CN107892223A - 一种提升容器监测系统及张力故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升容器监测系统及张力故障监测方法，监测系统包括安装于提升容器与钢丝绳处的张力传感器；所述张力传感器与安装于所述提升容器内的采集模块连接；所述采集模块与安装于所述提升容器内的处理器连接；所述处理器与安装于所述提升容器顶部的惯性单元、安装于提升容器侧面的显示屏、报警开关、安装于所述提升容器内的第一以太网交换机连接。本发明出了一种集钢丝绳张力、提升容器冲击与倾角检测、罐笼视频监控及语音对讲、报警、罐笼内信息显示和无线传输为一体的方案。本发明可解决提升容器安全监测匮乏的问题，通过集成的综合监测与通信手段大大提高提升容器的安全性与信息化水平。

Description

一种提升容器监测系统及张力故障监测方法

技术领域

本发明涉及监测装置，特别是一种提升容器监测系统及张力故障监测方法。

背景技术

矿井提升设备是连接矿山井上与井下的“咽喉”，承担着矿物资源与人员、物料的运输任务。重载的提升容器在井筒中快速运行，保障其安全运行至关重要。但是，目前绝大多数提升容器缺乏载荷、冲击等重要信号检测与视频监控，成为矿山系统中的“信息孤岛”，这使得很多安全隐患难以察觉，安全事故难以定责，给矿山安全运行带来挑战。比如超载、多根钢丝绳间张力差异过大、卡罐、异物冲击等情况可能造成钢丝绳断裂，进而引起坠罐事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种提升容器监测系统及张力故障监测方法，实时监测提升容器载荷、冲击、钢丝绳张力，保障提升容器安全。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种提升容器监测系统，包括安装于提升容器与钢丝绳处的张力传感器；所述张力传感器与安装于所述提升容器内的采集模块连接；所述采集模块与安装于所述提升容器内的处理器连接；所述处理器与安装于所述提升容器顶部的惯性单元、安装于提升容器侧面的显示屏、报警开关、安装于所述提升容器内的第一以太网交换机连接；所述以太网交换机与安装于所述第一以太网交换机底部的摄像头连接；所述第一以太网交换机与安装于所述提升容器顶部的第一无线通信模块通信；所述第一无线通信模块与安装于天轮下方的第二无线通信模块通信；所述第二无线通信模块与安装于提升机房内的第二以太网交换机通信；所述第二以太网交换机与所述提升机房内的工控机、硬盘录像机、主控制器连接。

所述摄像头还与安装于所述提升容器侧面的扬声器、拾音器连接。

所述硬盘录像机与所述提升机房内的监控器、对讲器连接。

所述采集模块、惯性单元并排设置于所述处理器上方；所述第一以太网交换机设置于所述处理器下方。

所述提升容器顶部还设有蓄电池。

摄像头自带语音输入输出与报警输入输出接口，摄像头的视频信号与拾音器的语音、报警按钮的报警信号通过第一以太网交换机、第一无线模块、第二无线模块、第二以太网交换机传输后进入硬盘录像机，实现视频信号的存储与解码，显示在监控墙上。

张力传感器信号经采集模块进入DSP处理器，惯性单元输出加速度、角速度信号，进入DSP处理器，以上监测信号经过初级数据处理后进入第一以太网交换机，经第一无线模块、第二无线模块、第二以太网交换机传输后进入工控机，由监测软件进行数据处理和记录、显示。

工控机与提升机主控PLC通信，一方面将报警信息反馈给主控PLC，使之采取相应的控制手段，一方面从主控PLC获取提升容器的位置、速度等主要信息，这些信息通过第二以太网交换机、第二无线模块、第一无线模块、第一以太网交换机进入DSP处理器，通过DSP处理器输出到罐笼内的显示屏。

相应地，本发明还提供了一种利用上述提升容器监测系统进行张力故障监测的方法，该方法包括：

在装载区，待装载完成后，静止一段时间(10～20s)，对张力进行多次采样，每次采样后计算张力和，然后计算张力和的平均值，作为提升容器静载荷Fs，将静载荷Fs与装载阈值(装载阈值设定为(G_k+G_r)×(1±5％)，其中G_k为一次装载矿石重力的设计值，G_r为提升容器自身重力值)进行对比，判断是否超载，超载则报警；

