CN108361020A - 基于虚拟仪表的坑道钻机用诊断保护装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种保护装置及方法，属于井下电子仪器仪表领域，具体是涉及一种基于虚拟仪表的坑道钻机用诊断保护装置及方法。包含传感模块、实时数据采集仪、供电模块、数据处理与显示终端、保护模块等五部分，全部采用本安电路设计，可在煤矿井下使用；软件通过硬件驱动层、平台软件层、应用程序层三层架构进行设计开发，实现了存储、通讯、显示、监测和诊断功能；在诊断过程中构建了故障数据库与特征库，通过相似系数准确识别钻机故障，并依据故障级别做出相应的报警响应。本发明体积小、成本低、能全面监测钻机状态、准确识别钻机故障，提高了钻机的数字化水平，为以后钻机智能化提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种保护装置及方法，属于井下电子仪器仪表领域，具体是涉及一种基于虚拟仪表的坑道钻机用诊断保护装置及方法。
背景技术
全液压坑道钻机主要用于煤矿井下瓦斯抽采与探放水钻孔施工，是一种结构复杂，工作环境恶劣，且存在多源振动的特殊机械设备。其运行的可靠性直接影响煤矿井下钻孔施工的安全与效率。目前钻机的运行参数多采用机械式仪表监测。这些仪表无法诊断钻机故障，也不记录钻机状态数据，仅凭借工人主动观察与以往经验判断钻机是否故障，诊断的准确性很难保证。为保证钻孔施工安全，有必要引入相关系统实时监测钻机状态参数，自动识别钻机故障。针对某些严重故障，必要时采取快速断电等措施制止操作、保护钻机，防止恶劣事故的发生。
虽然目前已有部分矿用钻机的监测诊断系统开发出来，但这些系统只是停留在状态监测与故障诊断层面，没有根据所诊断的故障结果进行相应的保护操作。且有些监测系统所用到的隔爆兼本安计算机，体积大、成本高，不利于在钻机上广泛推广。因此亟需开发一套体积小、成本低、传感器种类丰富的基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置(以下简称“装置”)，监测钻机参数，识别钻机故障，并可根据故障程度做出相应的报警响应。
在故障诊断领域，简单的阈值判断无法识别复杂的钻机故障。比如主泵故障与安全阀故障都可能导致主泵压力过大，利用主泵压力超限无法识别故障类型。因此必要开发一种智能识别方法区分表现形式相似的钻机故障。同时，依据故障程度做出不同的报警响应。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的等的技术问题，提供了一种基于虚拟仪表的坑道钻机用诊断保护装置及方法。该装置及方法体积小、成本低、能全面监测钻机状态、准确识别钻机故障、必要时能采取保护措施。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置，包括：
传感模块(1)，包括以下传感器中的一种或多种：温度传感器(13)、液位传感器(14)、倾角传感器(15)、转速传感器(16)、振动传感器(17)、编码器(18)、与油路块(19)连接的压力变送器(11)和流量传感器(12)；
实时数据采集仪(2)，与传感模块(1)连接，具有多路通道，用于根据测量物理量的数值大小自适应调节放大倍数并获得标准化类型数据；
数据处理与显示终端(4)，与实时数据采集仪(2)连接，用于监测数据转化与故障类型的识别，并发出报警指令；
保护模块(5)，其内置声光报警与保护开关，用于根据所述报警指令做出不同的响应措施。
在一种实施方式中，所述实时数据采集仪(2)包括：
电源管理模块(21)，包含数字电源电路(211)和模拟电源电路(212)，用于将供电模块输出的直流电压隔离出数字电源及模拟电源，并对数字电源和模拟电源进行工频滤波；
多总线模块(22),包含CAN总线电路(221)、485总线电路(222)、232总线电路(223)、以太网总线电路(224)，用于连接多种总线式传感器，并通过总线发送实时数据采集仪(2)处理的数据；
信号测量模块(23)，包含频率测量电路(231)、开关量测量电路(232)、可调电压测量电路(233)、可调电流测量电路(234)；
