一种超深矿井提升容器深度与状态检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种超深矿井提升容器深度与状态检测装置及方法，该装置通过在矿井井筒一侧的井口及所有中段铺设编码电缆，天线箱、地址检波解码器、载波发生器、三轴加速度计、DSP采集与运算模块、无线信号发射器、发射定向天线、接收定向天线、无线信号接收器及工控机；整个装置结构简单、成本较低，操作方便；该方法在非关键位置提出用三轴加速度计检测其运动状态，对加速度计进行积分得到其速度、深度，可以与旋转编码器得到的信息互为对比，保证信息的可靠性，保证设备运行安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超深矿井提升容器深度与状态检测装置及方法。

背景技术

目前，在矿井提升领域，提升容器的深度检测基本上是通过旋转编码器测量卷筒旋转的 角度，再根据卷筒直径换算成钢丝绳的运动距离，间接获得提升容器的深度信息。由于长钢 丝绳本身具有一定的弹性、提升容器受外力冲击等原因，这种间接检测的方式获得的深度信 息并不十分可靠，比如当由于罐道变形等原因造成运行过程中提升容器卡罐，提升司机不了 解提升容器的真实状态和深度，卷筒继续工作就很可能造成断绳的严重事故。

当提升容器需要在中段停靠时，需要先减速爬行，通过机械式或电磁式行程开关发出停 车信号，这时因为钢丝绳弹性等原因，实际停靠点并不十分准确，给人员上下、物料运输带 来一些困难和安全隐患。且井下环境恶劣，行程开关时有损坏，给正常运行带来不便，也存 在安全隐患。

但是在超深矿井(1500米以上)中，钢丝绳的弹性伸长影响不能忽略，提升容器的载荷 更大，运行速度更快，依靠旋转编码器间接检测+行程开关发出停车信号的方法误差较大，可 能带来停靠不准、不稳等问题，给人员、车辆上下带来困难和安全隐患。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种能实时监测提升容器运动状态、在 中段能短距离高精度地实时检测提升容器位置的方法及装置，即将编码电缆分段铺设在中段 附近，实现爬行停车时的高精度实时位置检测，确保准确停车。

编码电缆是具有一定编码规则(一般是格雷码)的专用电缆，采用特殊模具以间隔相等、 方向相反、互相对称的对线形式绕制，与天线箱等配合可以实现长距离、非接触、高精度(可 达5mm)的绝对地址检测，其采用橡胶全密封，抗干扰能力强，防护等级达到IP67，适用于 恶劣的工业环境，可靠性高，寿命长。除位置检测功能外，编码电缆系统与通信器配合还可 以用来传输数据。但是编码电缆价格较昂贵，并不适合全程铺设，尤其是超深矿井。

在提升容器高速运行阶段，运行状态信息比位置信息更重要；在爬行停车阶段，位置信 息比运行状态信息更重要。

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种能实时监测提升容器运动状态、在 中段能短距离高精度地实时检测提升容器位置的方法及装置，即将编码电缆分段铺设在中段 附近，实现爬行停车时的高精度实时位置检测，确保准确停车。

编码电缆是具有一定编码规则(一般是格雷码)的专用电缆，采用特殊模具以间隔相等、 方向相反、互相对称的对线形式绕制，与天线箱等配合可以实现长距离、非接触、高精度(可 达5mm)的绝对地址检测，其采用橡胶全密封，抗干扰能力强，防护等级达到IP67，适用于 恶劣的工业环境，可靠性高，寿命长。除位置检测功能外，编码电缆系统与通信器配合还可 以用来传输数据。但是编码电缆价格较昂贵，并不适合全程铺设，尤其是超深矿井。

在提升容器高速运行阶段，运行状态信息比位置信息更重要；在爬行停车阶段，位置信 息比运行状态信息更重要。

一种超深矿井提升容器深度与状态检测装置，包括多芯电缆、铺设在矿井井筒一侧的井 口及所有中段的编码电缆，天线箱、地址检波解码器、载波发生器、加速度计、DSP采集与 运算模块、无线信号发射器、发射定向天线、接收定向天线、无线信号接收器及工控机；

多段编码电缆之间通过多芯电缆连接；

所述天线箱、加速度计、DSP采集与运算模块及无线信号发射器设置在提升容器上；

所述地址检波解码器安装在提升容器上与天线箱相连，载波发生器设置在矿井地表面； 或者所述地址检波解码器安装在矿井地表面，载波发生器设置在提升容器上与天线箱相连；

所述加速度计、DSP采集与运算模块、无线信号发射器及发射定向天线依次相连，所述 无线信号发射器通过发射定向天线、接收定向天线与无线数据接收器进行通信；

所述无线数据接收器与工控机进行通信。

所述编码电缆与多芯电缆之间的连接采用直连或者通过双向中继放大器连接。

还包括与工控机相连的报警单元。

一种超深矿井提升容器深度与状态检测方法，在矿井井筒一侧的井口及所有中段铺设编 码电缆，编码电缆之间采用多芯电缆连接；在提升容器上安装天线箱，并设置地址检波解码 器与载波发生器，在铺设有编码电缆的位置，通过载波发生器发出载波信号经过天线箱传输 至编码电缆上，或直接传输至编码电缆上，编码电缆将信号传输至地址检波解码器获得提升 容器的深度信息；

