煤礦井下工作面輸送設備狀態監測與故障診斷裝置的制作方法

專利名稱：煤礦井下工作面輸送設備狀態監測與故障診斷裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種煤礦井下輸送設備狀態監測與故障診斷裝置，特別一種煤礦井下
工作面的輸送設備狀態監測與故障診斷裝置。
背景技術：
綜合機械化是煤礦井下開采技術現代化的重要標志，其工作面輸送設備是指由刮板輸送機、破碎機、轉載機和皮帶輸送機組成的輸送設備。工作面輸送設備作為井下唯一的輸煤設備，它的安全和可靠運行是采煤的關鍵之一，監測和診斷這些設備運行參數的必要性不言而喻。另一方面，為實現"無人開采"工作面這一首要目標，就要能準確地獲取足夠量的工作面輸送設備運行參數，同時滿足遠程監控的目的。因此，能滿足煤礦井下不同要求，支持多總線數據傳輸方式，實現工作面輸送設備運行參數的遠程和就地監測和診斷，具有重要的現實意義。 現有關于煤礦井下工作面輸送設備狀態監測與故障診斷裝置的研究已有一些文獻報道，如，中國礦業大學的武晉于2005年4月在《煤炭工程》發表的"一種減速器監測儀工作原理介紹"，針對當時采煤用刮板輸送機減速器缺乏必要的監測手段的情況，介紹一種能夠在采煤工作面使用的刮板輸送機減速器監測儀，并著重論述溫度和液位監測，具有重要工程意義；再如，北京工業職業技術學院的張春芝于2007年在《中國煤炭》發表的"刮板輸送機減速器在線監控系統的研制"，介紹了以單片機為核心的煤礦井下工作面刮板輸送機減速器在線狀態監測系統，用于綜采工作面刮板輸送機軸溫、油溫和油位在線監測；
現有公開號為CN2921903的一種"單片機控制的減速器綜合監測設備"專利，提供
了一種單片機為控制核心的基本結構，由溫度、液位、壓力、流量傳感器采樣電路和一個礦用隔爆兼本質安全型控制箱組成，適用于煤礦井下減速器狀態監測。但這些監測儀或監測
系統主要是針對刮板輸送機減速器的狀態進行監測，并沒有監測刮板輸送機電動機狀態的功能，且存在監測量固定，可擴展能力差，不適合于多總線數據傳輸，無法實現設備的故障診斷，也不能形成井下輸送設備監測監控系統。

發明內容
本發明要解決現有監測裝置的所監測模擬量數量固定，擴展能力差，不適合于多總線數據傳輸，無法實現設備的故障診斷，也不能形成井下輸送設備監測監控系統的問題，從而提供一種煤礦井下工作面輸送設備狀態監測與故障診斷裝置。 基于上述問題和目的，本發明的技術方案是由狀態監測與故障診斷總站和若干狀
態監測與故障診斷分站構成，總站和分站均包括CPU模塊、通信模塊、人機界面、紅外線遙
控接收模塊、紅外線遙控發射器、報警模塊、交流電源模塊、直流電源模塊和一個礦用隔爆
型控制箱。本發明裝置的分站還包括模擬量輸入模塊和隔離安全柵模塊。 其中，所述的總站和分站通過CPU模塊內置串行通信口或通信模塊連接。所述總
站CPU模塊和人機界面通過串行通信口連接，通信模塊和CPU模塊通過I/O擴展端口連接，
3紅外線遙控接收模塊和CPU模塊的數字量輸入接口連接，報警模塊和CPU模塊的繼電器輸出接口連接，交流電源模塊分別和CPU模塊、直流電源模塊和報警模塊連接，直流電源模塊
分別與人機界面和紅外線遙控接收模塊連接。 所述分站是至少一個分站由CPU模塊和模擬量輸入模塊通過1/0擴展端口連接，模擬量輸入模塊和通信模塊通過1/0擴展端口連接，CPU模塊和人機界面通過串行通信口連接，CPU模塊和紅外線遙控接收模塊通過數字量輸入接口連接，CPU模塊和報警模塊通過繼電器輸出接口連接，交流電源模塊和CPU模塊、報警模塊、直流電源模塊連接，直流電源
模塊和人機界面、紅外線遙控接收模塊、隔離安全柵模塊連接，隔離安全柵模塊和模擬量輸入模塊連接。 總站和分站使用Profibus-DP總線組網時，總站CPU模塊和分站通信模塊的串行通信口連接，上位機和總站CPU模塊或人機界面的串行通信口連接。 總站和分站使用Modbus總線組網時，總站CPU模塊和分站CPU模塊的串行通信口連接，上位機和總站通信模塊或人機界面的串行通信口連接。 隔離安全柵模塊包括熱電阻隔離式安全柵模塊和檢測端隔離式安全柵模塊。