隔离模块(24)，包含隔离总线电路(241)与隔离模拟信号调理电路(242)，所述隔离总线电路(241)与多总线模块(22)相连，用于隔离总线上的收发数据；所述隔离模拟信号调理电路(242)与信号测量模块(23)相连，用于对外界测量信号进行隔离以及对该信号行放大、滤波及AD转换。
在一种实施方式中，所述实时数据采集仪(2)包括微处理模块(25)，所述微处理模块(25)进一步包括：放大滤波电路(251)、模数转换电路(252)、微处理电路(253)；
其中，所述放大滤波电路(251)对模拟电信号进行放大、滤波处理，传送至模数转换电路(252)中，转化为数字信号；所述微处理电路(253)读取转换后的数字信号并判断其是否符合标准类型数据的要求；如果不符合，则调节放大倍数重新转化调理数据，直至符合要求后发送至CAN总线电路(221)中，实现了传感数据的传输。
在一种实施方式中，所述数据处理与显示终端(4)包括：处理及显示电源管理模块(41)、多总线模块(42)、核心处理模块(43)及显示与存储模块(44)；
所述电源管理模块(41)输入直流电压，为多总线模块(42)、核心处理模块(43)及显示与存储模块(44)供电；
所述多总线模块(42)包含CAN总线电路(421)、232总线电路(422)、通信隔离电路(436)，用于实现与实时数据采集仪(2)进行实时通信；
所述核心处理模块(43)包含LCD控制器(431)、存储处理器(432)、SDIO接口(433)、红外控制接口(434)、喇叭输出接口(435)、通信隔离电路(436)；所述LCD控制器(431)与LCD显示屏相连，控制数据输出；所述存储处理器(432)与动态随机存储器(442)相连，对传感数据进行计算与分析，换算为标准单位进行存储与显示；所述SDIO接口(433)与快闪存储器卡(443)相连；所述红外控制接口(434)与红外遥控器(444)相连，实现对传感器ID、k值的设置；所述喇叭输出接口(435)与喇叭(445)相连用于对故障数据报警。
在一种实施方式中，所述保护模块(5)包括：保护电源管理模块(51)、声光报警灯(52)、保护开关(53)；所述电源管理模块(51)输入直流电压为声光报警灯(52)和保护开关(53)供电。
一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护方法，包括：
步骤1，启动虚拟仪表系统，初始化，启动实时数据监测仪；
步骤2，实时数据监测仪是否接到采集命令，如果接到命令，进行信号采集通道扫描，提取信号，否则关闭系统，结束；
步骤3，对数据进行计算与分析，查看数据是否出现阈值超限，如果超限，进行故障报警，然后进行故障显示与存储；如果不超限，正常数据显示，待达到保存时间后，自动保存数据，回到步骤2重复运行直至结束。
在一种实施方式中，所述步骤3进一步包括：
步骤3.1，对钻机故障进行等级分类，按照不同等级制定不同应对措施；
步骤3.2，对各类故障进行分别进行试验，每种采集样本多组样本，形成原始故障数据库，提取故障特征向量Xi(i＝1,2,...,n表示故障种类)，并按照其与故障类型之间的密切关系分配分配贡献值Si，形成故障特征库；
步骤3.3，计算钻机监测数据Y与各类故障之间的相似度系数L；
步骤3.4，将相似系数大于阈值的故障类型作为特征向量所属的故障类型，根据所属故障等级进行声光报警或报警加断电。
在一种实施方式中，包括：根据下式计算钻机监测数据Y与各类故障之间的相似度系数L，
其中，Y表示监测数据，表示故障特征向量Xi的均值，σi表示故障特征向量Xi的方差，Ai表示监测数据Xi是否符合故障要求的逻辑判断。
因此，本发明具有如下优点：1)本发明的硬件均采用本安电路设计，并已获得煤安认证，体积小、成本低、功能丰富，便于在井下坑道钻机上推广应用。
2)本发明的硬件具有传感数据调理自适应匹配功能，可接入多种输出范围、输出类型的传感器，增加了系统的适应性和实用性。
3)本发明软件采用硬件驱动层、平台软件层、应用程序层三层架构进行设计，实现了存储、通讯、显示、监测和诊断功能，功能强大，界面显示直观、方便。
