专利名称：煤矿井下工作面输送设备状态监测与故障诊断装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿井下输送设备状态监测与故障诊断装置，特别一种煤矿井下
工作面的输送设备状态监测与故障诊断装置。
背景技术：
综合机械化是煤矿井下开采技术现代化的重要标志，其工作面输送设备是指由刮板输送机、破碎机、转载机和皮带输送机组成的输送设备。工作面输送设备作为井下唯一的输煤设备，它的安全和可靠运行是采煤的关键之一，监测和诊断这些设备运行参数的必要性不言而喻。另一方面，为实现"无人开采"工作面这一首要目标，就要能准确地获取足够量的工作面输送设备运行参数，同时满足远程监控的目的。因此，能满足煤矿井下不同要求，支持多总线数据传输方式，实现工作面输送设备运行参数的远程和就地监测和诊断，具有重要的现实意义。 现有关于煤矿井下工作面输送设备状态监测与故障诊断装置的研究已有一些文献报道，如，中国矿业大学的武晋于2005年4月在《煤炭工程》发表的"一种减速器监测仪工作原理介绍"，针对当时采煤用刮板输送机减速器缺乏必要的监测手段的情况，介绍一种能够在采煤工作面使用的刮板输送机减速器监测仪，并着重论述温度和液位监测，具有重要工程意义；再如，北京工业职业技术学院的张春芝于2007年在《中国煤炭》发表的"刮板输送机减速器在线监控系统的研制"，介绍了以单片机为核心的煤矿井下工作面刮板输送机减速器在线状态监测系统，用于综采工作面刮板输送机轴温、油温和油位在线监测；
现有公开号为CN2921903的一种"单片机控制的减速器综合监测设备"专利，提供
了一种单片机为控制核心的基本结构，由温度、液位、压力、流量传感器采样电路和一个矿用隔爆兼本质安全型控制箱组成，适用于煤矿井下减速器状态监测。但这些监测仪或监测
系统主要是针对刮板输送机减速器的状态进行监测，并没有监测刮板输送机电动机状态的功能，且存在监测量固定，可扩展能力差，不适合于多总线数据传输，无法实现设备的故障诊断，也不能形成井下输送设备监测监控系统。
发明内容
本发明要解决现有监测装置的所监测模拟量数量固定，扩展能力差，不适合于多总线数据传输，无法实现设备的故障诊断，也不能形成井下输送设备监测监控系统的问题，从而提供一种煤矿井下工作面输送设备状态监测与故障诊断装置。 基于上述问题和目的，本发明的技术方案是由状态监测与故障诊断总站和若干状
态监测与故障诊断分站构成，总站和分站均包括CPU模块、通信模块、人机界面、红外线遥
控接收模块、红外线遥控发射器、报警模块、交流电源模块、直流电源模块和一个矿用隔爆
型控制箱。本发明装置的分站还包括模拟量输入模块和隔离安全栅模块。 其中，所述的总站和分站通过CPU模块内置串行通信口或通信模块连接。所述总
站CPU模块和人机界面通过串行通信口连接，通信模块和CPU模块通过I/O扩展端口连接，
3红外线遥控接收模块和CPU模块的数字量输入接口连接，报警模块和CPU模块的继电器输出接口连接，交流电源模块分别和CPU模块、直流电源模块和报警模块连接，直流电源模块
分别与人机界面和红外线遥控接收模块连接。 所述分站是至少一个分站由CPU模块和模拟量输入模块通过1/0扩展端口连接，模拟量输入模块和通信模块通过1/0扩展端口连接，CPU模块和人机界面通过串行通信口连接，CPU模块和红外线遥控接收模块通过数字量输入接口连接，CPU模块和报警模块通过继电器输出接口连接，交流电源模块和CPU模块、报警模块、直流电源模块连接，直流电源
模块和人机界面、红外线遥控接收模块、隔离安全栅模块连接，隔离安全栅模块和模拟量输入模块连接。 总站和分站使用Profibus-DP总线组网时，总站CPU模块和分站通信模块的串行通信口连接，上位机和总站CPU模块或人机界面的串行通信口连接。 总站和分站使用Modbus总线组网时，总站CPU模块和分站CPU模块的串行通信口连接，上位机和总站通信模块或人机界面的串行通信口连接。 隔离安全栅模块包括热电阻隔离式安全栅模块和检测端隔离式安全栅模块。
