专利名称：一种煤矿采掘设备机载大容量数据记录和振动测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于采集记录机电设备状态参数的仪器，尤其是能用于煤矿井下 采掘设备的机载大容量数据记录仪系统。
背景技术：
煤矿井下大型采掘设备，是指为煤矿井下综采工作面使用的各种采煤机和综掘工 作面使用的各种掘进机，是煤炭综合机械化生产中最为关键的大型设备。在井下作业，工作环境恶劣，粉尘量大，能见度低，工作空间狭窄，极易偏离工作方 向和造成机械设备的损耗，因此对设备性能要求较高。而煤炭生产是一个恶性事故频发的 行业，事故死亡人数远远高于发达国家和世界平均事故死亡率。发展无人值守，最大程度上 实现工作面的无人化，有助于提高生产过程的安全性，是煤矿机械发展的一个方向。井下生产设备日趋大型化、高速化、自动化和智能化，年产煤量也逐年攀升，一旦 出现设备故障，造成的损失也就更大，因此对系统的安全性、可靠性和有效性的要求也进一 步提高。于此同时人们希望不仅能够在出现故障时提供故障的检测与隔离，还要求能在系 统发生故障前就能预先知道，也就是能够进行故障趋势预测。这样，就能够有足够的时间采 取措施防止故障的发生，避免不必要的损失。保证煤矿井下大型采掘设备的正常健康工作 是高效生产的需要，同时也能创造巨大的社会效益和经济效益。而故障诊断和故障趋势预测的前提是获取综合采掘设备的工作状态参数并进行 状态监测。目前常用的井下综合采掘设备状态监测方法有(1)机载状态监测(2)有线远程状态监测(3)无线远程状态监测其中有线监测的方式在具体实施的过程中线缆会随着设备的运动而不断的弯折， 造成线缆的损坏，这样不仅增加了故障点，而且经常更换线缆也会造成增加成本和不能正
常生产。为了克服有线远程状态监测的弱点，在设备上安装无线发射装置，并在井下合理 的布置无线接收点，再通过有线网络传至地面进行状态监测。但这总无线监测的方式虽是 目前的一个研究热点，但远不成熟，而且进行状态监测和故障诊断诊断研究首要解决的问 题应是数据的获取。目前的数据获取方式有(1)煤矿用便携式数据记录仪(2)基于网络的数据获取以前述两种网络结构为基础，获取采煤机运行时的电流、电压、速度、温度等基本 参数数据，但是正如前所述，这些参数通过网络向地面传输还存在技术上的问题，尤其是像 振动信号这类单位时间内数据量大的信号，传输是其最大问题。目前，公知的机载数据记录仪器主要是指用在飞机，船舶等交通工具上的设备，用在井下机电设备的机载大容量数据记录仪系统是实时采集和记录该设备的各种工作状态 参数，实现设备健康运行的实时工作状态参数的跟踪和记录，尤其是在设备发生故障时，能 够有效地记录其发生故障前的一段时间的运行状态参数，便于以后的故障分析和诊断。中 国专利公告号为CN 1847799A公开一种便携式煤矿数码数据信息记录仪，该仪器采用了低 档微处理器和小容量存储器，采集信号单一，只能对井下设备工作条件的瓦斯、一氧化碳、 二氧化碳、温度等基本环境参数做采集和记录，不能对井下机电设备工作状态参数信号进 行采集和记录。进行煤矿井下大型采掘设备的数据记录的意义主要有(1)于获取煤矿井下大型采掘设备工作时的大量原始数据，为其健康诊断的研究 提供了宝贵资料；(2)煤矿井下大型采掘设备工作参数的获取为其设计及改进提供了重要的参考数 据。(3)为煤矿井下安全生产的信息化，和最终的无人化的研究积累最原始最基础的 数据参考资料。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种机载大容量数据记录仪系统，解决上述难题，以 达到对煤矿井下大型采掘设备实现机载长时间大容量记录其自身的各种运行状态参数的 要求。本发明是这样实现的一种煤矿采掘设备机载大容量数据记录和振动测试系统， 其组成有主机，本质安全型振动加速度传感器。主机包括嵌入式计算机主板、数据采集卡、 大容量固态硬盘。本质安全型振动加速度传感器采集设备工作状态下的振动信号，并由其结构内的 信号调理模块调理该振动信号。再由主机内的数据采集卡接收经过调理后的振动信号，送 至主机内的嵌入式计算机主板，经处理存储至主机内的大容量固态硬盘中。采集设备的振 动信号主要研究意义在于(1)可用于设备的状态监测和健康诊断；(2)可用于煤岩分界识别的研究，长期以来该问题始终未能得到解决，是最终实现 自动化无人综采工作面的技术瓶颈之一；(3)可用于设备载荷谱识别的研究；主机通过其内部的嵌入式主板上的串口连接设备自身的控制单元，通过设定通讯 数据协议，实现交互通讯，将设备自身控制单元采集的各个工作状态参数发送到主机内的 嵌入式计算机主板上，经处理，将数据存储在主机内的大容量固态硬盘中。由于本发明采用了以上的技术方案，所以具有以下优点1、煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统能够采集设备的各种工作 状态参数信号，并对这些信号具有通信和存储功能。2、煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统能够机载安装，实现长达一 个月以上的跟踪记录设备的工作状态参数。