一种煤矿井下设备在线监测系统及方法

摘要

一种煤矿井下设备在线监测系统，包括多个与所述煤矿井下设备对应连接的信息采录装置和与所有信息采录装置通信连接的上位机，其中信息采录装置包括微处理器，微处理器电性连接有存储模块、电源模块、采集模块和通信模块，存储模块包括铁电存储器和固态存储器，采集模块包括A/D转换模块，通信模块与上位机通信连接。本发明提供一种煤矿井下设备在线监测系统及方法，能够高效且准确地对煤矿井下设备的运行状态进行监测。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿设备领域，具体的说是一种煤矿井下设备在线监测系统及方法。

背景技术

煤矿是以生产为主的单位，所以煤矿运行的设备稳定性决定着生产效益的高低和投入维护成本的高低，其中一些关键性重要设备甚至起着决定企业命运的作用，如风机发生故障停风，不仅影响生产甚至出现人员伤亡，损失将不可估量。因此如何感知设备的故障，避免设备故障造成的事故，尤其是灾难性事故的发生，一直是煤矿技术人员非常重视的问题。

目前煤矿设备的运行工况状态一般分为被动接受型和主动分析型。被动接受型是设备出现了问题才去检修更换，造成被动接受型的根源是无先进的检测技术及手段，被动的接受设备的状态。主动分析型，是积极的应对方式，但目前还是停留在通过有经验的技术工人采用手、眼、鼻、耳等器官，采用摸、看、闻、听等手段配和简单的电压电流等参数，来判断设备是否存在问题。如观察温度、声音、颜色、气味有否异常，由于每个人的知识水平、技术程度、经验不同，只能解决一些浅显的问题。由于当前设备监测手段较为落后，当设备出现故障问题时不能准确的判断设备问题原因，造成的损失是巨大的。因此，提高设备运行和故障的检测手段对煤矿生产设备的安全运行有重大意义。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种煤矿井下设备在线监测系统及方法，能够高效且准确地对煤矿井下设备的运行状态进行监测。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种煤矿井下设备在线监测系统，包括多个与所述煤矿井下设备对应连接的信息采录装置和与所有信息采录装置通信连接的上位机，其中信息采录装置包括微处理器，微处理器电性连接有存储模块、电源模块、采集模块和通信模块，存储模块包括铁电存储器和固态存储器，采集模块包括A/D转换模块，通信模块与上位机通信连接。

作为上述煤矿井下设备在线监测系统的进一步优化：所述通信模块包括电性连接的光电隔离电路和总线接口电路，其中光电隔离电路与所述微处理器电性连接，总线接口电路通过数据总线与所述上位机通信连接。

作为上述煤矿井下设备在线监测系统的进一步优化：所述总线接口电路设置为RS485接口电路。

作为上述煤矿井下设备在线监测系统的进一步优化：所述固态存储器设置为SD卡。

作为上述煤矿井下设备在线监测系统的进一步优化：所述电源模块包括第一变压元件和第二变压元件，其中第一变压元件与外部电源电性连接，第二变压元件与第一变压元件和所述微处理器电性连接。

一种煤矿井下设备在线监测系统的在线监测方法，包括如下步骤：

S1、部署所述在线监测系统并且初始化；

S2、所述微处理器启动系统中断和看门狗定时器；

S3、微处理器根据系统中断依次进行数据采集、数据计算和上位通信；

S4、微处理器刷新看门狗定时器；

S5、微处理器判断所述固态存储器的健康状态，若健康则进行数据存储，否则执行S6；

S6、返回S2。

作为上述煤矿井下设备在线监测系统的在线监测方法的进一步优化：S1中，初始化所述在线监测系统的方法为：

S1.1、通过所述上位机对所述煤矿井下设备的信息进行管理；

S1.2、通过上位机对每一个煤矿井下设备设定一个数据组；

S1.3、通过上位机对每个所述信息采录装置的所述固态存储器进行检查，若检查结果为固态存储器不可用则对固态存储器进行更换或者补充。

作为上述煤矿井下设备在线监测系统的在线监测方法的进一步优化：S1.1中，所述煤矿井下设备的信息包括设备类别和安装地点，管理方法包括增加、修改和删除；

S1.2中，数据组包括电流参数单元、功率参数单元和危险阈值单元。

作为上述煤矿井下设备在线监测系统的在线监测方法的进一步优化：S2中，系统中断包括采样中断、固定时长中断和通信中断，当系统中断为采样中断时所述微处理器进行数据采集，当系统中断为固定时长中断时微处理器进行数据计算，当系统中断为通信中断时微处理器进行上位通信。

