CN111123809A - 电力载波/nb-iot复合通信矿井机电设备管控系统 - Google Patents
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Abstract
电力载波/NB‑IOT复合通信矿井机电设备管控系统，包括：机电设备，配电柜，控制开关，电力载波通信模块，NB‑IOT通信模块，本地控制器，载波电力导线，控制主机，管控平台，移动终端，监视器及电力母线；其特征在于机电设备安装于井下固定位置，机电设备电力线与控制开关的交流接触器的电力输出端相连接，控制开关的交流接触器的电力输入端与电力载波通信模块的发送耦合控制器连接，发送耦合控制器与载波电力导线连接,通过载波电力导线传输电力和监控信息，载波电力导线的另一端在配电柜侧依次通过电力载波模块接收器耦合控制器、本地控制器及合闸开关与电力母线连接，构成机电设备的电力回路；本地控制器还与NB‑IOT通信模块电路连接，本地控制器与NB‑IOT通信模块双向信号反馈。
Description
技术领域
本发明涉及矿井机电运转设备运行维护领域，具体涉及电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统。
背景技术
机电设备作为煤矿生产的基础设施，是实现煤矿优质高产、低耗高效的前提条件，其贯穿于矿井生产的各个环节，煤矿机电设备由开采机电设备、安全机电设备及相关的电气系统组成，开采设备属于重机械设备，一般体积庞大、机械化程度高、价格高自动换程度强，安全设备如防爆、通风、防火、供氧等设备体积较小，使用灵活，自动化程度低，主要以人工操作、维护为主，由于人工能力和责任心不一致，在操作过程中如果工作没有到位，机电设备就发挥不出应有的功能。甚至损坏现象，不仅造成工作效率低下，严重情况下有可能造成安全事故，引发严重后果。因此，对井下机电设备采用物联网管控是一种比较好的技术方案。但是，由于井下地形复杂，而且环境恶劣，随着采掘进度设备的位置也在不断变化，采用现有的无线物联网通信，由于收到巷道阻隔、高温高湿及电磁干扰等，很难到达稳定的监控效果；采用有线通信耗时费力，成本高，而且不可能把信号线铺设到巷道的每一个角落，也不现实。以此，要对井下机电设备进行全过程监管，如何采集到每个设备的运行信息并把该信息稳定的收发出去，是目前井下机电设备智能监控亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有井下设备无线物联网通信，由于收到巷道阻隔、高温高湿及电磁干扰等，很难到达稳定的监控效果；采用有线通信耗时费力，成本高，而且不可能把信号线铺设到巷道的每一个角落，也不现实问题，同时，对井下机电设备进行全过程远程监控又是现在矿井信息化、智能化的必然要求，为了解决上述问题，本发明公开了一种电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，包括：机电设备，配电柜，控制开关，电力载波通信模块，NB-IOT通信模块，本地控制器，载波电力导线，控制主机，管控平台，移动终端，监视器及电力母线；所述的机电设备安装于井下固定位置，机电设备电力线与控制开关的交流接触器的电力输出端相连接，控制开关的交流接触器的电力输入端与电力载波通信模块的发送耦合控制器连接，发送耦合控制器与载波电力导线连接,通过载波电力导线传输电力和监控信息，载波电力导线的另一端在配电柜侧依次通过电力载波模块接收器耦合控制器、本地控制器及合闸开关与电力母线连接，构成机电设备的电力回路。本地控制器还与NB-IOT通信模块电路连接，本地控制器与NB-IOT通信模块双向信号反馈。
所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统还包括以下信号回路，电力载波模块发送耦合控制器通过RS485接口与机电设备侧控制开关的交流接触器的RS485的通信接口通过信号线连接，并获取该交流接触器侧机电设备的电压、电流、功率及功率因数的运行数据；电力载波模块发送耦合控制器通过RS485接口与机电设备处的环境传感器的RS485接口通过信号线连接，并获得机电设备处的环境温度、湿度、瓦斯浓度及氧气含量的数据信息；电力载波模块发送耦合控制器通过RS485接口还与机电设备的状态检测传感器的RS485接口通过信号线连接，并获得该机电设备运行的温度、振动、噪声的数据信息；电力载波模块发送耦合控制器获取上述各信息信源后进行调制形成特定的载波信号，该载波信号通过载波电力导线传输至配电柜侧的电力载波模块接收耦合控制器，接收耦合控制器对该信号进行解调，接收耦合控制器把解调的信号反馈至本地控制器进行再次解析复原，本地控制器解析后的信息存储在本地存储器的同时，也把该信息馈送至NB-IOT通信模块，NB-IOT通信模块通过无线传输方式直接把该信息发送至远程控制主机的服务器并存储在存储器中，控制主机访问服务器并把存储器中的机电设备的信息馈送至监控平台的监视器和移动终端，监视器和移动终端以图文的形式显示出来，构成井下机电设备运行的监控平台系统。
