CN114890275B - 一种矿用提升机罐道在线安全监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿用提升机罐道在线安全监测系统及方法，涉及矿用提升设备技术领域。该系统包括接收装置、传输装置、传感器装置和提升机罐道装置，载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器和图像识别模块安装在提升箕斗上，提升箕斗上的信号发射器和井口的接收装置进行数据传输，钢丝绳的末端设置有主动红外线传感器和二维激光扫描雷达，接收装置对振动信号进行时域频域变换，得到振动信号频谱能量；根据刚性罐道在正常状态与故障状态下的振动信号的频谱特性，确定振动信号的安全阈值；通过图像处理技术算法对罐道进行在线监测，输出各类故障数据以及罐道坐标曲线图，该系统可以对倾斜及振动状况、罐耳的磨损及装载位置、尾绳等进行实时预警。

Description

一种矿用提升机罐道在线安全监测系统及方法

技术领域

本发明涉及矿用提升设备技术领域，尤其是一种矿用提升机罐道在线安全监测系统及方法。

背景技术

在煤矿生产中，矿井提升系统主要用于运输工作人员、设备以及煤炭的工作，其安全性影响着煤矿正常生产与运行。刚性罐道在提升系统中起着相当重要的作用，用于保障罐笼的平稳运行。随着煤矿开采朝着超深、高速、重载方向不断发展，由罐道故障引发的提升箕斗振动及倾斜现象也越来越严重。罐道故障引发的因素有：提升箕斗偏载、碰撞罐道梁、地壳变化以及采动影响等。这些因素引起的故障会对高速重载的提升箕斗产生剧烈的振动或者倾斜，过大罐道故障有可能造成卡罐，甚至会引发断绳等安全事故。《煤矿安全规程》中规定，工作人员需要对罐道系统进行定期检查，但是定期检测并不能保证提升系统的安全运行，故障随时都有可能发生。

现有技术中，大部分采用振动加速度方法来分析罐道表面的凹凸型缺陷，虽然这种方法精度较高，但无法直接得出罐道故障数据值以及直接观测罐道表面健康状况；还有可以通过二维激光扫描仪进行罐道变形监测，但该方法存在测量结果不直接的问题，以及无法实时观测罐道表面健康状况的问题。为了解决现有技术的存在的问题需要对现有的监测系统及方法做进一步的改进。

发明内容

为了实现提升罐道引起提升容器振动、倾斜以及罐耳磨损、钢丝绳张力不平衡等问题的及时监测，本申请提供了一种矿用提升机罐道在线安全监测系统及方法，实现数据采集和监测，通过分析监测数据判断危险，具体的技术方案如下。

一种矿用提升机罐道在线安全监测系统，包括接收装置、传输装置、传感器装置和提升机罐道装置，所述接收装置通过传输装置接收来自传感器装置的监测信号，传感器装置对提升罐道装置进行在线实时监测；所述接收装置包括接收器、转换器、计算机和报警器；所述传输装置包括数据线缆和信号发射器；所述传感器装置包括载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器、图像识别模块、主动红外线传感器和二维激光扫描雷达；所述提升机罐道装置包括罐道、钢丝绳和提升箕斗；所述载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器和图像识别模块安装在提升箕斗上，提升箕斗上的信号发射器和井口的接收装置进行数据传输，主动红外线传感器和二维激光扫描雷达设置在钢丝绳的末端；接收装置对监测数据进行处理。

优选的是，提升机罐道装置的提升箕斗包括第一箕斗和第二箕斗，载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器和图像识别模块通过提升箕斗上的信号发射器传输监测数据；所述主动红外线传感器和二维激光扫描雷达通过数据线缆传输监测数据。

优选的是，二维激光扫描雷达设置有多个，分别从多个角度对罐道底部的煤堆高度进行监测。

优选的是，接收装置对监测数据的处理包括：对振动信号进行时域频域变换，得到振动信号频谱能量，并根据刚性罐道在正常状态与故障状态下的振动信号的频谱特性，确定振动信号的安全阈值。