在运动区，对每根钢丝绳的张力Fi进行同步采样，a)每次采样后计算平均张力值，并计算Fi与的相对差异ΔF＝(F_i-)/×100％，当连续3次计算结果|ΔF|＞10％时，进行张力差异过大报警；b).每次采样后计算张力和Fss，同时通过沿井筒方向的加速度a计算动载荷，向上提升时F_sa＝(F_S/g)×(a+g)，其中g为当地重力加速度，计算F_SS与Fsa的相对差异ΔFs＝|Fss-Fsa|/Fss×100％，如果连续3次计算结果ΔFs＞5％，则张力传感器或加速度传感器自身可能出现故障，进行报警以便进一步检修；

在卸荷区，待卸荷完成后，静止一段时间(10～20s)，对张力进行多次采样，每次采样后计算张力和，然后计算张力和的平均值，并与卸荷阈值(卸荷阈值设定为G_r×(1±5％)，G_r为提升容器自身重力值)进行对比，判断是否卸净，未卸净则报警。

本发明实现的功能有：(1)实现钢丝绳张力、提升容器振动、倾斜等关键参数的实时监测；(2)实现在罐笼内显示深度、速度等关键信息；(3)实现罐笼的视频监控；(4)实现罐笼与操作室的语音对讲、报警等信息交互；(5)通过张力传感器与加速度传感器的数据处理与对比实现传感器自身故障的检测，适用于矿井恶劣环境；(6)实现超载、钢丝绳张力差过大、卸荷不净、冲击或倾斜过大、罐道变形等多种故障报警并将故障信号发送给主控PLC，以便采取相应的控制措施。

本发明的有益效果有：

解决了提升容器没有或只有极少状态监测的问题，提出了集成的多状态监测方案，实现了钢丝绳张力、提升容器冲击、倾斜等关键参数监测和视频监控、语音对讲；大大丰富了提升容器的状态数据，提高提升容器的安全性与信息化水平。

附图说明

图1为本发明监测系统系统安装示意图；

图2为本发明监测系统结构框图；

图3为本发明张力故障判别方法流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明实施例包安装于提升容器1与钢丝绳2处的张力传感器3；所述张力传感器3与安装于所述提升容器内的采集模块4连接；所述采集模块4与安装于所述提升容器内的处理器5连接；所述处理器5与安装于所述提升容器顶部的惯性单元6、安装于提升容器侧面的显示屏7、报警开关8、安装于所述提升容器内的第一以太网交换机9连接；所述以太网交换机9与安装于所述第一以太网交换机9底部的摄像头10连接；所述第一以太网交换机9与安装于所述提升容器顶部的第一无线通信模块12通信；所述第一无线通信模块12与安装于天轮11下方的第二无线通信模块13通信；所述第二无线通信模块13与安装于提升机房14内的第二以太网交换机15通信；所述第二以太网交换机15与所述提升机房14内的工控机16、硬盘录像机17、主控制器18连接。

摄像头10还与安装于所述提升容器1侧面的扬声器19、拾音器20连接。

硬盘录像机17与所述提升机房14内的监控器21、对讲器22连接。

采集模块4、惯性单元6并排设置于所述处理器5上方；所述第一以太网交换机9设置于所述处理器5下方。

提升容器1顶部还设有蓄电池23，蓄电池23与电源管理模块24连接。

在钢丝绳与罐笼连接处安装有张力传感器，优选的，为保证钢丝绳与罐笼连接强度及安装方便，采用旁压式钢丝绳拉力传感器。与测量悬挂油缸油压、串联拉力传感器等方式相比，旁压式拉力传感器具有安装方便，不破坏原有结构等优点。为避免钢丝绳的抗弯刚度引起的测量误差，采用如下方法进行校正：使用旁压式张力传感器测量一段同型号钢丝绳不受拉力的情况下的张力输出值F₀，F₀即为钢丝绳自身抗弯刚度造成的测量误差，在上位机程序中用测量值减去F₀即为钢丝绳实际张力值。

在罐笼(提升容器)内部安装有集成的信号盒，信号盒内安装有电源管理模块、DSP理器、模拟量采集板、惯性单元和以太网交换机。

DSP处理器作为罐笼内信号采集、显示等的核心处理模块，

DSP处理器连接模拟量采集板，采集钢丝绳张力传感器信号；

DSP处理器连接惯性单元，内置加速度计与陀螺仪，可采集罐笼三轴加速度、角速度信号；加速度信号经过DSP处理器滤波，获得去噪的加速度信号；角速度信号经过DSP处理器滤波和一次积分，获得倾角信号；