所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统还包括以下控制过程：控制主机根据监控平台展示的数据信息，如对机电设备运行状态进行控制调整，控制主机下发控制信号，该信号被NB-IOT通信模块接收，NB-IOT通信模块把控制信号反馈至本地控制器，本地控制器接收该控制信号并经过调制处理后发送至电力载波模块接收耦合控制器，接收耦合控制器通过载波电力导线把调制后的控制信号发送至机电设备侧的控制开关的电力载波模块发送耦合控制器，发送耦合控制器经过解析后还原为控制信号，并把该控制信号反馈至交流接触器，交流接触器动作，对当前机电设备进行开启或停止控制。
所述本地控制器包括MCU模块，还包括分别与MCU模块连接的电力载波模块、开关控制模块、NB-IOT通讯模块、电源模块及本地存储器，MCU模块获得的机电设备运行的电流、电压、功率、温度、振动、噪声及转速等数据存储到本地存储器中，同时，也把机电设备环境的温度、湿度、瓦斯含量及氧气含量的数据信息储存到本地存储器中。
所述的机电设备包括并不限于如下装置：采煤机、掘进机、运输机、绞车、通风机、水泵、控制开关及配电柜。
所述的机电设备周边环境传感器包括并不限于如下传感器：温度传感器、湿度传感器、瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器。
所述的机电设备本体传感器包括并不限于如下传感器：本体温度传感器、本体振动传感器、噪声传感器及转速传感器。
本发明的显著效果：
1、本发明技术方案首次提出电力载波通信和NB-IOT无线通信的复合互补通信模式，实现本地控制器到控制末端装置很难或无法进行信号线连接时，利用现有的电力线路进行载波通信，这样实现了载波通信距离短、无阻隔、低衰减和高稳定可靠，发挥电力载波特有的优势；本地控制器与远程控制主机服务器的通信通过NB-IOT通信模块直接以无线方式传输，实现了NB-IOT通信的高稳定、低功耗、长距离和抗干扰，发挥NB-IOT通信在物联网应用特有的优势，实现这两种通信方式优势互补，解决了单一使用电力载波通信距离短、衰减大、阻隔断的问题，同时也解决了单一用NB-IOT通信每个终端均要配置通信模组，这样造成NB-IOT通信模组数量多、流量成本高的问题。
2、该系统配置了环境传感器，可以实时了解机电设备工作处的环境情况，主要监控环境的温度、湿度、瓦斯浓度、氧气含量，可以远程了解机电设备运行及周边环境，并可以根据周边环境情况进行远程控制或调整机电设备的运行情况，确保矿井作业安全稳定运行。
3、该系统配置了机电设备传感器，可以实时了解运转设备的负荷状况、振动情况、噪声情况及本体温度，能救及时掌控机电设备的动态运行状况，是不是带病运行，如发现有报警信息可能表明该设备带病运行，应及时进行维护，以免造成停车故障，造成安全事故，这是解决目前井下设备安全运行重要手段，是智慧矿井重要的组成部分，意义重大。
附图说明
图1为本发明电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统连接示意图；
图2为本发明电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统电路结构示意框图；
图3为本发明的本地控制器结构示意框图
1、机电设备，2、配电柜，3、控制开关，31、交流接触器，4、电力载波通信模块，41、电力载波模发送合控制器，42、电力载波接收耦合控制器，5、NB-IOT通信模块，6、本地控制器，7、载波电力导线，8、控制主机，9、监视器，10、管控平台，11、电力母线。
具体实施方式
下面将结合附图1及图2对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围，
参照图1、图2，一种电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，包括：机电设备1，配电柜2，控制开关3，电力载波通信模块4，NB-IOT通信模块5，本地控制器6，载波电力导线7，控制主机8，管控平台10，移动终端，监视器9及电力母线11；所述的机电设备1安装于井下固定位置，机电设备1电力线与控制开关3的交流接触器31的电力输出端相连接，控制开关3的交流接触器31的电力输入端与电力载波通信模块4的发送耦合控制器41连接，发送耦合控制器41与载波电力导线7连接,通过载波电力导线7传输电力和监控信息，载波电力导线7的另一端在配电柜2侧依次通过电力载波模块接收器耦合控制器42、本地控制器6及合闸开关与电力母线11连接，构成机电设备1的电力回路。本地控制器6还与NB-IOT通信模块5电路连接，本地控制器6与NB-IOT通信模块5双向信号反馈。