4)本发明构建了故障数据库与特征库，通过相似系数准确识别钻机故障，并依据故障类型做出不同的报警响应，提高了钻机的数字化水平，为钻机智能化提供技术支持。
附图说明
图1是基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置硬件框架图；
图2是实时数据监测仪电路原理图。
图3是实时数据监测仪的传感数据调理自适应匹配原理图。
图4是供电模块电路原理图
图5为数据处理与显示终端电路原理图
图6为保护模块电路原理图
图7为基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置软件架构图
图8为诊断任务的故障诊断原理图
图9为基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置的操作流程图
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
参见图1，本发明所述的基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置及方法，包括：系统的硬件结构主要分为传感模块1、实时数据采集仪2、供电模块3、数据处理与显示终端4、保护模块5等五部分，全部采用本安电路设计，可在煤矿井下使用。除供电模块3和实时数据采集仪2为集成电路封装外，其余线路连接均采用电缆线连接。
其中传感模块1包含温度传感器13、液位传感器14、倾角传感器15、转速传感器16、振动传感器17、编码器18、以及与油路块19螺纹连接的压力变送器11和流量传感器12。所用传感器接线均采用航插接头形式，便于快速连接。
其中实时数据采集仪2具有24路通道，其中包括九路压力、两路流量、一路温度、一路液位、两路倾角、两路振动、一路转速、一路位移、两路编码、一路备用频率信号、一路CAN总线的采集通道及一路交流127V输入通道，并支持CAN总线、485总线、232总线、以太网总线等多种通信模式，实现和数据处理与显示终端4之间的数据传输，并可根据测量物理量的数值大小，自适应调节放大倍数，获得标准化类型数据，不受传感器种类与测量范围的限制。
其中供电模块3输入交流127V电压，输出直流12V电压，为实时数据采集仪2和数据处理与显示终端4供电。
其中数据处理与显示终端4选用STM32F407ZG作为主芯片，外观为七寸LCD显示屏，成本低、功耗小。
其中所述的保护模块5内置声光报警灯与保护开关，可根据钻机故障程度做出不同的响应措施。
参见图2，本发明所述的实时数据采集仪2，包括：电源管理模块21、多总线模块22、信号测量模块23、隔离模块24、微处理器模块25等五部分。
其中电源管理模块21由数字电源电路211和模拟电源电路212组成，作用是将供电模块输出的12V直流电压隔离出数字电源及模拟电源，并对数字电源和模拟电源进行工频滤波。
其中多总线模块22包含CAN总线电路221、485总线电路222、232总线电路223、以太网总线电路224，可方便连接多种总线形式的传感器，并可以将实时数据采集仪2处理的数据通过总线发送出去。
其中信号测量模块23包含频率测量电路231、开关量测量电路232、可调电压测量电路233、可调电流测量电路234。
其中隔离模块24包含隔离总线电路241与隔离模拟信号调理电路242。隔离总线电路241与多总线模块22相连，隔离总线上的收发数据；隔离模拟信号调理电路242与信号测量模块23直接相连，除对外界测量信号进行隔离外，还可以对该信号行放大、滤波及AD转换。
其中微处理器模块25采用ARM Cortex-M4处理器，与隔离模块24连接，处理经隔离模块24隔离后的多总线模块22以及信号测量模块23上的电信号。
参见图3，本发明所述的实时数据采集仪2，具有传感数据调理自适应匹配功能，主要体现在传感模块1获取物理信号，经放大滤波电路251、模数转换电路252、微处理电路253，最终传递给CAN总线电路221的过程中。传感模块1将物理量转化为模拟电信号，放大滤波电路251对该模拟电信号进行放大、滤波处理，传送至模数转换电路252中，转化为数字信号。微处理电路253读取转换后的数字信号，判断其是否符合标准类型数据的要求。如果不符，调节放大倍数重新转化调理数据，直至符合要求后，发送至CAN总线电路221中，实现了传感数据的传输。该功能使实时数据采集仪2可接入多种类型与测量范围的传感器，扩大了系统的适应性和实用性。