熱電阻隔離式安全柵模塊是安全側的輸出端與模擬量輸入模塊輸入接口連接，危險側輸入端與三線制溫度傳感器連接。 檢測端隔離式安全柵模塊是安全側的輸出端與模擬量輸入模塊輸入接口連接，危險側輸入端與二線制變送器連接，即油位變送器、壓力變送器、流量變送器和距離變送器。
本發明煤礦井下輸送設備狀態監測與故障診斷裝置，將狀態監測與故障診斷總站和狀態監測與故障診斷分站集成為一個系統，采用模塊化設計，具有便于擴展監測量，支持Profibus、Modbus和自定義數據傳輸協議等多總線數據傳輸，通過紅外線遙控器控制，自身可組成局域網絡等特點。可以監測多種物理量，包括溫度、油位、壓力、流量以及距離等。
本發明總站和分站均由CPU模塊、通信模塊、模擬量輸入模塊、報警模塊、隔離安全柵模塊和電源模塊等模塊組成，結構簡單 維護方便；可根據所監測模擬量數量，增加或減少模擬量輸入模塊和隔離安全柵模塊，從而滿足不同測量需要，擴展方便；并且支持Modbus和Profibus-DP等多總線數據傳輸，組網簡單。本發明的分站分別與工作面輸送設備刮板輸送機、轉載機、破碎機等設備配套安裝，可實現對這些設備配套減速器的高速軸承溫度、低速軸承溫度、油溫、油位，電動機的定子繞組溫度、轉子前軸承溫度、轉子后軸承溫度，冷卻水的流量和壓力及采煤機距刮板輸送機機頭和機尾的距離等參數進行實時監測，就地顯示存儲監測數據，監測設備運行參數，診斷設備的運行狀態，根據診斷結果進行預警或報警，并可通過遙控器調節預警值和報警值；總站設置在井下控室內，可顯示各個分站的監測內容、預警值和報警值，并實現通過不同總線形式將監測數據傳輸到上位機等遠程設備。因此，安裝本發明裝置能實現對工作面輸送設備進行遠程和就地實時監測和故障診斷，有效保證工作面輸送設備配套的減速器和電動機安全可靠運行，減少故障的發生，實現煤礦安全、穩定、可靠運行的生產目標。


圖1是本發明的總站結構示意圖I ;
圖2是本發明的總站結構示意圖II ;
圖3是本發明的分站結構示意圖I ; 圖4是本發明的分站結構示意圖II ; 圖5是本發明的隔離安全柵模塊連接結構示意圖； 圖6是本發明的網絡組成連接結構示意圖； 圖7是本發明的紅外線遙控接收模塊結構示意電路圖； 圖8是本發明的紅外線遙控發射器電路結構示意圖 圖9是本發明的總站程序流程圖； 圖10是本發明的分站程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖用具體實施方式
對本發明所述的煤礦井下工作面輸送設備狀態監 測與故障診斷裝置作出進一步的詳細描述，本領域的專業技術人員在閱讀了本具體實施方 式后，能夠實施本發明所述的技術方案，而且也能夠體現本發明的所述效果。
圖1中所述本發明的總站具體實施例，CPU模塊1使用PLC， CPU模塊1和人機界 面2通過RS485串行通信口連接，CPU模塊1和分站通信模塊7通過RS485串行通信口連 接，CPU模塊1和通信模塊7通過I/O擴展端口連接，通信模塊7和上位機8通過RS485串 行通信口連接，紅外線遙控接收模塊3的輸出接口和CPU模塊1的數字量輸入接口連接，報 警模塊4和CPU模塊1的繼電器輸出接口連接，交流電源模塊5的220V端和直流電源模塊 6的電源輸入接口連接，交流電源模塊5的42V端和報警模塊4的電源輸入接口連接，交流 電源模塊5外接電源電壓用115 146V，頻率為50Hz為宜，最好為127V，輸出電壓為220V 和42V。直流電源模塊6的輸出接口分別與CPU模塊1、人機界面2和紅外線遙控接收模塊 3連接，直流電源模塊6的輸出直流電壓用+22 +27V為宜，最好為+24V。