所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统还包括以下信号回路，电力载波模块发送耦合控制器41通过RS485接口与机电设备1侧控制开关3的交流接触器31的RS485的通信接口通过信号线连接，并获取该交流接触器31侧机电设备1的电压、电流、功率及功率因数的运行数据；电力载波模块发送耦合控制器41通过RS485接口与机电设备1处的环境传感器的RS485接口通过信号线连接，并获得机电设备1处的环境温度、湿度、瓦斯浓度及氧气含量的数据信息；电力载波模块发送耦合控制器41通过RS485接口还与机电设备1的状态检测传感器的RS485接口通过信号线连接，并获得该机电设备1运行的温度、振动、噪声、转速的数据信息；电力载波模块发送耦合控制器41获取上述各信息信源后进行调制形成特定的载波信号，该载波信号通过载波电力导线7传输至配电柜2侧的电力载波模块接收耦合控制器42，接收耦合控制器42对该信号进行解调，接收耦合控制器42把解调的信号反馈至本地控制器6进行再次解析复原，本地控制器6解析后的信息存储在本地存储器的同时，也把该信息馈送至NB-IOT通信模块5，NB-IOT通信模块5通过无线传输方式直接把该信息发送至远程控制主机8的服务器并存储在存储器中，控制主机8访问服务器并把存储器中的机电设备1的信息馈送至监控平台10的监视器9和移动终端，监视器9和移动终端以图文的形式显示出来，构成井下机电设备1运行的监控平台系统。
所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统还包括以下控制过程：控制主机8根据监控平台10展示的数据信息，如对机电设备1运行状态进行控制调整，控制主机8下发控制信号，该信号被NB-IOT通信模块5接收，NB-IOT通信模块5把控制信号反馈至本地控制器6，本地控制器6接收该控制信号并经过调制处理后发送至电力载波模块接收耦合控制器42，接收耦合控制器42通过载波电力导线7把调制后的控制信号发送至机电设备1侧的控制开关3的电力载波模块发送耦合控制器41，发送耦合控制器41经过解析后还原为控制信号，并把该控制信号反馈至交流接触器31，交流接触器动31作，对当前机电设备1进行开启或停止控制。
实施例
本实施例的机电设备1以通风机设备为例，井下有两台同样的通风机，其中，一开一备，本实施例的煤矿井下通风机选用淮北祥泰科技有限责任公司生产的防爆通风机，电机输入三相电压1140V，额定功率为37KW，电机的接线端子通过导线与控制开关3的交流接触器31连接，交流接触器31选用江苏优品电气有限公司生产的三相防爆交流接触器。该接触器31具有RS485通信接口，该接口通过信号线与电力载波模块4的RS485接口信号连接，这里电力载波通信模块4选用用青岛东软载波科技股份有限公司生产的，型号为PLCS1653三相载波模块，通过信号线电力载波模块4可以读取该交流接触器31输出的电压、电流、功率及功率因数等运行参数（本例的电压：1140V,电流:32A，功率：36.8KW）,电力载波模块的发送耦合控制器41把获得的信息调制成电力载波信号，通过，载波导线7传送至配电柜侧；本地传感器（电机温度传感器、振动传感器、噪声传感器及转速传感器全部采用现有成熟稳定的优质产品）均通过RS485接口由信号线与电力载波模块4的RS485接口信号连接，通过信号线电力载波模块4可以读取该传感器检测的信息，电力载波模块的发送耦合控制器42把获得的信息调制成电力载波信号，通过载波导线7传送至配电柜侧；环境传感器（环境温度传感器、环境湿度传感器、瓦斯检测传感器、氧气检测传感器均选用现有成熟稳定优质的产品）均通过RS485接口由信号线与电力载波模块4的RS485接口信号连接，通过信号线电力载波模块4可以读取该传感器检测的信息，电力载波模块的发送耦合控制器把获得的信息调制成电力载波信号，通过载波导线7传送至配电柜侧。