CN109649996A - 矿用工作面及皮带运输监控*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用工作面及皮带运输监控***，包括地面工控机、井下集控中心、矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置及交换机，所述井下集控中心与地面工控机相连，所述矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置分别通过交换机与井下集控中心相连。该矿用工作面及皮带运输监控***可以对皮带运输***进行全面的监控，实现无人操作，定时巡检，可以实现皮带机动态调速和节能。可以节省大量的井下工作人员，节省大量电力。

Description

矿用工作面及皮带运输监控***

技术领域：

本发明涉及煤矿安全技术领域，尤其涉及一种矿用工作面及皮带运输监控***。

背景技术：

煤矿综采工作面刮板运输机、转载机、破碎机、液压泵站和皮带运输是煤矿主要的生产、运输设备。目前，带式输送机和工作面设备主要采用人工就地操作，电控装置保护，设备孤立运行、可靠性低、故障排查困难，没有形成***的自动化控制。

随着变频技术的日益成熟，越来越多的皮带开始采用变频器拖动。由于无法正确的检测皮带上的煤量的大小，目前变频皮带一般采用全速运行，变频器的节能功能没有完全发挥出来。

矿用工作面及皮带运输监控***可以实现煤炭开采、运输的全局自动化控制，自动调速，视频监控和语音对讲，***属于煤矿涉及安全与生产***，是煤矿减人增效的关键***，市场前景广阔。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种矿用工作面及皮带运输监控***，实现煤炭生产、运输的全局监控，实现无人值守，有人巡视，操作与控制在地面计算机进行。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种矿用工作面及皮带运输监控***，包括地面工控机、井下集控中心、矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置及交换机，所述井下集控中心与地面工控机相连，所述矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置分别通过交换机与井下集控中心相连。

具体地，所述矿用工作面通信控制装置包括矿用本安型可编程控制器及与矿用本安型可编程控制器相连的矿用本安型扩音电话、矿用本安急停闭锁、矿用本安型无线遥控器、矿用本安型料流传感器、隔爆摄像机，以及相关隔爆电源、隔爆显示器、隔爆计算机等。

在本发明中，所述矿用带式输送机保护装置包括顺槽皮带保护装置、大巷皮带保护装置及主井皮带保护装置。

具体地，所述矿用带式输送机保护装置包括矿用本安型可编程控制器及与矿用本安型可编程控制器相连的矿用本安型扩音电话、矿用本安急停闭锁、矿用本安型无线遥控器、矿用本安型速度传感器、矿用本安型料流传感器、矿用本安型烟雾传感器、矿用本安型堆煤传感器、矿用隔爆电磁阀、矿用本安型纵撕传感器、隔爆摄像机，以及相关隔爆电源、隔爆显示器、隔爆计算机等。

本发明设计了特殊的矿用本安型扩音电话，所述矿用本安型扩音电话包括外部电源输入模块、限流充电电路模块、稳压模块、充电切换模块、电池模块及单片机模块，所述外部电源输入模块与限流充电电路模块电连接，所述限流充电电路模块通过稳压模块与电池模块电连接，所述单片机模块与电池模块电连接，单片机模块通过充电切换模块与限流充电电路模块电连接。

本发明设计了特殊的矿用本安型无线遥控器，包括键盘复用开机模块、键盘复用关机模块、电池模块、电源通断电路模块、稳压模块及单片机模块，所述键盘复用开机模块、电池模块及单片机模块分别与电源通断电路模块电连接，所述电源通断电路模块通过稳压模块与单片机模块电连接，所述键盘复用关机模块与单片机模块电连接。

在本发明一较佳实施例中，所述矿用工作面及皮带运输监控***还包括皮带和工作面自动调速***，所述皮带和工作面自动调速***分别与矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置相连，皮带和工作面自动调速***包括调速控制器、与调速控制器相连的若干主控机及与主控机相连的煤流量监测装置。