热电阻隔离式安全栅模块是安全侧的输出端与模拟量输入模块输入接口连接，危险侧输入端与三线制温度传感器连接。 检测端隔离式安全栅模块是安全侧的输出端与模拟量输入模块输入接口连接，危险侧输入端与二线制变送器连接，即油位变送器、压力变送器、流量变送器和距离变送器。
本发明煤矿井下输送设备状态监测与故障诊断装置，将状态监测与故障诊断总站和状态监测与故障诊断分站集成为一个系统，采用模块化设计，具有便于扩展监测量，支持Profibus、Modbus和自定义数据传输协议等多总线数据传输，通过红外线遥控器控制，自身可组成局域网络等特点。可以监测多种物理量，包括温度、油位、压力、流量以及距离等。
本发明总站和分站均由CPU模块、通信模块、模拟量输入模块、报警模块、隔离安全栅模块和电源模块等模块组成，结构简单 维护方便；可根据所监测模拟量数量，增加或减少模拟量输入模块和隔离安全栅模块，从而满足不同测量需要，扩展方便；并且支持Modbus和Profibus-DP等多总线数据传输，组网简单。本发明的分站分别与工作面输送设备刮板输送机、转载机、破碎机等设备配套安装，可实现对这些设备配套减速器的高速轴承温度、低速轴承温度、油温、油位，电动机的定子绕组温度、转子前轴承温度、转子后轴承温度，冷却水的流量和压力及采煤机距刮板输送机机头和机尾的距离等参数进行实时监测，就地显示存储监测数据，监测设备运行参数，诊断设备的运行状态，根据诊断结果进行预警或报警，并可通过遥控器调节预警值和报警值；总站设置在井下控室内，可显示各个分站的监测内容、预警值和报警值，并实现通过不同总线形式将监测数据传输到上位机等远程设备。因此，安装本发明装置能实现对工作面输送设备进行远程和就地实时监测和故障诊断，有效保证工作面输送设备配套的减速器和电动机安全可靠运行，减少故障的发生，实现煤矿安全、稳定、可靠运行的生产目标。
图1是本发明的总站结构示意图I ;
图2是本发明的总站结构示意图II ;
图3是本发明的分站结构示意图I ; 图4是本发明的分站结构示意图II ; 图5是本发明的隔离安全栅模块连接结构示意图； 图6是本发明的网络组成连接结构示意图； 图7是本发明的红外线遥控接收模块结构示意电路图； 图8是本发明的红外线遥控发射器电路结构示意图 图9是本发明的总站程序流程图； 图10是本发明的分站程序流程图。
具体实施例方式
下面结合附图用具体实施方式
对本发明所述的煤矿井下工作面输送设备状态监 测与故障诊断装置作出进一步的详细描述，本领域的专业技术人员在阅读了本具体实施方 式后，能够实施本发明所述的技术方案，而且也能够体现本发明的所述效果。
图1中所述本发明的总站具体实施例，CPU模块1使用PLC， CPU模块1和人机界 面2通过RS485串行通信口连接，CPU模块1和分站通信模块7通过RS485串行通信口连 接，CPU模块1和通信模块7通过I/O扩展端口连接，通信模块7和上位机8通过RS485串 行通信口连接，红外线遥控接收模块3的输出接口和CPU模块1的数字量输入接口连接，报 警模块4和CPU模块1的继电器输出接口连接，交流电源模块5的220V端和直流电源模块 6的电源输入接口连接，交流电源模块5的42V端和报警模块4的电源输入接口连接，交流 电源模块5外接电源电压用115 146V，频率为50Hz为宜，最好为127V，输出电压为220V 和42V。直流电源模块6的输出接口分别与CPU模块1、人机界面2和红外线遥控接收模块 3连接，直流电源模块6的输出直流电压用+22 +27V为宜，最好为+24V。
