CN110821566A - 一种矿井井筒用故障监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿井井筒用故障监测系统，包括采集端、传输端、地面监测端，采集端主要用来在矿井井筒采集所需要的数据，传输端是基于ZigBee设计的，是用来传递数据的网络结构，地面监测端是用来分析、整理、判断数据的智能控制站，能够收集矿井井筒的多种性能、环境数据，实现自动分析、监控、保存、报警和故障识别，且独有的趋势对比模式可以在隐患的初期进行监控和预测，同时在异常情况出现后，自动调取相关影像资料，给工程师充分的数据进行地面分析，提高维修工程量和安全性。

Description

一种矿井井筒用故障监测系统及方法
技术领域
本发明涉及传输系统技术领域，具体涉及一种矿井井筒用故障监测系统及方法。
背景技术
现有矿井尤其是非金属矿，多采用竖井的开采方式，竖井深度500-1000m不等。井筒施工过程中通常采用冻结法施工，早期井筒设计时多未考虑井筒竖向附加力，因此长期服役的井筒最易发生剪切破坏。为确保矿井运营期间的安全，作为非金属矿咽喉部位的井筒，需时刻掌握井筒的稳定情况，多在井筒内分水平布置监测系统，实时监控井壁混凝土的变形、受力等信息，不同水平的不同监测点通过电缆与地面的监测单元相连。井筒环境的特殊性，限制了建井初期布设监测设备的更换、维修。井筒监测系统维修周期较长，矿山生产停工短则一月，长则三月。以年产600万吨煤矿为例，维修停产会导致煤矿产量损失达50～150万吨。
通常非金属矿区的竖井包括主井、副井与风井等，尤其是主井作为煤矿提升的通道，矿车高速提升的过程中，矿车内矿块会随机掉落，导致有线的传输电缆经常性砸断。当前很多井筒也处于多水的环境中。潮湿的井筒环境，降低了有线传输电缆与监测设备间连接处的寿命，也增加了接口处短路的可能性，进一步凸显了监测系统有线传输方式的缺点，大大降低了监测系统的使用寿命。井筒虽然通风环境较好，但仍然属于矿区安全范围内，禁止出现明火与有线电源，需满足矿山的防爆安全要求。
ZigBee技术是一种现代网络技术，具有近距离、低功耗、低数据速率、低成本的特点。主要工作在2.4ghz频段,传输速率10kbps-250kbps，传输距离10-100m，作为一宗新兴得无线通信技术，ZigBee技术传输的速度快、成本较低、操作比较简单，在目前市场上具有广阔的市场前景，也成为无线技术研究的热点课题之一。目前，已广泛应用于无线传感器网、自动控制和远程控制等领域，非常适合矿井井筒的监测。
中国发明专利CN201110218602.0公开了一种基于无线传感器网络的煤矿井下火灾监测系统，包括监测主机、通讯主站和无线传感器网络，无线传感器网络通过所述通讯主站与所述监测主机通讯，无线传感器网络为ZigBee无线自组织网络，无线传感器包括无线一氧化碳传感器、无线风压传感器和无线温度传感器，能够及时准确地监测煤矿井下火情，并且能够有效地控制无线传感器网络节点的能耗，延长无线传感器网络的使用寿命，但是该监测系统主要用于火灾监测，但实际应用中，特别是矿井井筒方面，具有多种影响到实际生产的异常，比如倾斜、坍塌、意外掉落、粉尘扩散，且异常出现时，经常需要维修人员在无准确信息的情况下下井查看，不仅浪费时间而且存在一定的危险性。
为打通监测传感器与远程传输的最后一小步，亟需一种安全有效的无线传输系统，替换传统的有线传输方式，适用于矿山井筒的特殊环境需求，提高监测系统的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种矿井井筒用故障监测系统及方法，能够实现矿井井筒的全方面监控，并利用无线系统传递到监控站，并实现自监控、自报警、智能故障分析等功能，同时具有耗能小、成本低的优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种矿井井筒用故障监测系统，包括采集端、传输端、地面监测端，采集端主要是用来在矿井井筒采集所需要的数据，传输端是用来传递数据的网络结构，地面监测端是用来分析、整理、判断数据的控制站。