DSP处理器连接罐笼显示屏，可显示工控机从主控PLC系统中获得的深度、速度、装(卸)载等关键信息或报警提示信息；

DSP处理器连接集成报警按钮的信号盒，实现罐笼报警功能；

以太网交换机作为通信接口连接DSP处理器、网络摄像头、无线模块B；

电源管理模块负责从蓄电池处转换、分配罐笼内各电子设备所需的电源；

罐笼内部还安装有网络摄像头，可实现对罐笼的视频监控，优选的，采用兼容性好的ONVIF协议，方便融入矿方原有的视频监控系统，统一管理；网络摄像头连接扬声器、拾音器，实现与操作司机语音对讲；

罐笼外部顶部安装有无线模块B，该模块集成了收发信机与天线，与安装在天轮下方的无线模块A配合实现信号的无线传输。优选的，无线模块采用WiFi协议，工作在2.4/5GHz频段，为适应井筒狭长的特点采用定向天线。

在天轮下方安装无线模块A，与上述无线模块B配合实现信号的无线传输。

提升机房/监控室设备内安装有以太网交换机，作为通信接口，通过以太网线或光纤连接无线模块A，通过以太网线连接硬盘录像机、对讲器、工控机。

安装有硬盘录像机，可使用矿方原有的硬盘录像机，实现对监控画面的存储与管理，连接监控墙，实现监控画面的显示；

安装有对讲器，集成拾音器与扬声器，与罐笼设备配合实现语音对讲；

安装有工控机，在该工控机上设计上位机监控软件，功能如下：

(1)实现对钢丝绳张力、罐笼振动(加速度)、姿态(倾角)等信息的显示、存储；

(2)通过张力信号实现超载、卸荷不净、张力不平衡故障报警；

(3)通过张力信号实现产量统计报表等功能；

(4)通过加速度信号实现振动、异物冲击等故障报警；

(5)根据经验或试验设置横向振动和提升容器倾斜的阈值，结合从主控PLC读取的深度信息，若每次经过某位置加速度或倾角信号超过阈值，则判断此位置可能出现罐道变形故障，发出报警信息并进行记录，以便后续检修；

(6)实现多传感器张力信号冗余校正：装载后通过钢丝绳静态张力之和确定提升容器总载荷m，根据牛顿第二定律F＝ma，通过Z轴(沿井筒方向)加速度测量值与总载荷计算钢丝绳总张力，与张力传感器测得张力和值进行对比，当两者差值超过设定的阈值时报警。这样既能增加张力信息的可靠性，又能及时发现传感器自身故障，对于环境恶劣的矿井环境是十分必要的；

(7)与主控PLC 25系统通信，通信协议可根据具体主控PLC 25类型选择，如串行通信、以太网通信、OPC通信等；将上述故障信号传送给主控PLC，由主控PLC做出相应的控制处理；读取主控PLC系统中的深度、速度等信息，转发给罐笼DSP处理器，在罐笼显示屏上显示。

本发明提供了一种张力故障判别方法，通过张力传感器测量每根提升钢丝绳的张力F_i(i为第i根钢丝绳)，通过加速度传感器测量沿井筒方向的加速度值a。根据提升容器所处的不同位置进行张力故障监测：

(1)在装载区，关注是否超载，待装载完成后，静止一段时间，对张力进行多次采样，每次采样后计算张力和，然后计算张力和的平均值，作为提升容器静载荷F_s，与装载阈值进行对比，判断是否超载，超载则报警；

(2)在运动区，关注不同钢丝绳之间的张力差，同时对传感器自身故障进行检测。对每根绳的张力F_i进行同步采样，a).每次采样后计算平均张力值并计算F_i与的相对差异ΔF＝(F_i-)/×100％，参考《煤矿安全规程》，设定±10％为阈值，即当连续3次计算结果|ΔF|＞10％时，进行张力差异过大报警。b).每次采样后计算张力和F_ss，同时通过沿井筒方向的加速度a计算动载荷，向上提升时F_sa＝(F_S/g)×(a+g)，其中g为当地重力加速度。计算F_ss与F_sa的相对差异ΔF_s＝|F_ss-F_sa|/F_ss×100％，如果连续3次计算结果ΔF_s＞5％，则张力传感器或加速度传感器自身可能出现故障，进行报警以便进一步检修。