所述地址检波解码器与载波发生器的设置方式包括以下两种：

在提升容器上安装地址检波解码器，地址检波解码器与天线箱相连，载波发生器设置在 矿井地表面；

或者将地址检波解码器安装在矿井地表面，载波发生器设置在提升容器上，载波发生器 与天线箱相连。

所述编码电缆与多芯电缆之间的连接采用直连或者通过双向中继放大器连接。

在提升容器上设置加速度计、DSP采集与运算模块、无线信号发射器及发射定向天线， 在矿井地表面设置接收定向天线与无线数据接收器；

在提升容器的高速运行阶段，通过安装在提升容器上的三轴加速度计获得提升容器的加 速度信息并经数据采集板卡采集，经无线信号发射器通过发射定向天线发送，由固定在矿井 地表面的接收定向天线接收后，发给无线数据接收器，然后传输至地面的工控机；

通过工控机对三轴加速度计采集的数据进行滤波与一次、二次积分运算，分别得到提升 容器的速度与位移信息；同时，与通过旋转编码器、编码电缆获得的提升容器速度、位移信 息进行比对，若速度差值或位置差值超过设定阈值，则通过工控机发出报警信息。

当提升容器提升时，对三轴加速度计采集的数据进行判断，如果在同一位置出现加速度 值波动范围超过设定的阈值范围，则认为罐道出现严重变形或存在外力冲击，通过工控机发 出预警信号。

罐笼设备通过滚轮发电机和蓄电池供电，以保证设备的连续稳定运行。作为一种节省电 力的方法，在提升容器较长时间不运行时，设备设计有休眠模式，当提升机运行时可自动或 手动唤醒至正常工作模式。

有益效果

本发明提供了一种超深矿井提升容器深度与状态检测装置及方法，该装置包括多芯电缆、 铺设在矿井井筒一侧的井口及所有中段的编码电缆，天线箱、地址检波解码器、载波发生器、 加速度计、DSP采集与运算模块、无线信号发射器、发射定向天线、接收定向天线、无线信 号接收器及工控机；整个装置结构简单、成本较低，操作方便；

通过对超深矿井的研究分析得知，需要停靠的中段等关键位置要高精度、直接检测；在 高速运行的位置(非中段等)，需关注其运动状态(有没有冲击、晃动等)。因此，该方法在 非关键位置提出用加速度计检测其运动状态，对加速度计进行积分得到其速度、深度，可以 与旋转编码器得到的信息互为对比，保证信息的可靠性，保证设备运行安全。

不同中段的编码电缆通过多芯电缆连接，示意如图3，在多芯电缆处不能检测位置信号。 这种用多芯电缆替代一部分编码电缆的设计使得整个超深井筒的几段编码电缆结构上仍为一 个整体，因而只需要一套地上通信器、地址检波解码器等配套设备，节省了成本。

每一段编码电缆检测的都是天线箱在该段上的绝对位置，不同中段的编码电缆传输的地 址信息通过段地址来分辨，段地址可以结合中段附近的行程开关或旋转编码器提供的深度信 息确定。因编码电缆检测的是实时的绝对位置，因此方便司机准确停车。另外，其位置信息 可以作为卷筒编码电缆提供的位置信息的校正。在上位机对其位置信息进行微分运算，可获 得爬行阶段的速度信息，亦可作为编码器得出的速度信息的校正。

虽然编码电缆技术上很有优势，但是价格昂贵不适合在超深矿井井筒全程铺设。

本发明通过对超深矿井深度检测进行大量的分析研究，提出只在中段等关键位置使用编 码电缆，在非关键位置使用多芯电缆直连，几段编码电缆仍为一套地址检测系统，可以极大 地节省成本，这种分段用法是有其特殊背景和使用价值的。

附图说明

图1为该装置的结构示意图；

图2为该装置的检测原理示意图；

图3为多芯电缆与编码电缆的直连示意图；

标号说明：10-井筒，11-罐道，201-提升容器，202-蓄电池，203-滚轮发电机，204-三轴 加速度计，205-采集与运算模块，206-卷帘门电机，207-无线信号发射器，208-发射定向天 线，30-编码电缆，31-多芯电缆，32-车上通信控制器，33-天线箱，34-载波发生器，35-地址 信号检波解码器，36-地上通信器，37-终端电阻，40-天轮，41-接收定向天线，42-无线信号 接收器，43-提升钢丝绳，44-卷筒，45-旋转编码器，50-主控制柜，51-主控PLC，52-PLC从 站，53-工控机。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种超深矿井提升容器深度与状态检测装置，包括多芯电缆31、铺设在矿 井井筒10一侧的井口及所有中段的编码电缆30、多芯电缆31、天线箱33、载波发生器34、 地址信号检波解码器35、三轴加速度计204、DSP采集与运算模块205、无线信号发射器207、 发射定向天线208、接收定向天线41、无线信号接收器42及工控机53；