有益效果：本发明能够高效且准确地在线监测到各个煤矿井下设备的运行状态，进而实现煤矿井下设备的启动分析，空载、负载、过载运行分析，设备故障分析，设备运行情况分析等，为设备故障预警和异常问题分析提供详细运行数据，为保障生产安全、高效提供有力帮助。

附图说明

图1是本发明在线监测系统整体结构框图；

图2是电源模块的电路图；

图3是滤波电路模块的电路图；

图4是A/D转换模块的电路图；

图5是微处理器的电路图；

图6是固态存储器的电路图；

图7是通信模块的电路图。

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。

请参阅图1至7，一种煤矿井下设备在线监测系统，包括多个与煤矿井下设备对应连接的信息采录装置和与所有信息采录装置通信连接的上位机，其中信息采录装置包括微处理器，微处理器电性连接有存储模块、电源模块、采集模块和通信模块，存储模块包括铁电存储器和固态存储器，采集模块包括A/D转换模块，通信模块与上位机通信连接。

微处理器是信息采录装置的核心，用于控制采集模块采集数据、对采集到的数据进行处理、将处理后的数据存入到存储模块和与上位机通信，在本实施例中，微处理器采用型号为STM32F407VET6的单片机。

存储模块中，铁电存储器的型号为FM3316，集参数存储、看门狗、实时时钟、电源监测功能与一体，性能可靠且节省印制板面积；固态存储器选用SD卡，通过微处理器的SDIO接口实现数据的读写操作，并且通过卡槽固定在信息采录装置的边缘以便于插拔。

电源模块用于为其它各模块工作供电。为了满足不同模块的需求，电源模块具体包括第一变压元件和第二变压元件，其中第一变压元件与外部电源电性连接，第二变压元件与第一变压元件和微处理器电性连接。在本实施例中，电源模块提供5V和3.3V两个电压等级，第一变压元件选用金升阳的AC/DC电压模块LD05-20B05，外部电源获取AC100V输入并且输出DC5V/1A，第二变压元件选用AMS1117-3.3将第一变压元件输出的5V电压转换为3.3V并且为微处理器供电。

采集模块用于从煤矿井下设备获取原始模拟信号，A/D转换模块选用AD公司的AD7606-6，16位6通道同步采样，单电源供电，无需外部调理回路。进而，采集模块还包括设置在A/D转换模块和煤矿井下设备之间的滤波电路模块，用于完成对煤矿井下设备的三相电压、电流信号的信号变换和滤波，将信号调制为模数转换模块能够接入的信号。滤波电路模块电压取样的范围设置为0～150V，采用精度0.1％电阻分压为峰值5V的信号经RC滤波后引入ADC模拟通道，电流取样范围是0～60A，采用5A/2mA穿心式电流互感器实现大电流到小电流信号的转换，采用0.1％电阻取样，经RC滤波后引入ADC模拟通道。

通信模块包括电性连接的光电隔离电路和总线接口电路，其中光电隔离电路与微处理器电性连接，总线接口电路通过数据总线与上位机通信连接。在本实施例中，总线接口电路设置为RS485接口电路。为了提升通信模块的安全性，保证通信模块能够稳定运行，RS485接口设置为本安型RS485接口，并且通信模块的供电模块通过隔离模块与信息采录装置的主电源电气隔离，耐压能力不低于1500V，隔离模块输出的+5V电压经过固定限流电阻和电压钳位保护后转换为本安+5V电源，供应给RS485接口芯片，RS485差分总线上经过固定电阻电流、P6KE6.8CA电压钳位、MZ11系列热敏电阻过流保护处理后，即可具有220VAC强电压误接入保护功能，采用MOXA公司的MINIPEOT实现以太网电口通讯功能。

在使用时，微处理器通过采集模块获取到采集煤矿井下设备的原始运行参数，然后对原始运行参数进行分析处理后得到实际运行参数，之后将实际运行参数存储到固态存储器中，并且将实际运行参数通过通信模块发送给上位机，上位机在接收到所有信息采录装置发来的实际运行参数后，通过汇总分析可以得到各个煤矿井下设备的运行状态，进而实现煤矿井下设备的启动分析，空载、负载、过载运行分析，设备故障分析，设备运行情况分析等，为设备故障预警和异常问题分析提供详细运行数据，为保障生产安全、高效提供有力帮助。对于不同的煤矿井下设备，实际运行参数可以是三相电压、三相电流、视在功率、有功功率、无功功率或者功率因数等。