所述采集端包括数据采集器、图像采集器，通过预埋、预设的方式预先设置在矿井井筒中，所述数据采集器用于提供量化数据，包括一种或多种形式的传感器，用以获得矿井内温度、湿度、气体浓度、压力、载荷等数据，这些传感器的种类可以根据矿井的种类灵活选择；所述图像采集器用于提供图像化数据，包括一种或多种形式的摄像头，比如可见光摄像头、红外摄像头、夜视摄像头的一种或多种，用来提供影像化资料，以便于在维修人员下井前了解可能的故障，降低维修的周期。
传输端采用了ZigBee传输系统，是一种低速短距离传输的无线网络，主要优点有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全，所述传输端包括三层构架，第一层构架为设在采集端处的数据收集器，所述数据收集器包括用于收集量化数据的数据收集器A，用于收集和缓存的图像化数据的数据收集器B，由于量化数据的数据量较少，所以设计为实时传输和主要的监测对象，而图像化数据的数据量较大，而且主要是故障后起到排查的作用，所以图像数据的数据收集器B具有两种数据模式，一种是实时传输，一种是内部储存和周期覆盖的功能，这样可以节省下传输耗费的能量，并且避免传输网络的拥堵，保证量化数据的传输畅通；第二层构架为组网装置，本发明选用了网状拓扑结构组网，包括多个ZigBee路由器和一个ZigBee协调器，ZigBee路由器能够与范围内的数据收集器进行直接的通讯，且其中一个路由器发生故障，整个网络通路不受影响，可以应对井下的极端环境，保证了传输的效率；第三层构架为接收和缓冲数据的上位机，所述上位机用于接收和缓冲数据，设置在地面上，是ZigBee传输系统的最后一站；
传输端的上位机将数据传递给地面监测端以实现整体监控，该传输过程可根据需要选取数据传输方式，如果地面监测站距离矿井较近可以继续采用ZigBee传输模式，较远可以采用wifi、有线光缆、GPRS等技术，甚至可以利用Internet实现超远程监控。所述地面监测端是一个智能化监测系统，能够实现自监测、自排除、自警报，以及在正常运行时自删除冗余数据的功能，主要包括数据模块、监控模块、报警模块。
所述数据模块包括数据分析单元、图像重构单元和数据储存单元，所述数据分析单元将量化数据进行分类、趋势分析、周期值分析处理，所述图像重构单元用于将压缩的图像数据进行图像重构，所述数据储存单元用于储存历史数据和实时数据；
所述监控模块包括标准数据单元、数据对比单元、趋势分析单元，所述标准数据单元用于储存、调整用户定义的临界阈值，所述数据对比单元主要用于将处理过的量化数据和临界阈值进行比较，所述趋势分析单元主要用于智能分析量化数据的周期波动，发现隐藏的异常；
所述报警模块包括异常状态时进行预警的报警单元、图像变更单元、应急处理单元，所述图像变更单元用于调用历史图像数据、变更图像数据的传送模式，所述应急处理单元用于根据异常的级别进行相应的应急处理。
优选地，所述地面监测端还包括分析模块，所述分析模块包括时间横向分析单元、时间纵向分析单元、综合分析单元，所述时间横向分析单元用于在某一时间点上综合分析各个量化数据，所述时间纵向分析单元用于针对某种量化数据分析时间线上的趋势变化，所述综合分析单元用于综合衡量时间横向分析单元、时间纵向分析单元的结果并给出故障诊断。
