CN107179135A - 一种外接式矿用机械自动监测与保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，包括：温度采集模块、用以接收温度采集模块所采集温度信号的电压采集模块、以及智能分析与控制模块，其中电压采集模块将温度采集模块测得的数据传输给智能分析模块与控制模块，智能分析与控制模块对数据进行相应的补偿与修正，并通过电压‑温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断。该控制系统独立于原本的电气系统，适配性高，可根本上解决“油改电”之后原机械保护系统失效的问题，另外该系统能够实现对数据的智能分析与对控制模块的指令控制，程序化执行而非单一软件，使之具有很强的兼容性，方便个性化设置。

Description

一种外接式矿用机械自动监测与保护系统

技术领域

本发明涉及一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，属于机械智能监测控制领域。

背景技术

目前国内矿业露天开采领域存在大量矿用机械“油改电”的情况，即以降低动力驱动成本为目的而进行的私下改装，以电机驱动替换燃油驱动。这样的改装效果因改装方案不同而不同，虽然能做到在几乎不影响动力输出的前提下降低动力驱动成本，但这样的改装往往因此改装幅度大，使得原有的机械保护系统不再适配，让一些机械在经过改装之后失去了自动监测运行状态与保护的功能。而矿用机械出现故障的一大特点就是故障部位温度过高，常规的监测保护系统都是通过监测部件温度进而做到对机械运行状态的监测，当原有设备失效时，一般难以找到合适的替代设备。其次，当去设计新的监测保护系统时，又会面临两个问题：一是提供动力驱动的电机的功率往往都很大，工作时产生的电磁干扰也很强，对于低电压信号输出值的传感器与微电子集成的单片机干扰过大；二是这样所设计的系统为一对一的定制设计，对多个机械适用起来不仅适配性极差，也会增加成本，从而没有太大的实际意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，本系统以高性能热电材料作温度传感器，以智能开发板为智能分析核心，通过匹配电压采集模块与控制模块对机械运行状态进行智能监测与应急保护控制。

一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，包括：温度采集模块、用以采集温度采集模块所采集温度信号的电压采集模块、以及智能分析与控制模块；其中温度采集模块由一块矩形热电材料独立组成，温度采集模块安装在被测温度的器件外壳表面，其一侧接触器件表面，另一侧做好散热处理，以维持温差；电压采集模块将温度采集模块测得的数据传输给智能分析模块与控制模块，智能分析与控制模块对数据进行相应的补偿与修正，并通过电压-温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断。

相对于传统的温度监测系统，本发明完全由上述三部分独立模块所组成，不仅很大程度上简化了系统组成，也实现了对原电路的独立，使得本系统的运行与故障均不会影响原机械电路的运行。

进一步，所述温度采集模块由一块TEP1-142T300型矩形热电材料独立组成，该矩形热电材料为片状，且可以安装在被测温度的器件外壳表面，温度采集模块一侧接触器件表面，另一侧做好散热处理，以维持温差。经过先期模拟实验测得，在35.9℃~41.2℃温差之间，其电压输出值在1.37V~1.73V之间，电压输出数值与温差数值成正相关。为了方便将电压数值再次转换为温差数值，从而计算出采集到的温度，拟合了该材料电压输出与温差的数值函数关系并得到一个多项式方程y=-0.0022x²+0.2305x-4.0924，其中y为电压数值，x为温差数值。

相对于传统温度监测系统的温度采集部件，本系统的温度采集模块由一块TEP1-142T300型半导体温差发电片构成。其形状为矩形薄片，适合贴合于非球类平面，保证温度采集部件与待测器件的外表面充分接触，提高测量结果的精准度。对比于传统温度传感器在同温差下的电压输出，该高性能热电材料的稳定电压输出是传统温度传感器的约1000倍。这样使得其在普通的电磁干扰环境下的干扰值占其输出电压值的比值极小，从而对实际信号的影响极小，可忽略。并省去了抗干扰设备和信号放大器等设备，走线简单，易于模块化使用。

该控制系统中的智能分析与控制模块是本系统的核心，包括由raspberrypi或orangepi或arduino这类Linux开发板充当的智能开发板、基于python语言开发的智能分析程序与配套控制模块组成，其中智能分析程序安装在智能开发板上，配套的控制模块为与智能开发板相匹配的继电器，且该控制模块安装在机械电气开关上。

智能分析与控制模块通过接收电压采集模块所传达的信号，对信号数据进行相应的补偿与修正，并通过电压-温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断。当数值中出现危险值时，由程序发出指令，自动操作控制模块直接关闭机器的电气开关，强行进行断电保护。智能分析与控制程序也具备自动生成报表的能力，以方便人工读取来确认机械故障的具体情况。