基于上述系统，本发明还提供一种煤矿井下设备在线监测系统的在线监测方法，包括S1至S6。

S1、部署在线监测系统并且初始化。在部署在线监测系统时，信息采录装置的安装方式和与煤矿井下设备的连接方式需要根据煤矿井下设备的具体类型和型号决定，在此不再赘述。系统硬件部署完毕之后，通过上位机完成初始化，确保系统能够正常运行。

S1中，初始化在线监测系统的方法为S1.1至S1.3。

S1.1、通过上位机对煤矿井下设备的信息进行管理，煤矿井下设备的信息包括设备类别和安装地点，管理方法包括增加、修改和删除。其中设备类别用于对煤矿井下设备进行分类，同类的煤矿井下设备对应的实际运行参数的类型相同，通过分类可以有效提高对实际运行参数进行汇总分析的效率，安装地点用于对煤矿井下设备的位置进行标注，以便于在煤矿井下设备发生故障的时候快速定位和维护。此外，煤矿井下设备的信息还可以包括设备名称、现场柜号、出厂编号和相关参数。

S1.2、通过上位机对每一个煤矿井下设备设定一个数据组，数据组包括电流参数单元、功率参数单元和危险阈值单元。电流参数单元可以包括设备开电流、设备停电流和启动电流，功率参数单元可以包括空载功率、负载功率和超载功率，危险阈值单元可以包括短路值、过流值、欠压值和过压值。数据组中的各个数据由上位机通过对信号采录装置发送来的实际运行参数进行分解处理后得到。

S1.3、通过上位机对每个信息采录装置的固态存储器进行检查，若检查结果为固态存储器不可用则对固态存储器进行更换或者补充。

S2、微处理器启动系统中断和看门狗定时器。

S3、微处理器根据系统中断依次进行数据采集、数据计算和上位通信。

S2中，系统中断包括采样中断、固定时长中断和通信中断，当系统中断为采样中断时微处理器进行数据采集，当系统中断为固定时长中断时微处理器进行数据计算，当系统中断为通信中断时微处理器进行上位通信。

当系统中断为采样中断时，微处理器进行数据采集的具体方法为S311至S313。

S311、微处理器读取A/D转换模块的输入值。

S312、微处理器根据输入值计算电压和电流的相角。

S313、若周波采样完成，则置采样完成标志然后结束，若周波采样未完成则直接结束。

即采样中断实现A/D采样值的读取和电压、电流相角的计算。

当系统中断为固定时长中断时，微处理器进行数据计算的具体方法为S321至S325。

S321、判断采样完成标志是否置位，若是则计算电参数后执行S322，若否则直接执行S322。

S322、点亮指示灯。

S323、更新时钟。

S324、整合存储数据。

S325、若存储数据整合完毕则置数据存储标志后结束，否则直接接受。

即固定时长中断实现电参数计算、时钟更新、存储数据的整合和指示灯的处理。在本实施例中，固定时长中断设置为20ms中断。

当系统中断为通信中断时，通信中断分为接收中断和发送中断两个部分，并且接收中断和发送中断先后生成，微处理器进行上位通信的具体方法为S331至S336。

S331、接收来自于上位机的控制数据。

S332、置接收完成标志。

S333、判断控制数据是否正确，若正确则执行S334，否则直接结束。

S334、从控制数据中提取功能码。功能码用于表征上位机需要读取的数据。

S335、根据功能码组建发送帧。

S336、向上位机发送数据。这里发送的数据是实际运行参数的一种或者多种。

即通信中断实现与上位机之间数据的接收和发送，其中S331至S332对应接收中断，S333至S336对应发送中断。

S4、微处理器刷新看门狗定时器。

S5、微处理器判断固态存储器的健康状态，若健康则进行数据存储，否则执行S6。S5的具体方法为S5.1至

S5.1、判断SD卡是否正常，若正常则执行S5.2，否则向上位机报告SD卡故障后结束。

S5.2、判断数据整合标志是否置位，若是则执行S5.3，否则直接结束。

S5.3、以文件形式将实际运行参数存储到SD卡中，若存储成功则结束，若存储失败则向上位机报告SD卡故障后结束。

S6、返回S2。

此外，本方法由两部分组成，其中S1至S6为信息采录装置对应执行的部分，另外一部分为上位机执行的部分，在上位机执行的部分中，上位机根据从信息采录装置获取到的实际运行参数计算煤矿井下设备对应的数据组，煤矿井下设备的具体型号不同则计算方法也不同，需要根据实际情况来确定，在此不在赘述。

通过本方法，能够高效且准确地对煤矿井下设备的运行状态进行监测。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。