参见图4，本发明所述的供电模块3，其作用是将外界非安交流电源转变成本安直流电源，包括隔离AC-DC模块31、本安保护模块32。其中隔离AC-DC模块31将外界非安交流电源进行隔离降压整流成直流电源，本安保护模块32对直流电源进行过压、过流、过热保护。
参见图5，本发明所述的数据处理与显示终端4，包括：电源管理模块41、多总线模块42、核心处理模块43及显示与存储模块44等四部分。
其中电源管理模块41输入12V直流电压，为多总线模块42、核心处理模块43及显示与存储模块44供电。
其中多总线模块42包含CAN总线电路421和232总线电路422，和通信隔离电路436相连，实现与实时数据采集仪2进行实时通信。
其中核心处理模块43以STM32F407ZG为主芯片，包含LCD控制器431、存储处理器432、SDIO接口433、红外控制接口434、喇叭输出接口435、通信隔离电路436。LCD控制器431与七寸LCD显示屏相连，控制数据输出。存储处理器432与动态随机存储器442相连，对传感数据进行计算与分析，换算为标准单位进行存储与显示。SDIO接口433与快闪存储器卡443相连，外部存储数据。红外控制接口434与红外遥控器444相连，实现对传感器ID、k值的设置。喇叭输出接口435与喇叭445相连，对故障数据报警。
其中显示与存储模块44包含七寸LCD显示屏441、动态随机存储器442、快闪存储器卡443、红外遥控器444与喇叭445。七寸LCD显示屏441显示监测及诊断结果。动态随机存储器442处理监测数据的计算任务与故障诊断任务。快闪存储器卡443存储监测及诊断数据。喇叭445实时播报报警信息。
参见图6，本发明所述的保护模块5，包括：电源管理模块51、声光报警灯52、保护开关53等三部分。电源管理模块51输入12V直流电压，为声光报警灯52和保护开关53供电。保护开关53可依据触发命令断开钻机动力电。
参考图7，本发明所述的基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置及方法，软件通过硬件驱动层、平台软件层、应用程序层三层架构进行设计开发。其中硬件驱动层与底层硬件进行数据和命令的交互，对硬件功能进行抽象并封装成API操作接口，提供给平台软件层调用；平台软件层提供一个实时操作平台，完成任务创建、任务调度、任务管理、文件系统管理、CAN总线协议解析、内存管理、动态显示支持等功能。应用程序层完成监测与诊断软件的各项任务，实现虚拟仪表系统的存储、通讯、显示、监测和诊断功能。
其中所述的硬件驱动层实现了SD驱动程序开发、CAN驱动程序开发、LCD驱动程序开发，分别完成了对SD卡、CAN总线、LCD显示屏硬件的配置、初始化、数据读取、数据写入操作。
所述的平台软件层实现了FATFS文件管理系统的移植、CAN应用协议的添加及STemWin图形软件界面的移植。其中FATFS文件管理系统用于创建、读取、写入FAT32分区格式的文件，使用户像操作计算机文件系统一样操作监测诊断系统中的文件；CAN应用协议主要用来按照协议对CAN总线数据帧进行解析及打包处理；StemWin图形软件界面用于虚拟仪表界面的实现，如动态仪表、动态柱状图的显示。
所述的应用软件层实现了前台任务的设计、任务之间的数据交互设计、人机交互界面的设计，具体包括存储任务、CAN通讯任务、显示任务、监测任务与诊断任务等的设计。其中存储任务用于将计算任务的结果创建文件并写入到SD卡、读取SD卡中的文件并将数据传输给显示任务供操作人员查阅；CAN通讯任务用于读取传感器数据，并将数据作为输入量输入到计算任务中；监测任务用于钻机状态参数的实时监测与传感数据换算；诊断任务构建了故障数据库与特征库，通过相似系数准确识别钻机故障，并依据故障类型做出不同的报警响应。显示任务用于进行监测结果的动态实时显示，提供人机操作界面。