3、煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统在设备出现故障时能够通过该系统内的本安型振动加速度传感器采集并由主机记录设备的振动特征信号及设备自 身工作状态参数，以便后续的处理和分析设备故障的原因。4、煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统中的固态存储器采用固态 非易失性存储器，在掉电后数据仍然不会丢失，其存储容量可以保存一个月以上的设备工 作状态参数信息，这些信息可以复制到其他终端以便分析数据。5、当采掘设备出现故障时，及时设备不升井，也可在不打开电控箱的情况下，导出 记录仪记录的事故前最后一段时间的各种关键数据，用于分析事故原因，对于指导设备的 现场抢修具有重要意义。6、整个系统体积小，操作简单，自动控制；经济实用，社会和经济效益巨大。本发明的具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
图1是本发明系统结构示意2是本发明系统与机电设备交互通信模块示意3是本发明系统加速度振动信号采集模块示意中1 主机2 嵌入式计算机主板3 大容量固态硬盘4 数据采集卡5 本质安全型振动加速度传感器6:机电设备7 主机串口通信模块8 机电设备串口通信模块9:机电设备电控箱10 主机振动信号采集接口11 本质安全型振动加速度传感器信号调理模块
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系 统及其方法的具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实 施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目 的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说 明之用，并非用来对本发明加以限制。本发明较佳实施例的煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统及其方 法，如图1、图2、图3所示，由包括嵌入式计算机主板( 、数据采集卡(4)、大容量固态硬盘 (3)在内的主机(1)和本质安全型振动加速度传感器( 组成。其中，所述的主机⑴安装在机电设备(6)自身的电控箱(9)中，由电控箱(9)中供电 模块供电，提供M伏直流供电。该主机(1)由嵌入式计算机主板O)、数据采集卡、大 容量固态硬盘C3)紧凑组合而成，并对外提供多个通讯接口，完成数据的传输。所述的主 机(1)提供的对外数据接口为主机串口通信模块(7)和主机振动信号采集接口(10)，通过 该主机串口通信模块(7)连接设备的电控箱中的主控单元，设定统一的数据通讯协议，在主机和设备均开启后，即刻通过该主机串口通信模块(7)完成数据的通信；通过主机振动 信号采集接口(10)对外连接本质安全型振动加速度传感器(5)，采集经本质安全型振动加 速度传感器信号调理模块(11)调理后的设备关键部位振动信号。在设备上电开启时，主机 (1)随即启动，其内部的用户程序启动运行，开始数据的采集和存储。所述的嵌入式计算机主板(2)，安装在主机(1)内，是既防高温又防高湿的低功耗 的主板，可运行Windows X P等主流操作系统，也可运行X P Embedded或Windows CE等具 有掉电保护的嵌入式操作系统。如图2所示，该嵌入式计算机主板(2)通过主机串口通信 模块(7)实现同电机设备(6)通信。所述的主机串口通信模块(7)为板载的RS232/RS485 接口，通过RS232/RS485接口连接机电串口通信模块( ，该机电串口通信模块( 为机身 主控单元的通信串口，从而实现同机电设备(6)通信，可挂载大容量存储设备。该嵌入式计 算机主板(2)是该系统的核心控制模块，运行嵌入式操作系统，通过运行开发的用户程序 完成数据的采集和记录，记录的每条数据可精确至毫秒级别。所述的数据采集卡G)，安装在主机(1)内，能够实现多通道采集，硬件可调的单 双端信号输入，软件可调的采样频率，与主板USB接口连接，并由该接口提供供电，通过主 机振动信号采集接口(10)实现高速采集振动加速度信号，并通过主板USB接口将信号传入 嵌入式计算机主板O)，并通过嵌入式计算机主板( 将振动加速度信号实时的存入大容 量固态硬盘(3)中。数据采集卡的一个实例是可采用RBH拟61 USB MINI型高速数据 采集卡实现。所述的大容量固态硬盘(3)，其非易失性存储特性和抗振特性，能够保证稳定的实 时的存储来自机电设备(6)的振动信号和设备自身的状态信号，其大容量的存储空间能够 完成长时间的存储这些信号。根据图1，2，3中的大容量固态硬盘(3)的数据存储中，其存 储的数据库的一个实例是将数据存储到嵌入式数据库SQLite中，它主要设计用于嵌入式 开发环境，不用安装，代码开源，最大支持2TB容量。建立的数据库有第三方软件提供可视 化界面供查询和修改数据库。我们可以将该数据库的代码直接移植到我们自己的程序设计 中。每条数据记录的基本条目包括时间(年月日时分秒)，能够精确至毫秒；设备状态参 数信息(电压、电流、振动加速度)。每个通道的振动加速度信号单独建立一个表，其他来自 设备主控单元的信号整体单独建立一个表。