图3中所述本发明的分站具体实施例，CPU模块1使用PLC, CPU模块1和人机界 面2通过RS485串行通信口连接，CPU模块1和总站通过RS485串行通信口连接，模拟量输 入模块10和CPU模块1通过I/O扩展端口连接，模拟量输入模块10和模拟量输入模块10 通过I/O扩展端口连接，模拟量输入模块10和通信模块7通过I/O扩展端口连接，红外线 遥控接收模块3的输出接口和CPU模块1的数字量输入接口连接，报警模块4和CPU模块 1的继电器输出接口连接，隔离安全栅模块9的输出接口和模拟量输入模块10的输入接口 连接，交流电源模块5的220V端分别和CPU模块1、直流电源模块6的电源输入接口连接， 交流电源模块5的42V端和报警模块4的电源输入接口连接，交流电源模块5外接电源电 压用115 146V，频率为50Hz为宜，最好为127V，输出电压为220V和42V。直流电源模块 6输出接口分别与人机界面2红外线遥控接收模块3和隔离安全栅模块9的电源输入接口 连接，直流电源模块6的输出直流电压用+22 +27V为宜，最好为+24V。
在图2中所述的本发明另一具体实施例中，总站CPU模块1使用PLC， CPU模块1 和人机界面2通过RS485串行通信口连接，CPU模块1和分站CPU模块1通过RS485串行 通信口连接，通信模块7和CPU模块1通过I/O扩展端口连接，通信模块7和上位机8通过 RS485串行通信口连接，红外线遥控接收模块3的输出接口和CPU模块1的数字量输入接 口连接，报警模块4和CPU模块1的继电器输出接口连接，交流电源模块5的220V端分别 和CPU模块1 、直流电源模块6的电源输入接口连接，交流电源模块5的42V端和报警模块4的电源输入接口连接，交流电源模块5外接电源电压用115 146V，频率为50Hz为宜，最 好为127V，输出电压为220V和42V，直流电源模块6的输出接口分别与人机界面2和红外 线遥控接收模块3的电源输入接口连接，直流电源模块6的输出直流电压用+22 +27V为 宜，最好为+24V。图4所示是该实施例的分站具体实施例，CPU模块1使用PLC, CPU模块 1和人机界面2通过RS485串行通信口连接，模拟量输入模块10和CPU模块1通过I/O扩 展端口连接，模拟量输入模块10和模拟量输入模块10通过I/O扩展端口连接，模拟量输入 模块10和通信模块7通过I/O扩展端口连接，通信模块7和总站通过RS485串行通信口连 接，红外线遥控接收模块3的输出接口和CPU模块1的数字量输入接口连接，报警模块4和 CPU模块1的继电器输出接口连接，隔离安全栅模块9的输出接口和模拟量输入模块10的 输入接口连接，交流电源模块5的220V端分别和CPU模块1、直流电源模块6的电源输入接 口连接，交流电源模块5的42V端和报警模块4的电源输入接口连接，交流电源模块5外接 电源电压用115 146V，频率为50Hz为宜，最好为127V，输出电压为220V和42V。直流电 源模块6输出接口分别与人机界面2红外线遥控接收模块3和隔离安全栅模块9的电源输 入接口连接，直流电源模块6的输出直流电压用+22 +27V为宜，最好为+24V。
图5中所述本发明的隔离安全栅模块9的具体实施例，其中减速器高速轴承温度 传感器11和隔离安全栅模块9的热电阻隔离安全栅模块1输入接口连接，减速器高速轴承 温度传感器11为二线制或三线制温度传感器；减速器低速轴承温度传感器12和隔离安全 栅模块9的热电阻隔离安全栅模块2输入接口连接，减速器低速轴承温度传感器12为二线 制或三线制温度传感器；减速器油温传感器13和隔离安全栅模块9的热电阻隔离安全栅模 块3输入接口连接，减速器油温传感器13为二线制或三线制温度传感器；减速器油位变送 器14和隔离安全栅模块9的检测端隔离安全栅模块1输入接口连接；电动机定子绕组温 度传感器15和隔离安全栅模块9的热电阻隔离安全栅模块4输入接口连接，电动机定子绕 组温度传感器15为二线制或三线制温度传感器；电动机转子前轴承温度传感器16和隔离 安全栅模块9的热电阻隔离安全栅模块5输入接口连接，电动机转子前轴承温度传感器16 为二线制或三线制温度传感器；电动机转子后轴承温度传感器17和隔离安全栅模块9的热 电阻隔离安全栅模块6输入接口连接，电动机转子后轴承温度传感器17为二线制或三线制 温度传感器；冷却水压力变送器18和隔离安全栅模块9的检测端隔离安全栅模块2输入接 口连接，冷却水流量变送器19和隔离安全栅模块9的检测端隔离安全栅模块3输入接口连 接，距离变送器20和隔离安全栅模块9的检测端隔离安全栅模块4输入接口连接。