还优选的是，通过图像处理技术算法对罐道进行在线监测，输出故障数据以及罐道坐标曲线图。

还优选的是，倾角传感器在提升箕斗发生抖动时，传感器的敏感轴发生转动，结合提升箕斗的加速度判断确定提升箕斗的倾斜状态。

进一步优选的是，振动加速传感器设置在提升箕斗的下方，通过监测振动判断罐道的故障，接收装置的报警器根据故障发出警报。

进一步优选的是，罐道底部煤堆的煤位高度通过二维激光扫描雷达监测，接收装置的报警器根据监测结果判断是否发出警报。

一种矿用提升机罐道在线安全监测方法，利用上述的一种矿用提升机罐道在线安全监测系统，步骤包括：

提升箕斗上的载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器、图像识别模块将监测数据通过信号发射器将监测数据传输至接收装置；

主动红外线传感器和二维激光扫描雷达通过数据线缆将监测数据传输至接收装置；

接收装置的接收器和PLC控制器分别接收到监测数据，接收器的监测数据经过转换器后输入计算机，数据线缆传输的数据经过PLC处理后传输至计算机，计算机通过综合判断将预警信息传输至报警器。

进一步优选的是，计算机判断提升箕斗的振动状况、罐耳的磨损以及装载位置区域、尾绳的状况，同时捕捉记录故障信息。

本发明提供的一种矿用提升机罐道在线安全监测系统及方法有益效果是，该系统能够对提升箕斗的运行状况进行实时监测，对运行过程中的安全故障进行预警；系统对提升载荷参数进行动态监测，实时反馈，通过地面操控室实现风险控制；该系统进行监测的方法通过对提升箕斗的振动情况、罐耳磨损及装载位置区域进行报警；通过图像识别方式进行在线监测，具有快速响应的特点，及时捕捉故障信息；该方法可以多方式、多角度、多手段地实现提升罐道安全监测。

附图说明

图1是矿用提升机罐道在线安全监测系统的结构示意图；

图2是矿用提升机罐道在线安全监测的示意图；

图中：1-接收器，2-计算机，3-数据线缆，4-罐道，5-载荷传感器，6-图像识别模块，7-信号发射器，8-提升箕斗，9-振动加速度传感器，10-倾角传感器，11-主红外对射传感器，12-主红外对射传感器，13-二维激光雷达扫描传感器，14-堆煤，15-钢丝绳。

具体实施方式

结合图1至图2所示，对本发明提供的一种矿用提升机罐道在线安全监测系统及方法的具体实施方式进行说明。

一种矿用提升机罐道在线安全监测系统，包括接收装置、传输装置、传感器装置和提升机罐道装置，各部分装置配合解决了提升罐道引起提升容器振动、倾斜以及罐耳磨损、钢丝绳张力不平衡等监测预警的问题，该系统能够实时采集监测数据、图像识别，并对数据进行分析处理，当出现危险状况时，能够提醒工作人员及时采取相应的措施。传感器装置采用监测传感器和机器视觉监测组合的方式提升罐道状态数据的监测，计算机对监测数据进行处理，处理得到提升机罐道的倾斜及振动情况，罐耳的磨损情况，提升系统危险进行及时的预警和报警。接收装置对监测数据进行处理，建立了提升系统运动模型，提升动态载荷对罐道的影响进行分析可以研究提升罐道的使用、故障、寿命等。

其中接收装置通过传输装置接收来自传感器装置的监测信号，并通过计算机和设定的算法模型对监测数据进行处理，完成报警。传感器装置对提升罐道装置进行在线实时监测，采用多种监测方式组合的方式，全面的监测提升罐道系统运行情况。接收装置包括接收器1、转换器、计算机2和报警器，接收器接收信号，转换器对接收的信号进行数字转换，转换后的信息传输至计算机2，计算机2根据模型控制报警器发出报警。传输装置包括数据线缆3和信号发射器7，数据线缆3和信号发射器7分别设置，为不同的监测参数提供不同的信号传输通道。传感器装置包括载荷传感器5、振动加速传感器9、倾角传感器10、图像识别模块6、主动红外线传感器11和二维激光扫描雷达13，各个监测传感器配合布置在合理的位置，从而提升监测的效率和监测的精度。提升机罐道装置包括罐道4、钢丝绳15和提升箕斗8，提升机罐道为矿井运输工作服务。载荷传感器5、振动加速传感器9、倾角传感器9和图像识别模块6安装在提升箕斗上，提升箕斗8上的信号发射器和井口的接收装置进行数据传输，主动红外线传感器11和二维激光扫描雷达13设置在钢丝绳的末端，其固定设置，并通过有线传输保证数据传递。接收装置对监测数据进行处理，并根据处理结果进行报警。