所述电压采集模块由一个与智能开发板所匹配的电压检测模块和相关信息传输线组成。其中电压检测模块的一端直接与温度采集模块用导线相接，接线长度由实际情况而定；另一端直接与智能开发板用导线连接，接线长度不超过15cm，将已采集到的电压信号转换为数字信号直接传输给智能开发板，在电压采集模块与智能分析与控制模块中的智能开发板外部装有金属外壳以屏蔽环境中电磁信号对电压采集模块的干扰。

本发明具有以下有益效果：

1.外接式设计，独立于原本的电气系统，适配性很高且不对原本电气系统产生影响，可根本上解决“油改电”之后原本机械保护系统失效的问题；

2.模块化、小型化、极简思路设计，使得结构简单，安装方便，能够很大程度上降低维护的时间与经济成本；

3.使用高性能热电材料作为温度传感器，温度采集精度高，电压输出倍数约为传统传感器的1000倍，从而可以省去信号放大器与抗干扰设备，便于模块化；

4.以成熟的智能开发板、电压采集模块、继电控制模块为核心硬件，使本系统具有很强的适配性与可靠性；

5.智能分析程序能够实现对数据的智能分析与对控制模块的指令控制，程序化执行而非单一软件，使之具有很强的兼容性，方便个性化设置。

附图说明

图1为系统电压输出数值与温差数值关系图。

图2为传统温度传感器的电压输出数值图。

图3为电压输出与温差的数值函数关系图。

具体实施方式

本发明的一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，包括：温度采集模块、用以采集温度采集模块所采集温度信号的电压采集模块、以及智能分析与控制模块；其中温度采集模块由一块矩形热电材料独立组成，温度采集模块安装在被测温度的器件外壳表面，其一侧接触器件表面，另一侧做好散热处理，以维持温差；电压采集模块将温度采集模块测得的数据传输给智能分析模块与控制模块，智能分析与控制模块对数据进行相应的补偿与修正，并通过电压-温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断。

相对于传统的温度监测系统，本发明完全由上述三部分独立模块所组成，不仅很大程度上简化了系统组成，也实现了对原电路的独立，使得本系统的运行与故障均不会影响原机械电路的运行，并且外接式设计使之具有极强的适配性。

进一步，所述温度采集模块由一块TEP1-142T300型矩形热电材料独立组成，该矩形热电材料为片状，且可以安装在被测温度的器件外壳表面，温度采集模块一侧接触器件表面，另一侧做好散热处理，以维持温差。

相对于传统温度温度传感器，本系统的温度采集模块由一块TEP1-142T300型半导体温差发电片构成。其形状为矩形薄片，适合贴合于非球类平面。经过先期模拟实验测得，在35.9℃~41.2℃温差之间，其电压输出值在1.37V~1.73V之间，且电压输出数值与温差数值成正相关。该系统中电压输出数值与温差数值关系示于图1中。

而传统的温度传感器的电压输出为毫伏级,由于电压数值太小，往往需要放大器对电压信号进行放大。传统的温度传感器的电压输出数值示于图2中。

在现场使用中，温度传感器所受的主要干扰为交流干扰，而交流干扰又分线间干扰和对地干扰。对地干扰一般由于两输出端中一端对地产生交流电压，线间干扰则是受外部干扰，导致两输出端之间产生交流电压。此外还有回路中自然产生的直流干扰（导致直流附加电压的产生）。就原因来说，干扰一般由于电磁干扰、自身漏电、附加阻值产生，不过产生的干扰电压往往并不大，一般为十几甚至几十毫伏，在合理走线并安装滤波器等抗干扰设备之后可降至几毫伏到十几毫伏。

对比于传统温度传感器在同温差下的电压输出（如图2所示），该高性能热电材料的稳定电压输出约是传统温度传感器的1000倍。这样使得其在普通的电磁干扰环境下的干扰值占其输出电压值的比值极小，从而对实际信号的影响极小，可忽略。因省去了抗干扰设备和信号放大器等设备，走线简单，所以易于模块化使用。

为了方便将电压数值再次转换为温差数值，从而计算出采集到的温度，拟合了该材料电压输出与温差的数值函数关系，并拟合得到一个多项式方程y=-0.0022x²+0.2305x-4.0924，其中y为电压数值，x为温差数值。该拟合方程的R2=0.9895,即产生的电压与外部温差的相关性很大，且为正相关。从而可根据程序语言的计算包，选择合理的数学计算方法由y值计算出x的值，即温差值。电压输出与温差的数值函数关系示于图3中。