圖3中所述本發明的分站具體實施例，CPU模塊1使用PLC, CPU模塊1和人機界 面2通過RS485串行通信口連接，CPU模塊1和總站通過RS485串行通信口連接，模擬量輸 入模塊10和CPU模塊1通過I/O擴展端口連接，模擬量輸入模塊10和模擬量輸入模塊10 通過I/O擴展端口連接，模擬量輸入模塊10和通信模塊7通過I/O擴展端口連接，紅外線 遙控接收模塊3的輸出接口和CPU模塊1的數字量輸入接口連接，報警模塊4和CPU模塊 1的繼電器輸出接口連接，隔離安全柵模塊9的輸出接口和模擬量輸入模塊10的輸入接口 連接，交流電源模塊5的220V端分別和CPU模塊1、直流電源模塊6的電源輸入接口連接， 交流電源模塊5的42V端和報警模塊4的電源輸入接口連接，交流電源模塊5外接電源電 壓用115 146V，頻率為50Hz為宜，最好為127V，輸出電壓為220V和42V。直流電源模塊 6輸出接口分別與人機界面2紅外線遙控接收模塊3和隔離安全柵模塊9的電源輸入接口 連接，直流電源模塊6的輸出直流電壓用+22 +27V為宜，最好為+24V。
在圖2中所述的本發明另一具體實施例中，總站CPU模塊1使用PLC， CPU模塊1 和人機界面2通過RS485串行通信口連接，CPU模塊1和分站CPU模塊1通過RS485串行 通信口連接，通信模塊7和CPU模塊1通過I/O擴展端口連接，通信模塊7和上位機8通過 RS485串行通信口連接，紅外線遙控接收模塊3的輸出接口和CPU模塊1的數字量輸入接 口連接，報警模塊4和CPU模塊1的繼電器輸出接口連接，交流電源模塊5的220V端分別 和CPU模塊1 、直流電源模塊6的電源輸入接口連接，交流電源模塊5的42V端和報警模塊4的電源輸入接口連接，交流電源模塊5外接電源電壓用115 146V，頻率為50Hz為宜，最 好為127V，輸出電壓為220V和42V，直流電源模塊6的輸出接口分別與人機界面2和紅外 線遙控接收模塊3的電源輸入接口連接，直流電源模塊6的輸出直流電壓用+22 +27V為 宜，最好為+24V。圖4所示是該實施例的分站具體實施例，CPU模塊1使用PLC, CPU模塊 1和人機界面2通過RS485串行通信口連接，模擬量輸入模塊10和CPU模塊1通過I/O擴 展端口連接，模擬量輸入模塊10和模擬量輸入模塊10通過I/O擴展端口連接，模擬量輸入 模塊10和通信模塊7通過I/O擴展端口連接，通信模塊7和總站通過RS485串行通信口連 接，紅外線遙控接收模塊3的輸出接口和CPU模塊1的數字量輸入接口連接，報警模塊4和 CPU模塊1的繼電器輸出接口連接，隔離安全柵模塊9的輸出接口和模擬量輸入模塊10的 輸入接口連接，交流電源模塊5的220V端分別和CPU模塊1、直流電源模塊6的電源輸入接 口連接，交流電源模塊5的42V端和報警模塊4的電源輸入接口連接，交流電源模塊5外接 電源電壓用115 146V，頻率為50Hz為宜，最好為127V，輸出電壓為220V和42V。直流電 源模塊6輸出接口分別與人機界面2紅外線遙控接收模塊3和隔離安全柵模塊9的電源輸 入接口連接，直流電源模塊6的輸出直流電壓用+22 +27V為宜，最好為+24V。
圖5中所述本發明的隔離安全柵模塊9的具體實施例，其中減速器高速軸承溫度 傳感器11和隔離安全柵模塊9的熱電阻隔離安全柵模塊1輸入接口連接，減速器高速軸承 溫度傳感器11為二線制或三線制溫度傳感器；減速器低速軸承溫度傳感器12和隔離安全 柵模塊9的熱電阻隔離安全柵模塊2輸入接口連接，減速器低速軸承溫度傳感器12為二線 制或三線制溫度傳感器；減速器油溫傳感器13和隔離安全柵模塊9的熱電阻隔離安全柵模 塊3輸入接口連接，減速器油溫傳感器13為二線制或三線制溫度傳感器；減速器油位變送 器14和隔離安全柵模塊9的檢測端隔離安全柵模塊1輸入接口連接；電動機定子繞組溫 度傳感器15和隔離安全柵模塊9的熱電阻隔離安全柵模塊4輸入接口連接，電動機定子繞 組溫度傳感器15為二線制或三線制溫度傳感器；電動機轉子前軸承溫度傳感器16和隔離 安全柵模塊9的熱電阻隔離安全柵模塊5輸入接口連接，電動機轉子前軸承溫度傳感器16 為二線制或三線制溫度傳感器；電動機轉子后軸承溫度傳感器17和隔離安全柵模塊9的熱 電阻隔離安全柵模塊6輸入接口連接，電動機轉子后軸承溫度傳感器17為二線制或三線制 溫度傳感器；冷卻水壓力變送器18和隔離安全柵模塊9的檢測端隔離安全柵模塊2輸入接 口連接，冷卻水流量變送器19和隔離安全柵模塊9的檢測端隔離安全柵模塊3輸入接口連 接，距離變送器20和隔離安全柵模塊9的檢測端隔離安全柵模塊4輸入接口連接。