优选地，所述数据收集器A、数据收集器B均包括防爆外壳、用于与数据采集器连接的无线通讯模块、用于传输组网的ZigBee无线模块、用于精准供电的电源管理模块和蓄电池。可拆卸式充电蓄电池分别给无线通讯模块、ZigBee无线模块、电源管理模块、预埋传感器等模块供电；电源管理模块控制可拆卸式充电蓄电池何时供电、何时断电；无线传输系统通过无线通讯模块与传感器相连；无线通讯模块与ZigBee无线模块相连；无线模块实现多个水平不同传感器组网；所述数据收集器B还包括用于储存数据的内存卡，所述内存卡由于缓存图像数据。
更优选地，所述无线通讯模块采用232/485无线通讯模块，输出信号为2.4GHz通信频段信号，232/485-无线通讯模块能适用于现在传感器输出的232或485信号，并将其转换成无线2.4GHz通信频段信号，可无缝接驳井筒已埋设不同型号传感器，对于老旧矿井可充分利用现有条件。
一种矿井井筒用故障监测方法，包括以下步骤，
S1：预设x天为一个周期，图像化数据在数据收集器B中的内存卡中，且周期性删除，该周期可以根据需求自行设置，如7天、10天、15天等；
量化数据传输至数据整理单元进行分类整理，并进行均值分析、趋势分析、周期分析，并储存于数据储存单元中；
S2：整理过的量化数据进入监控模块，由数据对比单元将其和临界标准进行比较，如果未出现异常，则进入S3，如果出现异常，则进入S4；
S3：在预定周期性的预设时间点上，将该周期内的数据趋势与临界标准进行比较，如果未出现异常则将周期分析数据储存于数据储存单元中；如果出现异常，则进入S4；
S4：启动报警模块，由报警单元进行程序性警报；
同时，根据异常的程度，应急处理单元按照预设的应急预案进行对应的异常处理，如暂停生产，关闭电源等；
同时，图像调动单元向数据采集器B发送指令，将上一周期至本周期的图像数据传输至图像重构模块，进行图像重构后以备工作人员调用；
同时，将图像数据由内存卡储存更改为实时传输至数据重构单元，进行实时显示；
优选地，还包括以下步骤，S5：启动分析模块，利用时间横向分析单元、时间纵向分析单元、综合分析单元进行综合分析，智能给出故障分析和建议。
优选地，数据储存单元采用定期删除的方式以节省空间，具体为：
在第n个周期，针对第n-2周及之前的数据进行删除，但保留整个周期的均值数据，该保留是为了便于日后的资料留存和查看。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)数据采集器设计合理，首先防爆外壳能满足煤矿安全生产要求的防爆等级，结构紧凑、体积较小，方便施工固定，同时可有效降低掉落煤块对监测系统的破坏，提高服役年限；其次232/485-无线通讯模块能适用于现在传感器输出的232或485信号，可无缝接驳井筒已埋设不同型号传感器，可以在现有监控基础上进行升级；电源管理模块结合蓄电池供电，实现电能的高效利用，1～2年更换一次，大大降低现有井筒监测系统维修的人力、物力；
(2)无线传输系统采用ZigBee传输协议，具备自动组织网络，自动路由等功能，可尽可能降低井筒环境对无线信号的影响，且成本低、节能、传输效率高；
(3)地面监控端全智能监控，自动分析、监控、保存、报警和故障识别，独有的趋势对比模式可以在隐患的初期进行监控和预测，同时在异常情况出现后，自动调取相关影像资料，给工程师充分的数据进行地面分析，提高维修工程量和安全性；
(4)设计两种图像数据采集模式，避免图像数据量过大造成的传输系统堵塞和额外耗能，具有提高数据传输效率、节能的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的监测系统示意图；
图2为本发明实施例的监测方法流程图；
图3为本发明实施例数据收集器的主体结构俯视图；
图4为本发明实施例数据收集器的主体结构侧视图；
图5为为本发明实施例数据收集器的主体结构的立体结构示意图；