以上调制后的信号被配电柜2侧电力载波的接收耦合控制器42，接收耦合控制器42对收到的载波信号进行解调还原，并把该信号反馈给本地控制器6，这里本地控制器6芯片模组选用STM32F103RET6型，该芯片模组基于ARM高密度性能线32位MCU，具有265-512位闪存，USB,CAN,11个定时器，3个ADC，13个通信接口，可以满足本地控制其的技术需求，本地存储器接收到的通风机和环境的各项参数储存到本地存储器，同时，通过NB-IOT 通信模块5发送至远程控制主机服8务器，NB-IOT通信模块5为：上海移远通信技术股份有限公司生产的NB-IOT BC28模组，BC28 基于华为海思芯片平台研发，支持 B1/B3/B5/B8/B20/B28 频段，在 multi tone 模式下最大上行速率可达62.5kBps。BC28 是一款超紧凑、高性能、低功耗的多频段 NB-IOT 无线通信模块。其尺寸仅为 17.7mm × 15.8mm × 2.0mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，同时有效地帮助客户减小产品尺寸并优化产品成本。BC28 在设计上兼容移远通信 GSM/GPRS 系列的 M26 模块，方便客户快速、灵活的进行产品设计和升级。控制主机8把机电设备和环境各项运行参数通过监视器9以图文的形式显示出来，对机电设备运行进行远程监控。
通风机运行时，还要通过监控平台10的控制主机8对通风机的各项运行指标设定报警阈值，（这里设置电机的电压在1140V时的电流预警阈值为大于37.5A，电压预警阈值为小于912V和大于42V）,振动频率报警阈值（阈值设定按GB 10068·1~2-88国家标准设定），本体温度报警阈值（阈值设定按GB3215-82、JB/T5294-91及 JB/T6439-92等国家标准进行设定）、噪声报警阈值（阈值设定按GB10069.3-2008等国家标准进行设定），通风机处环境参数设定预警阀值，环境温度报警阈值为小于℃，环境湿度（这里是相对湿度）报警阈值正常区间为50%～60%，瓦斯浓度报警阈值为小于4%，氧气浓度报警阈值为小于20%，这些指标设定好后均在监控平台的监视器上显示出来，通风机运行过程中的实时技术参数及环境参数也均在监视器上显示出来。在运行过程中突然出现电机本体温度超过80℃，振动参数报警及噪声参数报警，这时应及时停掉运行机，开启备用通风机，应迅速从控制主机8下达停1#机。开2#机命令信号，该信号通过服务器下发指令，NB-IOT通信模块5接收该指令，并把指令信息反馈至本地控制器6，本地控制器6把控制指令发送至电力载波模块接收耦合控制器42，接收耦合控制器42调制该信号后经过载波导线7发送至电力载波模块发送耦合控制器41经过解调后，耦合控制器41先合并2#通风机的交流接触器31，同时，断开1#通风机交流接触器31，停掉1#通风机并及时检修，留作备用机。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
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；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (7)
1.电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，包括：机电设备，配电柜，控制开关，电力载波通信模块，NB-IOT通信模块，本地控制器，载波电力导线，控制主机，管控平台，移动终端，监视器及电力母线；其特征在于机电设备安装于井下固定位置，机电设备电力线与控制开关的交流接触器的电力输出端相连接，控制开关的交流接触器的电力输入端与电力载波通信模块的发送耦合控制器连接，发送耦合控制器与载波电力导线连接,通过载波电力导线传输电力和监控信息，载波电力导线的另一端在配电柜侧依次通过电力载波模块接收器耦合控制器、本地控制器及合闸开关与电力母线连接，构成机电设备的电力回路；本地控制器还与NB-IOT通信模块电路连接，本地控制器与NB-IOT通信模块双向信号反馈。
2.根据权利要求1所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，其特征在于电力载波模块发送耦合控制器通过RS485接口与机电设备侧控制开关的交流接触器的RS485的通信接口通过信号线连接，并获取该交流接触器侧机电设备的电压、电流、功率及功率因数的运行数据；电力载波模块发送耦合控制器通过RS485接口与机电设备处的环境传感器的RS485接口通过信号线连接，并获得机电设备处的环境温度、湿度、瓦斯浓度及氧气含量的数据信息；电力载波模块发送耦合控制器通过RS485接口还与机电设备的状态检测传感器的RS485接口通过信号线连接，并获得该机电设备运行的温度、振动、噪声的数据信息。