其中， 二線制或三線制溫度傳感器為PT100型鉑熱電阻；熱電阻隔離安全柵模塊1 6為二線制 或三線制溫度傳感器提供+24V直流電源的同時采集其電阻信號；檢測端隔離安全柵模塊 1 4的輸入接口為變送器提供電源的同時采集其模擬信號。 圖6中所述本發明的網絡連接具體實施例，使用圖1所示總站和圖3所示分站實 施例時，總站CPU模塊1和分站1通信模塊7、分站2通信模塊7、分站3通信模塊7、分站 4通信模塊7用RS485串行通信口使用Profibus-DP總線連接，上位機等其他設備和總站 通信模塊7使用RS485串行通信口通過Prof ibus總線連接，上位機等其他設備和人機界面 2使用串行通信口通過Modbus總線連接。使用圖2所示總站和圖4所示分站實施例時，總 站CPU模塊1和分站1CPU模塊1、分站2CPU模塊1、分站3CPU模塊1、分站4CPU模塊1用 CPU上RS485串行通信口使用Modbus總線連接，上位機等其他設備和總站通信模塊7使用串行通信口通過Prof ibus總線連接，上位機等其他設備和人機界面2使用串行通信口通過 Modbus總線連接。 圖7中所述本發明的紅外線遙控接收模塊電路圖，紅外線遙控接收模塊3的調壓 器24和直流電源模塊6的輸出接口連接，調壓器20輸出電壓用+3 +15V為宜，最好為 +5乂，調壓器24輸出接口和紅外線解碼模塊22的電源輸入接口連接，一體化紅外線接收頭 21和紅外線解碼模塊22的Din端連接，紅外線解碼模塊22將接收的紅外線解碼后，在D。
D3接口輸出4位2進制編碼，紅外線解碼模塊22的D。 D3接口和模擬開關23的A、 B、 C、 D接口連接，模擬開關23將紅外線解碼模塊22輸出的2進制編碼譯碼成模擬的開關信號， 模擬開關23和電平轉換電路25連接，電平轉換電路25將+5V的CMOS電平轉換為+24V的 PLC電平，CPU模塊1的數字量輸入接口和電平轉換電路25的+24V電平輸出接口連接。
圖8中所述本發明的紅外線遙控發射器電路圖，薄膜開關U2為3x3鍵盤，其中1 是"F2"鍵、2是"上"鍵、3是"F1"鍵、4是"復位"鍵、5是"右"鍵、6是"確認"鍵、7是"下" 鍵、8是"左"鍵、9是"翻頁"鍵、10是公共端，薄膜開關U2的1 9接口經開關二極管D6 D16分別與紅外線編碼模塊U1的D。 D3接口連接，薄膜開關U2的10接口與電源P1的正 極連接。R3 R6為下拉電阻，沒有鍵按下時，使D。 Ds接口為低電平，D2 D5為開關二 極管，開關二極管D2 D16的作用均為防止電路反向導通。限流電阻R1、NPN三極管Ql和 Q2驅動紅外線發射二極管Dl發射經編碼的38kHz紅外線。Pl為堿性電池，電壓用+4. 5 +15乂為宜，最好為+4. 5V。按鍵按下時，紅外線編碼模塊U1上電，D。 D3接口接收信號，編 碼后通過Dout接口以38kHz載波輸出，驅動紅外線發射二極管Dl發射紅外線。
圖9中所述本發明的總站程序流程圖，數據塊初始化對程序的預警值和報警值賦 初始值；程序初始化對程序中必要的數據區、標志位、人機界面初始畫面號等數據區賦初始 值；通信子程序為初始化主站通信接口，并讀取分站監測診斷參數，修改分站報警值；按鍵 識別程序用于識別各子程序中所輸入按鍵的功能；人機界面子程序用于控制人機界面各功 能頁面的顯示；報警值修改程序用于判斷用戶使用權限，根據判斷結果決定是否可以修改 報警值；預警判斷程序和報警判斷程序用于判斷是否預警或報警，并顯示預警和報警信息。