其中， 二线制或三线制温度传感器为PT100型铂热电阻；热电阻隔离安全栅模块1 6为二线制 或三线制温度传感器提供+24V直流电源的同时采集其电阻信号；检测端隔离安全栅模块 1 4的输入接口为变送器提供电源的同时采集其模拟信号。 图6中所述本发明的网络连接具体实施例，使用图1所示总站和图3所示分站实 施例时，总站CPU模块1和分站1通信模块7、分站2通信模块7、分站3通信模块7、分站 4通信模块7用RS485串行通信口使用Profibus-DP总线连接，上位机等其他设备和总站 通信模块7使用RS485串行通信口通过Prof ibus总线连接，上位机等其他设备和人机界面 2使用串行通信口通过Modbus总线连接。使用图2所示总站和图4所示分站实施例时，总 站CPU模块1和分站1CPU模块1、分站2CPU模块1、分站3CPU模块1、分站4CPU模块1用 CPU上RS485串行通信口使用Modbus总线连接，上位机等其他设备和总站通信模块7使用串行通信口通过Prof ibus总线连接，上位机等其他设备和人机界面2使用串行通信口通过 Modbus总线连接。 图7中所述本发明的红外线遥控接收模块电路图，红外线遥控接收模块3的调压 器24和直流电源模块6的输出接口连接，调压器20输出电压用+3 +15V为宜，最好为 +5乂，调压器24输出接口和红外线解码模块22的电源输入接口连接，一体化红外线接收头 21和红外线解码模块22的Din端连接，红外线解码模块22将接收的红外线解码后，在D。
D3接口输出4位2进制编码，红外线解码模块22的D。 D3接口和模拟开关23的A、 B、 C、 D接口连接，模拟开关23将红外线解码模块22输出的2进制编码译码成模拟的开关信号， 模拟开关23和电平转换电路25连接，电平转换电路25将+5V的CMOS电平转换为+24V的 PLC电平，CPU模块1的数字量输入接口和电平转换电路25的+24V电平输出接口连接。
图8中所述本发明的红外线遥控发射器电路图，薄膜开关U2为3x3键盘，其中1 是"F2"键、2是"上"键、3是"F1"键、4是"复位"键、5是"右"键、6是"确认"键、7是"下" 键、8是"左"键、9是"翻页"键、10是公共端，薄膜开关U2的1 9接口经开关二极管D6 D16分别与红外线编码模块U1的D。 D3接口连接，薄膜开关U2的10接口与电源P1的正 极连接。R3 R6为下拉电阻，没有键按下时，使D。 Ds接口为低电平，D2 D5为开关二 极管，开关二极管D2 D16的作用均为防止电路反向导通。限流电阻R1、NPN三极管Ql和 Q2驱动红外线发射二极管Dl发射经编码的38kHz红外线。Pl为碱性电池，电压用+4. 5 +15乂为宜，最好为+4. 5V。按键按下时，红外线编码模块U1上电，D。 D3接口接收信号，编 码后通过Dout接口以38kHz载波输出，驱动红外线发射二极管Dl发射红外线。
图9中所述本发明的总站程序流程图，数据块初始化对程序的预警值和报警值赋 初始值；程序初始化对程序中必要的数据区、标志位、人机界面初始画面号等数据区赋初始 值；通信子程序为初始化主站通信接口，并读取分站监测诊断参数，修改分站报警值；按键 识别程序用于识别各子程序中所输入按键的功能；人机界面子程序用于控制人机界面各功 能页面的显示；报警值修改程序用于判断用户使用权限，根据判断结果决定是否可以修改 报警值；预警判断程序和报警判断程序用于判断是否预警或报警，并显示预警和报警信息。