图例说明：1-防爆外壳，2-无线通讯模块，3-电源管理模块，4-电源开关，5-蓄电池接触铜片，6-电池仓卡扣，7-电池仓，8-ZigBee无线模块，9-蓄电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，一种矿井井筒用故障监测系统，包括采集端、传输端、地面监测端,采集端主要是用来在现场采集所需要的数据，传输端是用来传递数据的网络结构，地面监测端是用来分析、整理、判断数据的控制站。
采集端
所述采集端主要用来采集两种形式的数据，一种是数字的量化数据，比如温度、压力等，一种是图像类的数据，所以整体包括数据采集器和图像采集器，通过预埋、预设的方式设置在矿井井筒中，所述数据采集器用于提供不同种类的量化数据，包括用于测量井壁混凝土变形、受力的压力传感器、温度传感器、甲烷浓度传感器、氧气浓度传感器、粉尘浓度传感器；所述图像采集器用于提供图像化数据，包括可见光摄像头和夜视摄像头，用来提供影像化资料，以便于在维修人员下井前了解可能的故障，降低维修的周期。
传输端
传输端采用了ZigBee传输系统，是一种低速短距离传输的无线网络，主要优点有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全，所述传输端包括三层构架：
第一层构架为设在在采集端处的数据收集器，所述数据收集器包括用于收集量化数据的数据收集器A，用于收集和缓存的图像化数据的数据收集器B，由于量化数据的数据量较少，所以设计为实时传输和主要的检测对象，而图像化数据的数据量较大，而且主要是故障后起到排查的作用，所以图像数据的数据收集器B额外具有储存和定期删除的功能，在这样可以节省下传输耗费的能量，并且避免传输网络的拥堵，保证量化数据的传输畅通.
如图3-5，所述数据收集器A、数据收集器B均包括防爆外壳1、用于与数据采集器连接的无线通讯模块2、用于传输组网的ZigBee无线模块8、用于精准供电的电源管理模块3和蓄电池9，所述无线通讯模块2采用232无线通讯模块，输出信号为2.4GHz通信频段信号，232无线通讯模块能适用于现在传感器输出的232信号，并将其转换成无线2.4GHz通信频段信号，可无缝接驳井筒已埋设不同型号传感器，可拆卸式充电蓄电池分别给无线通讯模块、ZigBee无线模块、电源管理模块、预埋传感器等模块供电；电源管理模块控制可拆卸式充电蓄电池何时供电、何时断电；无线传输系统通过无线通讯模块与传感器相连；无线通讯模块与ZigBee无线模块相连，ZigBee无线模块实现多个水平不同传感器组网；同时防爆外壳设置为紧凑的方形，其中蓄电池9为可充电式5号电池，壳体内还设置有电池仓7、蓄电池接触铜片5、电池仓卡扣6。
数据收集器A的具体工作方式为：根据监测任务需求，需要对井筒情况进行监测时，地面监测端通过协调器将电源控制信号与信号监测传输需求分发给不同的数据收集器A的防爆外壳1中的ZigBee无线模块8，各传感器所在的ZigBee无线模块8将电源控制信号传输给电源管理模块3，电源管理模块3给无线通讯模块2和预埋设传感器供电，地面监测端发出传感器信息采集指令，预埋设传感器反馈出信息通过无线通讯模块2转换为无线通信信息，各传感器所在的ZigBee无线模块8将传感器反馈信息汇总到无线运输网络中的协调器，由协调器传递至上位机然后传入地面监测端。
所述数据收集器B还包括用于储存数据的内存卡，所述内存卡由于缓存图像数据，所述数据收集器B有两种工作模式，一种为实时监控传输，方式与数据收集器A相同；另一种为内存卡缓存，具体工作模式为：地面监测端通过协调器将电源控制信号与信号监测传输需求分发给不同的数据收集器B的ZigBee无线模块8，各传感器所在的ZigBee无线模块8将电源控制信号传输给电源管理模块3，电源管理模块3给无线通讯模块2和图像传感器供电，图像传感器采集的信息直接存入内存卡中，并周期性覆盖历史数据。