所述的本质安全型振动加速度传感器(5)，其本质安全特性可以使其在要求本质 安全工作环境的设备上工作，一个实例是将本质安全型振动加速度传感器(5)安装在井下 煤矿设备的多个关键部位，在设备工作时，记录设备关键部位的振动特性，并将采集到的振 动加速度信号由本质安全型振动加速度传感器(5)内的本质安全型振动加速度传感器信 号调理模块(11)调理。所述的机电设备(6)，它自身的机电设备电控箱(9)中的主控单元通过采集自身 的关键部位的电压、电流、温度、其他机身传感器等的信号，将其作为设备自身工作状态参 数传输到主机(1)中处理和记录。主机串口通信模块(7)，是主机(1)提供的而对外数据接口，一个实例是RS232或 RS485通信接口，通过其串口通信模块，连接设备的电控箱中的主控单元，设定统一的数据 通讯协议，在主机和设备均开启后，即刻通过该串口通信模块完成数据的通信。主机振动信号采集接口(10)是主机(1)上的对外多路振动信号采集接口，一个实例是40针并行信号接插件，通过它采集由本质安全型振动加速度传感器信号调理模块 (11)调理后的振动加速度信号。如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领 域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中 对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化 方式。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰 为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质 对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种煤矿采掘设备机载大容量数据记录和振动测试系统，其特征在于其由用于采集 振动加速度信号的本质安全型振动加速度传感器( 和主机(1)组成，其中，该本质安全型 振动加速度传感器( 安装在井下煤矿设备的多个关键部位并与数据采集卡(4)通过电缆 信号线连接，该主机⑴安装在机电设备(6)自身的电控箱(9)中，由电控箱(9)中供电模 块供电；在主机(1)内安装有一嵌入式计算机主板O)，接收处理采集到的各种数据；该嵌入式计算机主板( 通过 板载主机串口通信模块(7)实现同机电设备(6)的通信；通过主板USB接口实现同数据采 集卡⑷的通信。一数据采集卡G)，采集由本质安全型振动加速度传感器( 调理之后的信号；该数据 采集卡(4)通过主板USB接口供电并实现与嵌入式计算机主板O)的通信；一大容量固态硬盘(3)，作为存储设备记录数据；该大容量固态硬盘(3)为非易失性， 可重复读写，抗震性能好的存储设备。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统，其特征 在于，主机(1)具备多种通信接口和大容量数据存储能力；通过该主机串口通信模块(7)连 接机电设备电控箱(9)中的主控单元；通过主机振动信号采集接口(10)连接本质安全型振 动加速度传感器信号调理模块(11)。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统，其特征 在于，其中所述的本质安全型振动加速度传感器(5)自身具备的本质安全型振动加速度传 感器信号调理模块(11)，以调理采集振动加速度信号；并能在井下煤矿机电设备上安装和 使用。
4.根据权利要求1和2、3所述的煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统， 其特征在于，所述的主机(1)仅采用电控箱中的电源模块供电；能够达到机载的要求。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统，其特征 在于所述的数据采集卡(4)为具备多通道采集、硬件可调的单双端信号输入，软件可调的 高采样频率的数据采集卡。
6.根据权利要求1所述的煤矿井下大型采掘设备机载大容量数据记录仪系统，其特征 在于，所述的在大容量固态硬盘中将数据存储到嵌入式数据库中，不用安装，代码开源，可 以将该嵌入式数据库的代码直接移植到用户程序的源码中。
全文摘要
本发明涉及一种煤矿采掘设备机载大容量数据记录和振动测试系统，由包括嵌入式计算机主板、数据采集卡、大容量固态硬盘在内的主机、本质安全型振动加速度传感器组成。主机内的嵌入式计算机主板通过其板载I/O接口接收并实时将外部信号储存到大容量固态硬盘中，该外部信号主要有两个来源，一种外部信号是由机电设备自身的控制系统采集并通过通信接口传到主机中，并实时的存储到大容量固态硬盘中；另外一种信号是由本质安全型振动加速度传感器采集，并经信号调理模块调理后由主机内的数据采集卡采集，再由数据采集卡通过其通信接口传到嵌入式计算机主板中，并实时存储到大容量固态硬盘中。本发明成本低，精度高，实时性好且操作方便。
文档编号G01D9/02GK102141429SQ201010623568
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者吴思遥, 吴淼, 杨健健, 薛光辉, 赵国瑞 申请人:中国矿业大学(北京)