，第一USB隔离电路304与第二USB隔离电路305连接，第二USB隔离电路305与闪存34连接。 

PC104配置有1个串口，2个USB接口，Ultra ATA接口，VGA接口；2个USB接口分别经过第一USB隔离电路304和第二USB隔离电路305变成隔离的USB接口，其中一个为USB本安键盘鼠标35使用，另一个为本安闪存34使用，VGA接口提供给液晶显示屏使用，所有的参数都会通过软件界面在液晶显示屏上显示，硬盘通过Ultra ATA接口连接到PC104上，本安通信板30上的隔爆兼本安12V电源31为井下/井上远程显示终端3提供电源本安12V电源输入，此电源经过隔离降压电路302变成隔离的5V电源，再经过两级过压过流电路303变成本安电源301的输出本安5V。连接到PC104的通信处理电路310通过光电收发一体模块308将接收到的光信号转换成电信号，再经过传输控制模块307将通信数据进行并串转换和控制还原成RS485信号，再经过通信电平转换电路306将RS485信号转换成PC104可以识别的RS232电平。 

参见图6，本发明的的显示终端的控制方法，包括以下步骤： 

步骤1，程序启动，各单元初始化；

步骤2，判断当前是否有新数据到来，如果没有新数据到来，则等待直到新数据的到来，如新数据到来则接收新数据并更新接收缓冲区；

步骤3，按照给定数据格式提取各传感器ID及参数；

步骤4，根据传感器ID及参数，分析各传感器是否有故障，如有故障则产生故障代码，给出故障原因并提示处理故障，如果没有故障，则软件保存各传感器参数和故障代码并写入记事本文件，以供闪存读取；

步骤5，在软件界面的显示框中更新各参数和故障代码；

步骤6，本次通信处理完毕后等待下一帧数据，并询问是否需要退出，如不需要退出，则程序从步骤2开始重复执行，如果需要退出，则程序结束。

所述的传输网络采用光网络，传输介质是1310nm单模光纤，通信方式采用广播式，不加中继传输距离可达20Km，各光纤接口均采用FC法兰连接。 

本发明的通信的数据格式如下：头部2个字节是开始符，如果这2个字节完全相同，则说明通信的数据流就要开始了，后面准备接收，否则丢弃；第3个字节是地址字节，这里由于采用广播方式，所以所有的显示终端都可以接收到，如果只需要某个终端单独显示也可以设置成具体的地址；第4~33个字节是传感器ID和参数，由于只有10个传感器，传感器ID可以设置成1~10，这个30个字节中，第一个字节是ID为1的传感器对应给进压力，则紧随其后的是其参数值，之后依次类推每个传感器占用3个字节，第34个字节为CRC校验码，是为了增强通信的可靠性而设置，最后2个字符为结束符，程序只有接收到既有开始符又有结束符时候CRC校验正确才认为数据接收正确。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化或修饰，均仍应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (7)

1.一种煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统，其特征在于：包括

传感器组件（1）、现场控制箱（2）、显示终端组件（3），所述的传感器组件（1）设置在坑道钻机机身上，现场控制箱（2）设置在坑道钻机机身上，一侧与传感器组件（1）连接，另一侧与显示终端组件（3）连接，现场控制箱（2）将传感器组件（1）采集到的电信号处理后变成多路光信号传输到显示终端组件（3）。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统，其特征在于：所述的传感器组件（1）采用模拟量传感器C1和数字量传感器C2。

3.根据权利要求1或2所述的煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统，其特征在于：所述的传感器组件（1）的传感器均选用本安型传感器，模拟量传感器C1的输出接口均为4~20mA信号。

4.根据权利要求3所述的煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统，其特征在于：所述的传感器组件（1）的模拟量传感器C1包括给进压力传感器（10）、起拔压力传感器（11）、主泵压力传感器（12）、副泵压力传感器（13）、回油压力传感器（14）、油箱液位传感器（15）、油液温度传感器（16）；所述的数字量传感器C2包括回转转速传感器（17）。

5.根据权利要求4所述的煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统，其特征在于：所述的现场控制箱（2）包括12V电源（20）、主控制板（21）和光分路器（22），均置于密封的具有本质安全型输入输出信号接口的矿用隔爆箱体内，主控制板（21）包括本安电源电路（200）、模拟量信号调理电路（201）、光电隔离电路（202）、微控制器（203）、存储电路（204）、通信电路（205），本安电源电路（200）由隔离降压电路（211）、双重过压过流保护电路（212）、降压及保护电路（213）依次串联构成，模拟量信号调理电路（201）由电子模拟开关电路（214）、线性光耦（215）、滤波电路（216）、放大电路（217）依次串联构成，通信电路（205）由通信电平转换电路（218）、传输控制模块（219）、光电收发一体模块（220）依次串联构成，12V电源（20）的一路与本安电源电路（200）连接，另外两路分别与模拟量信号调理电路（201）、光电隔离电路（202）连接，本安电源电路（200）分别与模拟量信号调理电路（201）、光电隔离电路（202）、微控制器（203）、存储电路（204）、通信电路（205）连接，微控制器（203）分别与模拟量信号调理电路（201）、光电隔离电路（202）、存储电路（204）、通信电路（205）连接，光分路器（22）一端与通信电路（205）连接，另一端与显示终端组件（3）连接。

6.根据权利要求5所述的煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统，其特征在于：所述的微控制器（203）采用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6型ARM单片机。

7.根据权利要求6所述的煤矿井下坑道钻机多终端参数监测系统，其特征在于：所述的显示终端组件（3）包括本安通信板（30）、隔爆兼本安12V电源（31）、PC104主板（32）、存储模块、显示和控制单元，存储模块包括硬盘（33）、闪存（34），显示和控制单元包括USB本安键盘鼠标（35）、显示屏（36），本安通信板（30）包括本安电源电路（301）、USB隔离电路（309）、通信处理电路（310），本安电源电路（301）由隔离降压电路（302）、双重过压过流保护电路（303）串联构成，USB隔离电路（309）包括第一USB隔离电路（304）、第二USB隔离电路（305），通信处理电路（310）由通信电平转换电路（306）、传输控制模块（307）、光电收发一体模块（308）依次串联构成，隔爆兼本安12V电源（31）分别与PC104主板（32）、本安电源电路（301）连接，本安电源电路（301）的隔离降压电路（302）与USB隔离电路（309）连接，双重过压过流保护电路（303）分别与USB隔离电路（309）、通信处理电路（310）连接，通信处理电路（310）一端与PC104主板（32）连接， 另一端与现场控制箱（2）连接，USB隔离电路（309）与PC104主板（32）连接，PC104主板（32）分别与显示屏（36）、硬盘（33）连接，第一USB隔离电路（304）与第二USB隔离电路（305）连接，第二USB隔离电路（305）与闪存（34）连接。

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