CN103498678B - 基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统及方法，在采煤机摇臂、滚筒、行走箱预定位置上设置测点，在各个测点上安装自俘能传感器单元，用于监测采煤机的相关数据；每个传感器单元中振动传感器的能源供应均依靠采煤机工作时产生的振动能量进行电能补充；自俘能传感器单元将监测的采煤机工况数据通过无线方式发送到无线通信汇聚节点，无线通信汇聚节点对接收到的数据进行二次无线发送；采煤机主控系统通信模块和井下通信系统接收无线汇集节点二次发送的数据，对采煤机工况进行有效判断。采用本发明的系统和方法，可以指导采煤机故障诊断和预测机理研究等，有效解决了电牵引采煤机工况监测中存在电源、信号布线难及信息孤岛问题，实现基于无线传感器网络的采煤机无线监测。

Description

基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采中电牵引采煤机工况监测领域，具体涉及一种基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统及方法。

背景技术

煤炭是我国的第一大能源，在现阶段的能源结构中约占70%，而且在今后相当长的时间内，煤炭资源在我国能源消费中仍然占据极其重要的地位，因此，煤炭的高产、高效和安全生产将直接影响我国国民经济的稳步发展。随着科学技术的不断发展，煤矿机械在实现高产、高效、综合机械化采煤中发挥了非常重要的作用。

采煤机是煤炭开采中最主要的关键设备之一，其运行状态好坏直接影响煤炭生产人员的安全和煤炭企业的经济效益。而电牵引采煤机在工作中，由于受到来自煤块、岩石等巨大的冲击载荷，以及煤尘、水雾等方面的污染，导致采煤机出现的故障不能得到及时查实和排除，从而埋下安全隐患。当前电牵引采煤机工况监测主要集中在电气、液压和采煤机位姿（如采煤机在工作面位置、仰俯角和倾角、摇臂高度）方面，缺少对机械部件的性能监测，对采煤装备机械部分的维护还停留在定期保养，升井检修这种落后模式。由于缺少采煤机机械传动系统部件工况监测数据，科研人员就难以对采煤机实施科学的、全面的健康状态评估和维护决策，降低了设备的使用率，很多故障隐患难以及时发现，导致采煤机械故障频发，影响煤矿安全生产。另外，由于采煤机自身体积大、结构复杂、机械构成内部空间小、工作环境恶劣，造成电牵引采煤机工况监测通信网络及远端传感装置供电布线、信号通信难等一系列问题，另外存在严重的信息孤岛问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统及监测方法，能够在复杂工况条件下动态监测采煤机工况数据，有效解决采煤机在复杂矿井条件下的数据通信和采煤机远端传感装置电源的能量供应问题。

一种基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统，其特征在于，包括：自俘能传感器单元、无线通信汇集节点、采煤机通信模块、井下通信网络；其中所述自俘能传感器单元包括全方向振动能量收集装置、振动传感器及调理电路、能量转换和存储模块、系统电源、信号处理模块、无线发射模块、数据存储模块；所述无线通信汇集节点包括无线信号接收模块、信号处理模块、信号存储模块；

其中自俘能传感器单元中除振动传感器外，全方向振动能量收集装置和所有模块均安装在一个独立的防爆壳体内部；壳体底部与采煤机零件表面相焊接，壳体顶面留有一圆形天线线圈孔；采煤机通信模块集成于采煤机主控制系统中。

无线通信汇集节点均匀分布在采煤机综采面的巷道内；自俘能传感器单元合理分布于采煤机摇臂、滚筒、行走箱部位。

所述振动传感器包括速度传感器、加速度传感器、位移传感器中的一种或几种。

基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统的监测方法，在采煤机摇臂、滚筒、行走箱预定位置上设置测点，在各个测点上安装自俘能传感器单元，用于监测采煤机的相关数据；自俘能传感器单元将监测的采煤机工况信息在数据存储模块进行存储，并通过无线通信方式发送到无线通信汇聚节点；无线通信汇聚节点对接收到的数据进行二次无线发送；采煤机主控系统通信模块和井下通信系统接收无线汇集节点二次发送的数据，对采煤机工况进行有效判断。

所述监测方法具体包括以下步骤：

步骤一、在采煤机摇臂、滚筒、行走箱预定位置上设置多个测点，所述测点在采煤机上述部位合理分布，在各个测点安装自俘能传感器单元，用于感测采煤机工作时的特征信号，同时振动能量转换和存储模块利用采煤机工作时自身产生的振动对振动能量进行转换和存储，为振动传感器供电；

步骤二、采煤机工作过程中，自俘能传感器单元将监测的采煤机数据进行预处理后进行存储，并通过无线通信方式发送到无线通信汇集节点；

步骤三、无线通信汇集节点接收自俘能传感器发送的数据并将该数据发送到采煤机通信模块和井下通信网络；

步骤四、采煤机通信模块将接收到的数据进行深度处理，对采煤机工况进行判断，以做出是否存在安全隐患和故障信息，并将该信息发送给井下通信网络；

步骤五、井下通信网络将接收到的自俘能传感器发送的数据以及经采煤机深度处理后的工况判断信息通过自身网络系统传输到地面监控站，实现数据的远程传输，并对采煤机工况进行有效判断。

相对于现有技术，采用本发明的基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测方法和系统，可以对电牵引采煤机摇臂、滚筒、行走箱部位进行长期全面工况监测。通过工况监测数据，可以分析和掌握采煤机上述部位的信号特征、故障传播规律等，从而指导采煤机故障诊断和预测机理研究等；同时，本系统中利用电牵引采煤机在工作过程中产生的振动能量作为传感装置的能量源，可以有效解决采煤机工控监测系统中遇到的监测装置供电布线困难和周期性更换电池问题；所述系统以无线通信方式构建采煤机工况监测通信网络，方便的实现电牵引采煤机工况监测信号广范围内信号覆盖。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明自俘能传感器单元的框图。