图10中所述本发明的分站程序流程图，数据块初始化对程序的预警值和报警值 赋初始值；程序初始化对程序中必要的数据区、标志位、人机界面初始画面号等数据区赋初 始值；扩展模块诊断程序用于判断扩展模块的连接状态；通信子程序为初始化分站通信接 口 ；模拟量采集处理子程序包括传感器连接判断子程序、模拟量采集子程序、模拟量处理 子程序等；按键识别程序用于识别各子程序中所输入按键的功能；人机界面子程序用于控 制人机界面各功能页面的显示；报警值修改程序判断用户使用权限，根据判断结果决定是 否可以修改报警值；预警判断程序和报警判断程序，判断是否预警或报警，并显示预警和报 警信息。 在上述实施例的基础上，本专业的技术人员可根据煤矿井下输送设备的实际情 况，可设置一个总站和多个分站，对输送设备的状态进行监测与故障诊断。
权利要求
一种煤矿井下工作面输送设备状态监测与故障诊断装置，包括CPU模块、通信模块、人机界面、红外线遥控接收模块、红外线遥控发射器、报警模块、交流电源模块、直流电源模块、矿用隔爆型控制箱、模拟量输入模块以及隔离安全栅模块，其特征在于该状态监测与故障诊断装置是由总站和分站构成；其中，所述的总站和分站是通过CPU模块内置串行通信口或通信模块连接；所述总站是CPU模块和人机界面通过串行通信口连接，通信模块和CPU模块通过I/O扩展端口连接，红外线遥控接收模块和CPU模块的数字量输入接口连接，报警模块和CPU模块的继电器输出接口连接，交流电源模块分别和CPU模块、直流电源模块和报警模块连接，直流电源模块分别与人机界面和红外线遥控接收模块连接；所述分站是至少一个分站由CPU模块和模拟量输入模块通过I/O扩展端口连接，模拟量输入模块和通信模块通过I/O扩展端口连接，CPU模块和人机界面通过串行通信口连接，CPU模块和红外线遥控接收模块通过数字量输入接口连接，CPU模块和报警模块通过继电器输出接口连接，交流电源模块和CPU模块、报警模块、直流电源模块依次连接，直流电源模块和人机界面、红外线遥控接收模块、隔离安全栅模块连接，隔离安全栅模块和模拟量输入模块依次连接；
2. 权利要求1所述，其总站和分站使用Prof ibus-DP总线组网时，总站CPU模块和分站 通信模块的串行通信口连接，上位机和总站CPU模块或人机界面的串行通信口连接。
3. 权利要求1所述，其总站和分站使用Modbus总线组网时，总站CPU模块和分站CPU 模块的串行通信口连接，上位机和总站通信模块或人机界面的串行通信口连接。
4. 权利要求1所述，其隔离安全栅模块是热电阻隔离式安全栅模块或检测端隔离式安 全栅模块。
5. 权利要求1所述，其热电阻隔离式安全栅模块是安全侧的输出端与模拟量输入模块 输入接口连接，危险侧输入端与三线制温度传感器连接。
6. 权利要求1所述，其检测端隔离式安全栅模块是安全侧的输出端与模拟量输入模块 输入接口连接，危险侧输入端与二线制变送器连接；即油位变送器、压力变送器、流量变送 器和距离变送器相连接。
全文摘要
一种煤矿井下工作面输送设备状态监测与故障诊断装置是由状态监测与故障诊断总站和分站构成，使用PLC控制，采用模块化设计，支持多总线数据传输。实现对工作面输送设备刮板输送机、转载机、破碎机等设备配套减速器的轴承温度、油温、油位；电动机的定子温度、转子轴承温度；冷却水的流量和压力以及采煤机距刮板输送机的距离等参数的实时监测和显示，并诊断设备运行状态，进行预警或报警。本发明可满足煤矿井下不同要求，具有结构简单、维护和扩展方便、组网便捷等优点，达到了对工作面输送设备进行远程和就地实时监测和故障诊断的目的，实现了煤矿安全、稳定、可靠运行的生产目标。
文档编号G05B19/048GK101727085SQ20091017527
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者宋建成, 杨健康, 郭安林, 陈汉英, 雷志鹏 申请人:太原理工大学