参考图8，所述的基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置及方法的诊断任务，其故障诊断原理为：
1)对钻机故障进行等级分类，将油位过低、油温过高、安全阀故障、马达故障、主泵故障、副泵故障等六种可能带来二次危害或危害钻机关键部件的严重故障定义为二级故障；将夹持器夹不紧、夹持器松不开、回转无力、回转器无法直线运动等四种简单故障定义为一级故障。发生一级故障只声光报警，发生了二级故障声光报警的同时断电保护。
2)对各类故障进行分别进行试验，每种采集样本50组，形成原始故障数据库。提取故障特征向量Xi(i＝1,2,...,n表示故障种类)，并按照其与故障类型之间的密切关系分配分配贡献值Si，形成故障特征库。
3)利用下式计算钻机监测数据Y与各类故障之间的相似度系数L，
其中，Y表示监测数据，表示故障特征向量Xi的均值，σi表示故障特征向量Xi的方差，Ai表示监测数据Xi是否符合故障要求的逻辑判断。
4)相似度系数L数值越大，表示成为某种故障的可能性越大。当L≥0.5时，认为属于该故障，并根据所属故障等级进行声光报警或报警加断电。
参见图9，本发明所述的基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置的操作与数据处理方法，包括以下步骤：
步骤一，启动虚拟仪表系统，初始化，启动实时数据监测仪；
步骤二，实时数据监测仪是否接到采集命令，如果接到命令，进行信号采集通道扫描，提取信号，否则关闭系统，结束。
步骤三，对数据进行计算与分析，查看数据是否出现阈值超限，如果超限，进行故障报警，然后进行故障显示与存储。如果不超限，正常数据显示，待达到保存时间后，自动保存数据。步骤三执行完毕后，回到步骤二重复运行直至结束。
实施例：某型号钻机在现场施工，在主泵控制手柄推到最前端时，主泵压力只有15～16Mpa，达到不到正常工作时21MPa的要求，据此参数人工判断可能是主泵故障或者安全阀故障，但无法判断是哪一种故障。本发明可检测主泵压力、主泵进口流量、主泵出口泄露量、副本泵压力、副泵流量等30路参数，利用本发明的诊断流程，计算出主泵故障的相似度系数为0.1，安全阀故障的相似度系数为0.8，马达故障的相似度系数为0.1，故判断为安全阀故障，属于二级故障，同时对钻机进行声光报警与断电保护。后拆卸更换安全阀，钻机正常运行，证实本发明诊断有效。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置，其特征在于，包括：
传感模块(1)，包括以下传感器中的一种或多种：温度传感器(13)、液位传感器(14)、倾角传感器(15)、转速传感器(16)、振动传感器(17)、编码器(18)、与油路块(19)连接的压力变送器(11)和流量传感器(12)；
实时数据采集仪(2)，与传感模块(1)连接，具有多路通道，用于根据测量物理量的数值大小自适应调节放大倍数并获得标准化类型数据；
数据处理与显示终端(4)，与实时数据采集仪(2)连接，用于监测数据转化与故障类型的识别，并发出报警指令；
保护模块(5)，其内置声光报警与保护开关，用于根据所述报警指令做出不同的响应措施。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置，其特征在于，所述实时数据采集仪(2)包括：、
电源管理模块(21)，包含数字电源电路(211)和模拟电源电路(212)，用于将供电模块输出的直流电压隔离出数字电源及模拟电源，并对数字电源和模拟电源进行工频滤波；
多总线模块(22),包含CAN总线电路(221)、485总线电路(222)、232总线电路(223)、以太网总线电路(224)，用于连接多种总线式传感器，并通过总线发送实时数据采集仪(2)处理的数据；
信号测量模块(23)，包含频率测量电路(231)、开关量测量电路(232)、可调电压测量电路(233)、可调电流测量电路(234)；