作为优选，所述煤流量监测装置包括料流处理器及与料流处理器相连的激光成像传感器、矿用本安型速度/位移传感器。

由于煤矿现场环境恶劣，电磁环境复杂，为了保证通信***的可靠性，本发明采用冗余异构总线通信，包括CAN总线和LIN总线通信信号。

本发明矿用工作面及皮带运输监控***的有益效果是：

1、***实现煤炭生产、运输的全局监控，实现无人值守，有人巡视，操作与控制在地面计算机进行；

2、可以自动检测工作面及每条皮带上的物料分布情况，自动控制皮带的启停和运行速度实现顺煤流启动，顺煤流停车和根据煤量自动调节皮带、运输机的速度，节省大量电力，降低皮带机的磨损；

3、皮带沿线设备配置无线遥控接收模块，无线遥控器可以在皮带沿线控制设备的启停、查看皮带机的运行状态和数据；

4、***采用冗余异构现场总线技术，保证通信的可靠性和实时性；

5、***采用自诊断技术，可以检查沿线设备的运行状态并对沿线电源进行管理；

6、***具备远程语音对讲功能。

附图说明：

图1为本发明的矿用工作面及皮带运输监控***的结构示意图；

图2为本发明的矿用工作面及皮带运输监控***的布局图；

图3为本发明的矿用带式输送机保护装置的结构示意图；

图4为本发明的矿用带式输送机保护装置的布局图；

图5为本发明的矿用工作面通信控制装置的结构示意图；

图6为本发明的矿用本安型扩音电话的结构示意图；

图7为本发明的矿用本安型扩音电话的电路原理图；

图8为本发明的矿用本安型扩音电话的电池监测模块的电路原理图；

图9为本发明的矿用本安型无线遥控器的电源控制电路的结构示意图；

图10为本发明的矿用本安型无线遥控器的电源控制电路的电路原理图；

图11为本发明的矿用本安型无线遥控器的电源控制电路的电池监测模块的电路原理图；

图12为本发明的皮带和工作面自动调速***的布局图；

图13为本发明的激光成像传感器的原理图；

图14为本发明的皮带自动调速流程图；

图15为本发明的通信方式的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，一种矿用工作面及皮带运输监控***，包括地面工控机、井下集控中心、矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置及交换机，所述井下集控中心与地面工控机相连，所述矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置分别通过交换机与井下集控中心相连，所述矿用带式输送机保护装置包括顺槽皮带保护装置、大巷皮带保护装置及主井皮带保护装置，其中还包括传输光缆、防爆摄像机、防爆计算机、防爆显示器等。其***布局如图2所示，矿用工作面通信控制装置与交换机之间采用光纤连接，以太网传输，隔爆摄像机之间采用光纤级联传输，隔爆摄像机可以根据现场情况接入井下隔爆交换机或主机。在井下可以设置隔爆计算机，隔爆计算机可以对井下的工作面和皮带进行操控和视频监控、语音通话。地面调度室内安装有工控机和视频服务器，可以在调度室操控皮带和工作面，可以查看任意一台摄像机，并对井下电话进行语音通话。

如图3所示，所述矿用带式输送机保护装置包括矿用本安型可编程控制器及与矿用本安型可编程控制器相连的矿用本安型扩音电话、矿用本安急停闭锁、矿用本安型无线遥控器、矿用本安型速度传感器、矿用本安型料流传感器、矿用本安型烟雾传感器、矿用本安型堆煤传感器、矿用隔爆电磁阀、矿用本安型纵撕传感器、隔爆摄像机，以及相关隔爆电源、隔爆显示器、隔爆计算机等。其布局如图4所示，矿用本安型可编程控制器安装在隔爆兼本安型电源箱内，矿用本安型扩音电话通过锁开关相连，并与带式输送机上的跑偏开关相连。各矿用本安型传感器设置有带式输送机周围，用于感应带式输送机的各项运作状况。