该控制系统中的智能分析与控制模块是本系统的核心，包括由raspberrypi或orangepi或arduino这类Linux开发板充当的智能开发板、基于python语言开发的智能分析程序与配套控制模块组成，其中智能分析程序安装在智能开发板上，配套的控制模块为与智能开发板相匹配的继电器，且该控制模块安装在机械电气开关上。

智能分析与控制模块通过接收电压采集模块所传达的信号，对信号数据进行相应的补偿与修正，并通过电压-温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断。当数值中出现危险值时，由程序发出指令，自动操作控制模块直接关闭机器的电气开关，强行进行断电保护。智能分析与控制程序也具备自动生成报表的能力，以方便人工读取来确认机械故障的具体情况。

相对于传统控制系统依托单片机，本系统依托的智能开发板为一大类，主要为raspberrypi、orangepi、bananapi和arduino等类型的Linux开发板，从而有着很多与之型号匹配的成熟可靠的电压采集模块与继电控制模块，均为模块化组合来实现功能，不仅避免了传统同类系统实现该功能需定制设计复杂的AD与单片机组合而产生的电路板易烧毁、信号匹配能力弱、适配性差的问题，还将主要程序集成于智能开发板上，一方面可以实现智能分析与控制模块的平台程序化执行，而非传统的定制型软件执行，不仅能够个性化设置，还具有同一程序在一类智能开发板上运行的超高适配性。智能分析与控制程序能够对所读取信号数据进行智能分析，而非局限于传统监测系统中同类模块的单纯读取与记录功能，并且可由用户制定对继电控制模块的操作指令，使本系统中的智能分析与控制功能全部由智能开发板完成。

所述电压采集模块由一个与智能开发板所匹配的电压检测模块和相关信息传输线组成。其中电压检测模块的一端直接与温度采集模块用导线相接，接线长度由实际情况而定；另一端直接与智能开发板用导线连接，接线长度不超过15cm，将已采集到的电压信号转换为数字信号直接传输给智能开发板，电压采集模块以及智能分析与控制模块中的智能开发板外部装有金属外壳以屏蔽环境中电磁信号对电压采集模块的干扰。

使用该系统时，确定所要使用的智能开发板，并选择与之型号匹配的电压采集模块和继电控制模块。将温度采集模块，即高性能的半导体热电材料安置于所采集温度部件的表面，一侧贴合部件表面，另一侧做好散热处理，以维持温差。将热电材料的两根导线，即正负极导线接入电压检测模块，接线长度可根据实际情况自行决定。用杜邦线将电压采集模块与智能开发板匹配连接，使所接收的电压信号传入智能开发板。将智能分析与控制程序装入智能开发板，使得开发板能够对所传入信号进行智能分析；将型号匹配的继电控制模块与智能开发板用杜邦线相连，安装在电气开关上，实现对机械的控制。其中电压采集模块和智能开发板外部要安装金属外壳以屏蔽电磁干扰，相应的接线也要做抗干扰处理。

以上为本发明的较佳实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，包括：温度采集模块、用以接收温度采集模块所采集温度信号的电压采集模块、以及智能分析与控制模块，其中电压采集模块将温度采集模块测得的数据传输给智能分析模块与控制模块，智能分析与控制模块对数据进行相应的补偿与修正，并通过电压-温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断；

所述温度采集模块由一块矩形热电材料独立组成，该矩形电热材料为片状，且安装在被测温度的器件外壳表面，材料一侧接触器件表面，另一侧做散热处理；

所述电压采集模块由一个与智能开发板所匹配的电压检测模块和相关信息传输线组成，其中电压检测模块的一端直接与温度采集模块用导线相接，接线长度由实际情况而定,另一端直接与智能开发板用导线连接，将已采集到的电压信号转换为数字信号直接传输给智能开发板；

智能分析与控制模块是本系统的核心，由智能开发板、基于python语言开发的智能分析程序与配套控制模块组成，其中智能分析程序安装在智能开发板上，控制模块为与智能开发板相匹配的继电器，控制模块安装在机械电气开关上。

2.根据权利要求1所述的一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，其特征是：所述温度采集模块中的矩形热电材料为TEP1-142T300型半导体温差发电片。

3.根据权利要求1所述的一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，其特征是：所述智能分析与控制模块中的智能开发板是Linux类开发板。

4.根据权利要求1所述的一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，其特征是：所述电压采集模块中的电压检测模块与智能分析与控制模块中的智能开发板的连接导线长度不超过15cm。

5.根据权利要求1所述的一种外接式矿用机械自动监测与保护系统，其特征是：所述电压采集模块以及智能分析与控制模块中的智能开发板外部装有金属屏蔽壳。