隔离模块(24)，包含隔离总线电路(241)与隔离模拟信号调理电路(242)，所述隔离总线电路(241)与多总线模块(22)相连，用于隔离总线上的收发数据；所述隔离模拟信号调理电路(242)与信号测量模块(23)相连，用于对外界测量信号进行隔离以及对该信号行放大、滤波及AD转换。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置，其特征在于，所述实时数据采集仪(2)包括微处理模块(25)，所述微处理模块(25)进一步包括：放大滤波电路(251)、模数转换电路(252)、微处理电路(253)；
其中，所述放大滤波电路(251)对模拟电信号进行放大、滤波处理，传送至模数转换电路(252)中，转化为数字信号；所述微处理电路(253)读取转换后的数字信号并判断其是否符合标准类型数据的要求；如果不符合，则调节放大倍数重新转化调理数据，直至符合要求后发送至CAN总线电路(221)中，实现了传感数据的传输。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置，其特征在于，所述数据处理与显示终端(4)包括：处理及显示电源管理模块(41)、多总线模块(42)、核心处理模块(43)及显示与存储模块(44)；
所述电源管理模块(41)输入直流电压，为多总线模块(42)、核心处理模块(43)及显示与存储模块(44)供电；
所述多总线模块(42)包含CAN总线电路(421)、232总线电路(422)、通信隔离电路(436)，用于实现与实时数据采集仪(2)进行实时通信；
所述核心处理模块(43)包含LCD控制器(431)、存储处理器(432)、SDIO接口(433)、红外控制接口(434)、喇叭输出接口(435)、通信隔离电路(436)；所述LCD控制器(431)与LCD显示屏相连，控制数据输出；所述存储处理器(432)与动态随机存储器(442)相连，对传感数据进行计算与分析，换算为标准单位进行存储与显示；所述SDIO接口(433)与快闪存储器卡(443)相连；所述红外控制接口(434)与红外遥控器(444)相连，实现对传感器ID、k值的设置；所述喇叭输出接口(435)与喇叭(445)相连用于对故障数据报警。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护装置，其特征在于，所述保护模块(5)包括：保护电源管理模块(51)、声光报警灯(52)、保护开关(53)；所述电源管理模块(51)输入直流电压为声光报警灯(52)和保护开关(53)供电。
6.一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护方法，其特征在于，包括：
步骤1，启动虚拟仪表系统，初始化，启动实时数据监测仪；
步骤2，实时数据监测仪是否接到采集命令，如果接到命令，进行信号采集通道扫描，提取信号，否则关闭系统，结束；
步骤3，对数据进行计算与分析，查看数据是否出现阈值超限，如果超限，进行故障报警，然后进行故障显示与存储；如果不超限，正常数据显示，待达到保存时间后，自动保存数据，回到步骤2重复运行直至结束。
7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括：
步骤3.1，对钻机故障进行等级分类，按照不同等级制定不同应对措施；
步骤3.2，对各类故障进行分别进行试验，每种采集样本多组样本，形成原始故障数据库，提取故障特征向量Xi(i＝1,2,...,n表示故障种类)，并按照其与故障类型之间的密切关系分配分配贡献值Si，形成故障特征库；
步骤3.3，计算钻机监测数据Y与各类故障之间的相似度系数L；
步骤3.4，将相似系数大于阈值的故障类型作为特征向量所属的故障类型，根据所属故障等级进行声光报警或报警加断电。
8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟仪表技术的坑道钻机用诊断保护方法，其特征在于，包括：根据下式计算钻机监测数据Y与各类故障之间的相似度系数L，
其中，Y表示监测数据，表示故障特征向量Xi的均值，σi表示故障特征向量Xi的方差，Ai表示监测数据Xi是否符合故障要求的逻辑判断。
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