提升机罐道装置的提升箕斗8包括第一箕斗和第二箕斗，载荷传感器5、振动加速传感器9、倾角传感器和9图像识别模块6通过提升箕斗上的信号发射器传输监测数据。主动红外线传感器和二维激光扫描雷达通过数据线缆传输监测数据。

提升机罐道装置的钢丝绳15可以由6根组成，经计算可知，每根钢丝绳15需要承受的最大动载荷约为38.67t，并根据传感器的选用的基本原则，所选用的载荷传感器5的量程为50t；通过监测载荷传感器5的数据来反映钢丝绳15张力，上位机2接收并处理传感器装置的数据，当载荷传感器的监测值大于阈值时，接收装置会自动报警并进行数据存储。

二维激光扫描雷达13可以设置有多个，分别从多个角度对罐道底部的煤堆高度进行监测。罐道4底部煤堆的煤位高度通过二维激光扫描雷达13监测，接收装置的报警器根据监测结果判断是否发出警报。具体的是，在运行二维激光雷达扫描传感器13时，如果初始时二维激光雷达扫描传感器13采集的距离信息为6.979m，危险警示灯为绿色。利用障碍物模拟煤堆14的煤位高度，触及二维激光雷达扫描系统激光扫描平面，激光测距距离发生变化，危险警示灯变红，并且伴有声响。当煤堆14触及二维激光雷达扫描传感器13监测平面时，上位机2中的组态向画面显示测距信息发生变化，并开始报警，当煤堆14继续升高并触及主动红外对射传感器a11和主动红外对射传感器b11光线监测平面时，通过有线传输3至上位机2内组态画面中主动红外线遮断信号发生变化，主动红外线遮断信号由绿色变为红色，并伴有声响。

接收装置对监测数据的处理包括：对振动信号进行时域频域变换，得到振动信号频谱能量，并根据刚性罐道在正常状态与故障状态下的振动信号的频谱特性，确定振动信号的安全阈值。

通过图像处理技术算法对罐道进行在线监测，输出故障数据以及罐道坐标曲线图。具体的是图像识别模块6放置在提升箕斗8上方中间位置处，通过图像采集软件采集罐道4图像，然后通过多图像处理算法进行特征提取以及故障监测得到故障数据，然后将数据传输至计算机2中的UI界面实现数据可视化，当局部磨损超过阈值时，系统会自行报警并截取故障界面以及数据存储。

倾角传感器在提升箕斗发生抖动时，传感器的敏感轴发生转动，结合提升箕斗的加速度判断确定提升箕斗的倾斜状态。其中倾角传感器10安装在提升箕斗下方中间位置，提升箕斗8沿罐道4运行，提升箕斗8的倾斜反映出罐道4的倾斜状况，通过监测提升箕斗8的倾斜情况来反映罐道4的倾斜情况，当倾角传感器10处于水平状态时，此时传感器监测到的加速度a＝g，当提升箕斗8发生一定角度的倾斜时提升箕斗与竖直方向的夹角为α，此时传感器的敏感轴发生转动，监测到的加速度g＝cosα，因此通过接收装置进行故障报警以及数据存储。

振动加速传感器设置在提升箕斗的下方，通过监测振动判断罐道的故障，接收装置的报警器根据故障发出警报。通过监测振动加速传感器9的振动情况来判断罐道4故障的大小及程度，在提升箕斗8空载、低速运行时，振动响应较平稳，当罐道4处于故障状况时，振动响应较大且常有峰值出现，这时接收装置会进行故障报警。

该系统中对矿山提升罐道监测采用的是振动加速度测量方法+图像识别技术，尤其是姿态传感器，当提升罐道出现弯曲、接头错位、局部凸起时，提升箕斗经过故障位置时会引起较大振动，多方式、多角度、多手段地实现提升罐道安全监测。