3.根据权利要求1所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，其特征在于电力载波模块发送耦合控制器获取机电设备的各信息信源后进行调制形成特定的载波信号，该载波信号通过载波电力导线传输至配电柜侧的电力载波模块接收耦合控制器，接收耦合控制器对该信号进行解调，接收耦合控制器把解调的信号反馈至本地控制器进行再次解析复原，本地控制器解析后的信息存储在本地存储器的同时，也把该信息馈送至NB-IOT通信模块，NB-IOT通信模块通过无线传输方式直接把该信息发送至远程控制主机的服务器并存储在存储器中，控制主机访问服务器并把存储器中的机电设备的信息馈送至监控平台的监视器和移动终端，监视器和移动终端以图文的形式显示出来，构成井下机电设备运行的监控平台系统。
4.根据权利要求1所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，其特征在于机电设备包括并不限于如下装置：采煤机、掘进机、运输机、绞车、通风机、水泵、控制开关及配电柜。
5.根据权利要求1所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，其特征在于机电设备周边环境传感器包括并不限于如下传感器：温度传感器、湿度传感器、瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器。
6.根据权利要求1或4所述的电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，其特征在于机电设备本体传感器包括并不限于如下传感器：本体温度传感器、本体振动传感器、噪声传感器及转速传感器。
7.电力载波/NB-IOT复合通信矿井机电设备管控系统，还包括以下控制过程：控制主机根据监控平台展示的数据信息，如对机电设备运行状态进行控制调整，控制主机下发控制信号，该信号被NB-IOT通信模块接收，NB-IOT通信模块把控制信号反馈至本地控制器，本地控制器接收该控制信号并经过调制处理后发送至电力载波模块接收耦合控制器，接收耦合控制器通过载波电力导线把调制后的控制信号发送至机电设备侧的控制开关的电力载波模块发送耦合控制器，发送耦合控制器经过解析后还原为控制信号，并把该控制信号反馈至交流接触器，交流接触器动作，对当前机电设备进行开启或停止控制。
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| CN112684723A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-04-20 | 淮北祥泰科技有限责任公司 | 一种基于物联网技术的矿用智能控制开关 |
| CN113835026A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-24 | 淮北祥泰科技有限责任公司 | 一种基于物联网的智能开关用监控系统 |
| CN117571055A (zh) * | 2023-11-20 | 2024-02-20 | 安徽恒泰电气科技股份有限公司 | 一种煤矿机电设备电子检测装置 |
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2020
- 2020-02-07 CN CN202010082367.8A patent/CN111123809A/zh not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112684723A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-04-20 | 淮北祥泰科技有限责任公司 | 一种基于物联网技术的矿用智能控制开关 |
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| CN113835026B (zh) * | 2021-09-23 | 2022-03-22 | 淮北祥泰科技有限责任公司 | 一种基于物联网的智能开关用监控系统 |
| CN117571055A (zh) * | 2023-11-20 | 2024-02-20 | 安徽恒泰电气科技股份有限公司 | 一种煤矿机电设备电子检测装置 |
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Legal Events
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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