多段编码电缆30之间通过多芯电缆31连接；

所述天线箱33、三轴加速度计204、DSP采集与运算模块205及无线信号发射器207设 置在提升容器201上；

所述地址信号检波解码器35安装在提升容器201上与天线箱33相连，载波发生器34设 置在矿井地表面；或者所述地址信号检波解码器35安装在矿井地表面，载波发生器34设置 在提升容器201上与天线箱33相连；

所述三轴加速度计204、DSP采集与运算模块205、无线信号发射器207及发射定向天线 208依次相连，所述无线信号发射器207通过发射定向天线208、接收定向天线41与无线信 号接收器42进行通信；

所述无线信号接收器42与安装在主控制柜50的工控机53或PLC从站52进行通信。

所述编码电缆30与多芯电缆31之间的连接采用直连或者通过双向中继放大器连接。

直连方式如图3所示。

还包括与工控机53相连的报警单元。

一种超深矿井提升容器深度与状态检测方法，检测原理如图2所示，在矿井井筒10一侧 的井口及所有中段铺设编码电缆30，编码电缆30之间采用多芯电缆31连接，最下方一段编 码电缆末端连接终端电阻37；在提升容器201上安装天线箱33，并设置地址信号检波解码器 35与载波发生器34，在铺设有编码电缆30的位置，通过载波发生器34发出载波信号经过天 线箱33传输至编码电缆30上，或直接传输至编码电缆30上，编码电缆30将信号传输至地 址信号检波解码器35获得提升容器201的深度信息；

所述地址信号检波解码器35与载波发生器34的设置方式包括以下两种：

在提升容器201上安装地址信号检波解码器35，地址信号检波解码器35与天线箱33相 连，载波发生器34设置在矿井地表面；

或者将地址信号检波解码器35安装在矿井地表面，载波发生器34设置在提升容器201 上，载波发生器34与天线箱33相连。

所述编码电缆30与多芯电缆31之间的连接采用直连或者通过双向中继放大器连接。

在提升容器201上设置三轴加速度计204、DSP采集与运算模块205、无线信号发射器207 及发射定向天线208，在矿井地面天轮40下方、靠近提升钢丝绳43位置设置接收定向天线 41与无线信号接收器42；

在提升容器201的高速运行阶段，通过安装在提升容器201上的三轴加速度计204获得 提升容器201的加速度信息并经DSP采集与运算模块205采集，经无线信号发射器207通过 发射定向天线208发送，由固定在矿井地表面的接收定向天线41接收后，发给无线信号接收 器42，然后传输至地面的工控机53；

通过工控机53对三轴加速度计204采集的数据进行滤波与一次、二次积分运算，分别得 到提升容器201的速度与位移信息；同时，与通过安装在卷筒44轴端的旋转编码器45、编 码电缆30获得的提升容器速度、位移信息进行比对，若速度差值或位置差值超过设定阈值， 则通过工控机53发出报警信息。

当提升容器201提升时，对三轴加速度计204采集的数据进行判断，如果在同一位置出 现加速度值波动范围超过设定的阈值范围，则认为罐道11出现严重变形或存在外力冲击，通 过工控机53发出预警信号。

本发明所提出的装置除位置检测功能外，编码电缆30配合车上通信器、地上通信器36 还可以进行无线通信，其通过天线箱33与编码电缆30进行电磁感应耦合，信号传输稳定。 可以用来实现中段附近的实时通信，实现提升容器卷帘门、阻车器的自动控制和双向语音通 信。以电动卷帘门为例，说明通信过程：通过编码电缆30系统的位置信息判断，达到中段位 置停车后，主控PLC51发出卷帘指令，经编码电缆30或多芯电缆31传到中段处的地上通信 器36，地上通信器36将信号发送到编码电缆30，提升容器201上的天线箱33通过电磁耦合 接收信号，并将电磁波转换成电流信号发给车上通信控制器32，车上通信控制器32向卷帘 门电机206发出启动指令，开始卷帘。

提升容器201设备通过滚轮发电机203和蓄电池202供电，以保证设备的连续稳定运行。 作为一种节省电力的方法，在提升容器201较长时间不运行时，设备设计有休眠模式，当提 升机运行时可自动或手动唤醒至正常工作模式。

通过这种分段编码电缆30与三轴加速度计204结合的方式不仅能得到可靠的深度信息， 还可以得到提升容器201运动状态信息，进一步用来判别罐道11变形等。