一种矿用提升机罐道在线安全监测方法，利用上述的一种矿用提升机罐道在线安全监测系统，步骤包括：提升箕斗上的载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器、图像识别模块将监测数据通过信号发射器将监测数据传输至接收装置；主动红外线传感器和二维激光扫描雷达通过数据线缆将监测数据传输至接收装置；接收装置的接收器和PLC控制器分别接收到监测数据，接收器的监测数据经过转换器后输入计算机，数据线缆传输的数据经过PLC处理后传输至计算机，计算机通过综合判断将预警信息传输至报警器。其中计算机判断提升箕斗的振动状况、罐耳的磨损以及装载位置区域、尾绳的状况，同时捕捉记录故障信息。该方法运用机器视觉在线监测手段，快速准确的识别罐道故障，提高提升井筒监测的智能化检测效率，多方式、多角度、多手段地实现提升罐道安全监测。

该系统能够对提升箕斗的运行状况进行实时监测，对运行过程中的安全故障进行预警；系统对提升载荷参数进行动态监测，实时反馈，通过地面操控室实现风险控制；该系统进行监测的方法通过对提升箕斗的振动情况、罐耳磨损及装载位置区域进行报警；通过图像识别方式进行在线监测，具有快速响应的特点，及时捕捉故障信息；该方法可以多方式、多角度、多手段地实现提升罐道安全监测。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种矿用提升机罐道在线安全监测方法，利用矿用提升机罐道在线安全监测系统，其特征在于，包括接收装置、传输装置、传感器装置和提升机罐道装置，所述接收装置通过传输装置接收来自传感器装置的监测信号，传感器装置对提升罐道装置进行在线实时监测；所述接收装置包括接收器、转换器、计算机和报警器；所述传输装置包括数据线缆和信号发射器；所述传感器装置包括载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器、图像识别模块、主动红外线传感器和二维激光扫描雷达；所述提升机罐道装置包括罐道、钢丝绳和提升箕斗；所述载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器和图像识别模块安装在提升箕斗上，提升箕斗上的信号发射器和井口的接收装置进行数据传输，主动红外线传感器和二维激光扫描雷达设置在钢丝绳的末端；接收装置对监测数据进行处理；

所述提升机罐道装置的提升箕斗包括第一箕斗和第二箕斗，载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器和图像识别模块通过提升箕斗上的信号发射器传输监测数据；所述主动红外线传感器和二维激光扫描雷达通过数据线缆传输监测数据；

所述二维激光扫描雷达设置有多个，分别从多个角度对罐道底部的煤堆高度进行监测；

所述接收装置对监测数据的处理包括：对振动信号进行时域频域变换，得到振动信号频谱能量，并根据刚性罐道在正常状态与故障状态下的振动信号的频谱特性，确定振动信号的安全阈值；

通过图像处理技术算法对罐道进行在线监测，输出故障数据以及罐道坐标曲线图；通过多图像处理算法进行特征提取以及故障监测得到故障数据，然后将数据传输至计算机中的UI界面实现数据可视化，当局部磨损超过阈值时，系统会自行报警并截取故障界面以及数据存储；

所述倾角传感器在提升箕斗发生抖动时，传感器的敏感轴发生转动，结合提升箕斗的加速度判断确定提升箕斗的倾斜状态；通过监测提升箕斗的倾斜情况来反映罐道的倾斜情况，当倾角传感器处于水平状态时，此时传感器监测到的加速度a=g，当提升箕斗发生一定角度的倾斜时提升箕斗与竖直方向的夹角为α，此时传感器的敏感轴发生转动，监测到的加速度g=cosα，因此通过接收装置进行故障报警以及数据存储；

所述振动加速传感器设置在提升箕斗的下方，通过监测振动判断罐道的故障，接收装置的报警器根据故障发出警报；

所述罐道底部煤堆的煤位高度通过二维激光扫描雷达监测，接收装置的报警器根据监测结果判断是否发出警报；

监测步骤包括：

提升箕斗上的载荷传感器、振动加速传感器、倾角传感器、图像识别模块将监测数据通过信号发射器将监测数据传输至接收装置；

主动红外线传感器和二维激光扫描雷达通过数据线缆将监测数据传输至接收装置；

接收装置的接收器和PLC控制器分别接收到监测数据，接收器的监测数据经过转换器后输入计算机，数据线缆传输的数据经过PLC处理后传输至计算机，计算机通过综合判断将预警信息传输至报警器；

所述计算机判断提升箕斗的振动状况、罐耳的磨损以及装载位置区域、尾绳的状况，同时捕捉记录故障信息。