同样的，如图5所示，所述矿用工作面通信控制装置包括矿用本安型可编程控制器及与矿用本安型可编程控制器相连的矿用本安型扩音电话、矿用本安急停闭锁、矿用本安型无线遥控器、矿用本安型料流传感器、隔爆摄像机，以及相关隔爆电源、隔爆显示器、隔爆计算机等。

其中，上述矿用本安型扩音电话如图6所示，包括外部电源输入模块、限流充电电路模块、稳压模块、充电切换模块、电池模块及单片机模块，所述外部电源输入模块与限流充电电路模块电连接，所述限流充电电路模块通过稳压模块3与电池模块电连接，所述单片机模块与电池模块电连接，单片机模块通过充电切换模块与限流充电电路模块电连接。

该扩音电话主控采用单片机控制，通过通信对相应的充电电流进行程控控制，通过组合，可以具有8档位充电电流进行调节，配合电池电量进行动态程控调整。

如图7所示，外部充电电源V+由本安DC18V供电，由整流器U1、拨码开关S1和电阻R1、R2、R3、R6组成可设置恒流充电电路，之后由整流器U2稳压至需要的充电电压，充电电压设置为电池充满电时的电压。当电池没电时(电压较低)，以控制的最大充电流进行充电，随着电池电压的上升，充电电流逐步减小，充满电时电池电压和充电电压接近，则自动不再进行充电，电压降低后则重新开始充电，以此往复。

程控充电为单片机控制CON_5MA、CON_10MA、CON_20MA这三个控制端口，相应的和拨码开关S1控制端口一一对应，拨码开关S1为固定化设置，其用于设置最小充电电流，和程控控制为复用状态且优先级高，充电电流设置为5mA，10mA，15mA，20mA，25mA，30mA，35mA，40mA共八个档位调整，单片机通过远程通信接收控制信号，控制相应的控制端口来控制充电电流，也可以通过监控电池电压来动态调整充电电流。充电控制电路，采用电子开关来通断相应的限流电阻来实现调整最大的限流值。

如图8所示的电池监测模块，图中VCC为电池正极，单片机通过控制CON_AD_JC端口来控制是否需要进行AD转换监测电池电压，正常30秒监测一次，通过控制电路降低检测电路的功耗，AD_JC接至单片机AD转换口，单片机可以通过监测电池电压来自动调整充电电流。

煤矿采煤工作面及皮带沿线扩音电话配置无线模块，运输监控***配置无线遥控器，无线遥控器可在皮带沿线任意位置控制皮带机的启停与急停，同时显示皮带机状态，无线模块采用FYS50无线模块，无线频率433MHz，无线发射功率20dBM，无线传输距离50m。上述矿用本安型无线遥控器的电源控制电路如图9所示，包括键盘复用开机模块、键盘复用关机模块、电池模块、电源通断电路模块、稳压模块、电池监测模块及单片机模块，所述键盘复用开机模块、电池模块及单片机模块分别与电源通断电路模块电连接，所述电源通断电路模块通过稳压模块与单片机模块电连接，所述键盘复用关机模块与单片机模块电连接，所述电池模块通过电池监测模块与单片机模块电连接。

该矿用遥控器采用复用开机按键开机，长按开机按钮达3秒后，遥控器开机，通过单片机控制供电电源使电源工作维持设备运行，开机成功；当需要关机时长按复用关机键，单片机检测后控制供电电源断电，则遥控器完成关机，完全断电；可以通过监测电池电压来判断电池电量，在低电压时进行自动关机要求更换电池，确保遥控器在正常电压情况下可靠工作，杜绝在欠压时的控制不可靠。