图3是本发明实施例自俘能传感器单元的安装分布图。

图4是本发明自俘能传感器单元的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统，包括N个自俘能传感器单元、无线通信汇集节点、采煤机通信模块、井下通信网络。其中，自俘能传感器单元如图2所示，包括全方向振动能量收集装置3、振动传感器2及调理电路、能量转换和存储模块、系统电源、信号处理模块、无线发射模块、数据存储模块。

如图4所示，其中自俘能传感器单元中除振动传感器2外，全方向振动能量收集装置3和所有模块均安装在一个独立的防爆壳体1内部；壳体底部与采煤机零件表面相焊接，壳体顶面留有一圆形天线线圈孔；采煤机通信模块集成于采煤机主控制系统中。

无线通信汇集节点均匀分布在采煤机综采面的巷道内；自俘能传感器单元合理分布于采煤机摇臂、滚筒、行走箱部位。

对于电牵引采煤机摇臂、滚筒、行走箱工况监测主要是监测上述部件的振动量，表征振动的物理量包括：速度、加速度、位移等等。在本发明考虑采煤机工况监测技术方案中，以速度、加速度等监测量来监测采煤机摇臂、滚筒、行走箱部件的振动。

如图1所示，本发明一种基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测方法，包括如下步骤：

首先，在采煤机预定位置上设置测点，即在需要的位置（左右摇臂、滚筒、行走箱部位）上设置测点。在各个测点上安装自俘能传感器单元。传感器单元可以包括一种或多种合适的振动传感器2，优先的可以包括加速度传感器、位移检测装置中的一种或多种，用于监测采煤机部件的振动速度或加速度。

在本发明一种优选实施方案中，如图3所示，取采煤机单侧摇臂为监测部位，根据其内部动力传动机构构成，设置了6个测点对其进行工况监测，每级传动轴两端各有2个传感器单元，2个传感器单元中的振动传感器成±45°角度安装。

采煤机工作开始后，每个测点处的自俘能传感器单元内置电源开始供电，该测点处自俘能传感器单元开始监测工况数据，并对监测数据进行预处理后进行存储，然后通过无线发射模块将数据发送出去；能量转换装置开始转换采煤机振动能量对自俘能传感器补充能量；

自俘能传感器单元将工况数据以无线形式发送到无线通讯汇集节点，该节点会将数据二次发送到采煤机通信模块和井下通信网络；

采煤机通信模块接收无线通讯汇集节点发送的数据，并送入采煤机主控系统进行状态判断，并与井下通信网络进行通信；

井下通信网络将无线通讯汇集节点与采煤机工况判断信息发送到地面矿井监控分站，从而实现数据的远程传输。

自俘能传感器单元用于工况数据监测，同时对所测数据进行预处理后进行存储，可作为“黑匣子”功能来使用，其数据可用于离线分析用；同时自俘能传感器单元将所测数据通过无线方式发送到无线通讯汇集节点，实现数据的在线传输功能；每个自俘能传感器单元内具有振动能量转换和存储模块，以便实现自俘能传感器内部电源的补充。

无线通讯汇集节点将实时接收各个自俘能传感器单元发送的数据，实现数据传输的一个中继作用；

采煤机通信模块与井下网络通信系统可同时接收无线汇集节点发送的数据；采煤机通信模块将接收的数据进行深度处理，以对采煤机工况进行判断，同时可将判断信息发送到井下通信网络，实现信息共享；井下通信网络将采集的工况原始数据及采煤机主控系统判断信息发送到矿井地面监控站，实现远程信息共享。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。

凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于振动能量收集的采煤机无线传感器监测系统的监测方法，其特征在于：所述监测系统包括自俘能传感器单元、无线通信汇集节点、采煤机通信模块、井下通信网络；所述采煤机通信模块集成于采煤机主控制系统中；所述无线通信汇集节点包括无线信号接收模块、信号处理模块、信号存储模块；

所述自俘能传感器单元包括全方向振动能量收集装置(3)、振动传感器(2)及调理电路、系统电源、能量转换和存储模块、信号处理模块、无线发射模块、数据存储模块；除振动传感器(2)外，全方向振动能量收集装置(3)和所有模块均安装在一个独立的防爆壳体(1)内部，壳体底部与采煤机零件表面相焊接，壳体顶面留有一圆形天线线圈孔；

所述监测方法包括以下步骤：

步骤一、在采煤机摇臂、滚筒、行走箱预定位置上设置多个测点，所述测点在采煤机上述部位合理分布，在各个测点安装自俘能传感器单元，用于检测采煤机工作时的特征信号，同时能量转换和存储模块利用采煤机工作时自身产生的振动对振动能量进行转换和存储，为振动传感器(2)供电；

步骤二、采煤机工作过程中，自俘能传感器单元将监测的采煤机数据进行预处理后进行存储，并通过无线通信方式发送到无线通信汇集节点；

步骤三、无线通信汇集节点接收自俘能传感器单元发送的数据并将该数据发送到采煤机通信模块和井下通信网络；

步骤四、采煤机通信模块将接收到的数据进行深度处理，对采煤机工况进行判断，以做出是否存在安全隐患和故障信息，并将该信息发送给井下通信网络；

步骤五、井下通信网络将接收到的无线通信汇集节点发送的数据以及经采煤机深度处理后的工况判断信息通过自身网络系统传输到地面监控站，实现数据的远程传输，并对采煤机工况进行有效判断。