第二层构架为组网装置，本发明选用了网状拓扑结构组网，包括四个ZigBee路由器和一个ZigBee协调器，用于构成无线数据传输网络，ZigBee路由器能够与范围内的数据收集器进行直接的通讯，且其中一个路由器发生故障，整个网络通路不受影响，可以应对井下的极端环境，保证了传输的效率；
第三层构架为接收和缓冲数据的上位机，所述上位机用于接收和缓冲数据，设置在地面上，是ZigBee传输系统的最后一站；
地面监控端
传输端的上位机将数据通过GPRS传递给地面监测端以实现整体监控，所述地面监测端是一个智能化监测系统，能够实现自监测、自排除、自警报，以及在正常运行时自删除冗余数据的功能，主要包括数据模块、监控模块、报警模块、分析模块。
所述数据模块包括数据分析单元、图像重构单元和数据储存单元，所述数据分析单元将量化数据进行分类、趋势分析、周期值分析等处理，所述图像重构单元用于将压缩的图像数据进行图像重构，所述数据储存单元用于储存历史数据和实时数据；
所述监控模块包括标准数据单元、数据对比单元、趋势分析单元，所述标准数据单元用于储存、调整用户定义的临界阈值，所述数据对比单元主要用于将处理过的量化数据和临界阈值进行比较，所述趋势分析单元主要用于智能分析量化数据的周期波动，发现隐藏的异常；
所述报警模块包括异常状态时进行预警的报警单元、图像变更单元、应急处理单元，所述图像变更单元用于调用历史图像数据、变更图像数据的传送模式，所述应急处理单元用于根据异常的级别进行相应的应急处理。
所述分析模块包括时间横向分析单元、时间纵向分析单元、综合分析单元，所述时间横向分析单元用于在某一时间点上综合分析各个量化数据，所述时间纵向分析单元用于针对某种量化数据分析时间线上的趋势变化，所述综合分析单元用于综合衡量时间横向分析单元、时间纵向分析单元的结果并给出故障诊断。
监测方法
请参见图2，一种矿井井筒用故障监测方法，包括以下步骤，
S1：预设x天为一个周期，图像化数据在数据收集器B中的内存卡中，且周期性删除，该周期可以根据需求自行设置，如7天、10天、15天等；
量化数据传输至数据整理单元进行分类整理，并进行均值分析、趋势分析、周期分析，并储存于数据储存单元中；
S2：整理过的量化数据进入监控模块，由数据对比单元将其和临界标准进行比较，如果未出现异常，则进入S3，如果出现异常，则进入S4；
S3：在预定周期性的预设时间点上，将该周期内的数据趋势与临界标准进行比较，如果未出现异常则将周期分析数据储存于数据储存单元中；如果出现异常，则进入S4；
S4：启动报警模块，由报警单元进行程序性警报；
同时，根据异常的程度，应急处理单元按照预设的应急预案进行对应的异常处理，如暂停生产，关闭电源等；
同时，图像调动单元向数据采集器B发送指令，将上一周期至本周期的图像数据传输至图像重构模块，进行图像重构后以备工作人员调用；
同时，将图像数据由内存卡储存更改为实时传输至数据重构单元，进行实时显示；
S5：启动分析模块，利用时间横向分析单元、时间纵向分析单元、综合分析单元进行综合分析，智能给出故障建议；
特别地，数据储存单元采用定期删除的方式以节省空间，具体为：在第n个周期，针对第n-2周及之前的数据进行删除，但保留整个周期的均值数据，该保留是为了便于日后的资料留存和查看。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种矿井井筒用故障监测系统，其特征在于：包括采集端、传输端、地面监测端；
所述采集端包括数据采集器、图像采集器，所述数据采集器用于提供量化数据，包括一种或多种形式的传感器，所述图像采集器用于提供图像化数据，包括一种或多种形式的摄像头；