(3)在卸荷区，关注是否卸净，否则可能出现二次装载情况。待卸荷完成后，静止一段时间，对张力进行多次采样，每次采样后计算张力和，然后计算张力和的平均值，并与卸荷阈值进行对比，判断是否卸净，未卸净则报警。

Claims (10)

1.一种提升容器监测系统，其特征在于，包括安装于提升容器(1)与钢丝绳(2)处的张力传感器(3)；所述张力传感器(3)与安装于所述提升容器内的采集模块(4)连接；所述采集模块(4)与安装于所述提升容器内的处理器(5)连接；所述处理器(5)与安装于所述提升容器顶部的惯性单元(6)、安装于提升容器侧面的显示屏(7)、报警开关(8)、安装于所述提升容器内的第一以太网交换机(9)连接；所述第一以太网交换机(9)与摄像头(10)连接；所述第一以太网交换机(9)与安装于所述提升容器顶部的第一无线通信模块(12)通信；所述第一无线通信模块(12)与安装于天轮(11)下方的第二无线通信模块(13)通信；所述第二无线通信模块(13)与安装于提升机房(14)内的第二以太网交换机(15)通信；所述第二以太网交换机(15)与所述提升机房(14)内的工控机(16)、硬盘录像机(17)、主控制器(18)连接；所述工控机(16)与安装于所述提升机房(14)内的主控PLC(25)连接；所述第一无线通信模块(12)、第二无线通信模块(13)截面位置相对。

2.根据权利要求1所述的提升容器监测系统，其特征在于，所述摄像头(10)还与安装于所述提升容器(1)侧面的扬声器(19)、拾音器(20)连接。

3.根据权利要求2所述的提升容器监测系统，其特征在于，所述扬声器(19)、拾音器(20)、报警开关(8)均安装于安装盒A内，所述安装盒A安装于所述提升容器侧壁上；所述处理器(5)、采集模块(4)、惯性单元(6)、第一以太网交换机(9)均安装于集成的安装盒B内，所述摄像头(10)安装于所述安装盒B的底部，所述安装盒B安装于所述提升容器顶部。

4.根据权利要求1所述的提升容器监测系统，其特征在于，所述硬盘录像机(17)与所述提升机房(14)内的监控墙/监控屏幕(21)、对讲器(22)连接。

5.根据权利要求3所述的提升容器监测系统，其特征在于，所述提升容器(1)顶部还设有蓄电池(23)。

6.根据权利要求5所述的提升容器监测系统，其特征在于，所述安装盒B内还安装有与所述蓄电池(23)连接的电源管理模块。

7.一种利用权利要求1～6之一所述提升容器监测系统进行张力故障监测的方法，其特征在于，该方法包括：

在装载区，待装载完成后，静止时间T，对张力进行多次采样，每次采样后计算张力和，然后计算张力和的平均值，作为提升容器静载荷F_s，将静载荷F_s与装载阈值进行对比，判断是否超载，超载则报警；

在运动区，对每根钢丝绳的张力F_i进行同步采样，a)每次采样后计算平均张力值并计算F_i与的相对差异 当连续3次计算结果|ΔF|＞10％时，进行张力差异过大报警；b).每次采样后计算张力和F_ss，同时通过沿井筒方向的加速度a计算动载荷，向上提升时F_sa＝(F_S/g)×(a+g)，其中g为当地重力加速度，计算F_SS与F_sa的相对差异ΔF_s＝|F_ss-F_sa|/F_ss×100％，如果连续3次计算结果ΔF_s＞5％，则张力传感器或加速度传感器自身可能出现故障，进行报警以便进一步检修；

在卸荷区，待卸荷完成后，静止时间T，对张力进行多次采样，每次采样后计算张力和，然后计算张力和的平均值，并与卸荷阈值进行对比，判断是否卸净，未卸净则报警。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，T＝10～20s。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述装载阈值设定为(G_k+G_r)×(1±5％)，其中G_k为一次装载矿石重力的设计值，G_r为提升容器自身重力值。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述卸荷阈值设定为G_r×(1±5％)，G_r为提升容器自身重力值。