圖10中所述本發明的分站程序流程圖，數據塊初始化對程序的預警值和報警值 賦初始值；程序初始化對程序中必要的數據區、標志位、人機界面初始畫面號等數據區賦初 始值；擴展模塊診斷程序用于判斷擴展模塊的連接狀態；通信子程序為初始化分站通信接 口 ；模擬量采集處理子程序包括傳感器連接判斷子程序、模擬量采集子程序、模擬量處理 子程序等；按鍵識別程序用于識別各子程序中所輸入按鍵的功能；人機界面子程序用于控 制人機界面各功能頁面的顯示；報警值修改程序判斷用戶使用權限，根據判斷結果決定是 否可以修改報警值；預警判斷程序和報警判斷程序，判斷是否預警或報警，并顯示預警和報 警信息。 在上述實施例的基礎上，本專業的技術人員可根據煤礦井下輸送設備的實際情 況，可設置一個總站和多個分站，對輸送設備的狀態進行監測與故障診斷。
權利要求
一種煤礦井下工作面輸送設備狀態監測與故障診斷裝置，包括CPU模塊、通信模塊、人機界面、紅外線遙控接收模塊、紅外線遙控發射器、報警模塊、交流電源模塊、直流電源模塊、礦用隔爆型控制箱、模擬量輸入模塊以及隔離安全柵模塊，其特征在于該狀態監測與故障診斷裝置是由總站和分站構成；其中，所述的總站和分站是通過CPU模塊內置串行通信口或通信模塊連接；所述總站是CPU模塊和人機界面通過串行通信口連接，通信模塊和CPU模塊通過I/O擴展端口連接，紅外線遙控接收模塊和CPU模塊的數字量輸入接口連接，報警模塊和CPU模塊的繼電器輸出接口連接，交流電源模塊分別和CPU模塊、直流電源模塊和報警模塊連接，直流電源模塊分別與人機界面和紅外線遙控接收模塊連接；所述分站是至少一個分站由CPU模塊和模擬量輸入模塊通過I/O擴展端口連接，模擬量輸入模塊和通信模塊通過I/O擴展端口連接，CPU模塊和人機界面通過串行通信口連接，CPU模塊和紅外線遙控接收模塊通過數字量輸入接口連接，CPU模塊和報警模塊通過繼電器輸出接口連接，交流電源模塊和CPU模塊、報警模塊、直流電源模塊依次連接，直流電源模塊和人機界面、紅外線遙控接收模塊、隔離安全柵模塊連接，隔離安全柵模塊和模擬量輸入模塊依次連接；
2. 權利要求1所述，其總站和分站使用Prof ibus-DP總線組網時，總站CPU模塊和分站 通信模塊的串行通信口連接，上位機和總站CPU模塊或人機界面的串行通信口連接。
3. 權利要求1所述，其總站和分站使用Modbus總線組網時，總站CPU模塊和分站CPU 模塊的串行通信口連接，上位機和總站通信模塊或人機界面的串行通信口連接。
4. 權利要求1所述，其隔離安全柵模塊是熱電阻隔離式安全柵模塊或檢測端隔離式安 全柵模塊。
5. 權利要求1所述，其熱電阻隔離式安全柵模塊是安全側的輸出端與模擬量輸入模塊 輸入接口連接，危險側輸入端與三線制溫度傳感器連接。
6. 權利要求1所述，其檢測端隔離式安全柵模塊是安全側的輸出端與模擬量輸入模塊 輸入接口連接，危險側輸入端與二線制變送器連接；即油位變送器、壓力變送器、流量變送 器和距離變送器相連接。
全文摘要
一種煤礦井下工作面輸送設備狀態監測與故障診斷裝置是由狀態監測與故障診斷總站和分站構成，使用PLC控制，采用模塊化設計，支持多總線數據傳輸。實現對工作面輸送設備刮板輸送機、轉載機、破碎機等設備配套減速器的軸承溫度、油溫、油位；電動機的定子溫度、轉子軸承溫度；冷卻水的流量和壓力以及采煤機距刮板輸送機的距離等參數的實時監測和顯示，并診斷設備運行狀態，進行預警或報警。本發明可滿足煤礦井下不同要求，具有結構簡單、維護和擴展方便、組網便捷等優點，達到了對工作面輸送設備進行遠程和就地實時監測和故障診斷的目的，實現了煤礦安全、穩定、可靠運行的生產目標。
文檔編號G05B19/048GK101727085SQ20091017527
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月24日 優先權日2009年11月24日
發明者宋建成, 楊健康, 郭安林, 陳漢英, 雷志鵬 申請人:太原理工大學