所述传输端包括三层构架，第一层构架为设在采集端处的数据收集器，所述数据收集器包括用于收集量化数据的数据收集器A，用于收集图像化数据且具有两种数据传输模式的数据收集器B；第二层构架为组网装置，包括多个ZigBee路由器和一个ZigBee协调器，用于构成无线数据传输网络；第三层构架为接收和缓冲数据的上位机；
所述地面监测端包括数据模块、监控模块、报警模块：
所述数据模块包括数据分析单元、图像重构单元和数据储存单元，所述数据分析单元将量化数据进行分类、趋势分析、周期值分析处理，所述图像重构单元用于将压缩的图像数据进行图像重构，所述数据储存单元用于储存历史数据和实时数据；
所述监控模块包括标准数据单元、数据对比单元、趋势分析单元，所述标准数据单元用于储存、调整用户定义的临界阈值，所述数据对比单元主要用于将处理过的量化数据和临界阈值进行比较，所述趋势分析单元主要用于智能分析量化数据的周期波动，发现隐藏的异常；
所述报警模块包括异常状态时进行预警的报警单元、图像变更单元、应急处理单元，所述图像变更单元用于调用历史图像数据、变更图像数据的传送模式，所述应急处理单元用于根据异常的级别进行相应的应急处理。
2.根据权利要求1所述的一种矿井井筒用故障监测系统，其特征在于：所述数据收集器A、数据收集器B均包括防爆外壳、用于与数据采集器连接的无线通讯模块、用于传输组网的ZigBee无线模块、用于精准供电的电源管理模块和蓄电池；所述数据收集器B还包括用于储存数据的内存卡。
3.根据权利要求2所述的一种矿井井筒用故障监测系统，其特征在于：所述无线通讯模块采用232/485无线通讯模块，输出信号为2.4GHz通信频段信号。
4.根据权利要求1所述的一种矿井井筒用故障监测系统，其特征在于：所述地面监控端还包括分析模块，所述分析模块包括时间横向分析单元、时间纵向分析单元、综合分析单元，所述时间横向分析单元用于在某一时间点上综合分析各个量化数据，所述时间纵向分析单元用于针对某种量化数据分析时间线上的趋势变化，所述综合分析单元用于综合衡量时间横向分析单元、时间纵向分析单元的结果并给出故障诊断。
5.利用权利要求1-4任一项所述系统进行故障监测的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：制定x天为一个周期；
图像化数据在数据收集器B中的内存卡中，且周期性删除；
量化数据传输至数据整理单元进行分类整理，并进行均值分析、趋势分析、周期分析，并储存于数据储存单元中；
S2：将整理过的量化数据进入监控模块，由数据对比单元将其和临界阈值进行比较，如果未出现异常，则进入S3，如果出现异常，则进入S4；
S3：在预定周期性的预设时间点上，将该周期内的数据趋势与临界阈值进行比较，如果未出现异常则将周期分析数据储存于数据储存单元中；如果出现异常，则进入S4；
S4：启动报警模块，由报警单元进行程序性警报；
同时，根据异常的程度，应急处理单元进行对应的应急处理；
同时，图像调动单元向数据采集器B发送指令，将上一周期至本周期的图像数据传输至图像重构模块，进行图像重构后以备工作人员调用；
同时，将图像数据由内存卡储存更改为实时传输至数据重构单元，经图像重构后进行同步显示。
6.根据权利要求5所述的一种矿井井筒用故障监测方法，其特征在于：还包括以下步骤，
S5：启动分析模块，利用时间横向分析单元、时间纵向分析单元、综合分析单元进行综合分析，智能给出故障分析和建议。
7.根据权利要求5所述的一种矿井井筒用故障监测方法，其特征在于：数据储存单元采用定期删除的方式以节省空间，具体为：在第n个周期，针对第n-2周及之前的数据进行删除，但保留整个周期的均值数据。
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