如图10所示的电路原理图，VCC处为电池输入端，关机状态下MOS管VT1为断开状态，遥控器为完全断电状态，不消耗电池电量。

开机按钮AN1和关机按钮AN2为复用按钮，在开机完成后，这两个键都能实现相应其他要求的功能，作为开关机功能时需要长按按钮来实现。

当按下开机按钮AN1后，光耦B1动作开启VT1，整流器VC处得电，经过D1稳压为单片机所需要的相应电压，单片机得电后，监测开机按钮AN1的状态，当监测到按钮持续按下一定时间(按程序要求，一般为3秒)后则判断为需要开机，单片机控制POW_CON为高电平，通过三极管VT2控制VT1接通，这时开机按钮断开后则不会影响单片机供电，开机成功。

开机完成后开机按钮变为正常功能键，按钮AN1按下后，控制三极管VT3连通高电平，控制VT4三极管对地短接，POW_IN-1接至单片机引脚，电平由高电平变为低电平，单片机则可以通过此引脚来检测判断按钮状态来实现相应功能。

关机按钮AN2的1号脚接单片机引脚，断开时为高电平，按下时为低电平，正常短按为正常按钮功能，当按钮长时间按下时(按程序要求，一般为3秒)，则判断为需要关机，单片机控制POW_CON输出为低电平，则VT1断开，设备完全断电。

如图11所示的电池监测模块电路图，VCC为电池端，单片机通过AD_JC引脚进行AD转换来监测电池电量，需要监测电压时需要控制CON_AD_JC高电平来控制三极管Q1导通，同时进行AD转换，测出电池电压，当监测到电压低时则通过控制POW_CON来切断电源进行关机，确保遥控器要在电压正常情况下进行设备控制，避免因电压过低导致控制不可靠，当不监测电压时，控制CON_AD_JC断开Q1来降低功耗。

另外，本发明的矿用工作面及皮带运输监控***还包括皮带和工作面自动调速***，所述皮带和工作面自动调速***分别与矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置相连，皮带和工作面自动调速***包括调速控制器、与调速控制器相连的若干主控机及与主控机相连的煤流量监测装置，其具体布局如图12所示。其中，所述煤流量监测装置采用矿用本安型防爆形式，装置由激光成像传感器(激光探头)、矿用本安型速度/位移传感器、料流处理器等设备组成。

激光成像传感器采用三角测距采集模块的测距原理为线型红外激光发射器按照一定的角度发射红外光线束，线型光束遇到被测物体后将会反射回来，反射回来的光线被感光检测器检测，其获取一个偏移L。如图13所示，由已知感光器焦距f、发射器和感光器之间的轴距X可以求出激光器到物体某一点的距离d，公式为d＝X·f/L，由于线型红外光具有直线型的特点，依据以上红外三角测距的原理可以计算出一组直线分布的距离数据(最大分辨率为P的离散数据)，因此可以由此获知被测物体的二维截面，通过单片机控制二维三角测距采集模块(定义采集分辨率为P)，采集到皮带机上所运输煤炭的瞬时二维截面轮廓h(p)，再通过皮带位移数据X进行三维重建，获取煤炭离散三维地图数据h(p，x)使用三维数据进行累加计算，计算出单位时间内的相对煤量M，其计算公式如下：

发射器是改变激光器的输出模式，由原先的一个点变成一条线型光，通过测量这束线型光在待测目标物体上的反射从而一次性获得一个扫描截面的数据(最大分辨率为P的离散数据)，记录为h(p)，这样做的好处是扫描速度可以很快，精度也比较高，对于近距离(<10m)的测距扫描而言，这种方式还是很有效并且极具性价比的。

皮带的位移速度传感器可以检测皮带的位移脉冲。皮带每运行0.0625m，产生一个脉冲。假设皮带机长度为D，则n＝D/0.00625,皮带上的煤量为ΣMi，i＝0-n。煤流量传感器的每位移脉冲的数据都通过光纤以太网上传到调速控制机中，调速控制机内部记录整个煤流***的煤炭分布情况，皮带调速控制器控制个皮带实现自动调速。

皮带调速控制器控制个皮带实现自动调速流程如图14所示，首先通过传感器检测当前皮带高度曲线，并与空皮带高度曲线相对比，***拟合出煤炭的截面积，与速度乘积并与时间积分，计算出煤在皮带上的分布、瞬时流量及预计到达下条皮带的时间，从而控制皮带的运行速度。

本发明采用总线式供电和通信方式，由于煤矿现场环境恶劣，电磁环境复杂，为了保证通信***的可靠性，***采用冗余异构总线通信。如图15所示，本发明在控制***的沿线通信电缆中，同时包含了CAN总线和LIN总线通信信号，本安型控制器和沿线设备之间通过两种总线实时通信，对两种总线的通信数据同时进行处理，实现控制和保护的功能。当其中一种总线出现故障时，设备数据流能够自动切换数据通道，最终实现数据的正常传输。

***采用总线式为沿线设备供电。沿线设备主要耗电为闭锁模块和电话模块。电话模块功耗主要对内部电池进行充电。由于***属于防爆产品，受本安电源的限制，电源参数为18V950mA。皮带长度大部分皮带距离为1000m到2000m之间，沿线压降比较大。***存在电源模块容量、电话充电电流和机尾电压的矛盾：电话充电电流越大，电话的广播时间越长，但是容易导致机尾电压过低设备工作不正常和电源模块保护；电话充电电流过小，机尾电压增大，但是电话电池容易出现亏电而损坏。对沿线设备的功耗管理将保证在电源容量和终端电压的情况最大限度的对电话模块进行充电。

本安电源可以检测本安电源当前负载，电话模块可以检测当前的电池的当前电压，控制电话的充电电流，终端可以检测沿线机尾的电压。

本***还具备网络音频传输功能，可通过网络实现音频可以实现地面调度对井下的通话。为了解决井下声音过小问题，采用双向音频放大功能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：包括地面工控机、井下集控中心、矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置及交换机，所述井下集控中心与地面工控机相连，所述矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置分别通过交换机与井下集控中心相连。

2.根据权利要求1所述的矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：所述矿用工作面通信控制装置包括矿用本安型可编程控制器及与矿用本安型可编程控制器相连的矿用本安型扩音电话、矿用本安急停闭锁、矿用本安型无线遥控器、矿用本安型料流传感器、隔爆摄像机。

3.根据权利要求1所述的矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：所述矿用带式输送机保护装置包括顺槽皮带保护装置、大巷皮带保护装置及主井皮带保护装置。

4.根据权利要求3所述的矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：所述矿用带式输送机保护装置包括矿用本安型可编程控制器及与矿用本安型可编程控制器相连的矿用本安型扩音电话、矿用本安急停闭锁、矿用本安型无线遥控器、矿用本安型速度传感器、矿用本安型料流传感器、矿用本安型烟雾传感器、矿用本安型堆煤传感器、矿用隔爆电磁阀、矿用本安型纵撕传感器、隔爆摄像机。

5.根据权利要求2或4所述的矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：所述矿用本安型扩音电话包括外部电源输入模块、限流充电电路模块、稳压模块、充电切换模块、电池模块及单片机模块，所述外部电源输入模块与限流充电电路模块电连接，所述限流充电电路模块通过稳压模块与电池模块电连接，所述单片机模块与电池模块电连接，单片机模块通过充电切换模块与限流充电电路模块电连接。

6.根据权利要求2或4所述的矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：所述矿用本安型无线遥控器包括键盘复用开机模块、键盘复用关机模块、电池模块、电源通断电路模块、稳压模块及单片机模块，所述键盘复用开机模块、电池模块及单片机模块分别与电源通断电路模块电连接，所述电源通断电路模块通过稳压模块与单片机模块电连接，所述键盘复用关机模块与单片机模块电连接。

7.根据权利要求1所述的矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：所述矿用工作面及皮带运输监控***还包括皮带和工作面自动调速***，所述皮带和工作面自动调速***分别与矿用工作面通信控制装置、矿用带式输送机保护装置相连，皮带和工作面自动调速***包括调速控制器、与调速控制器相连的若干主控机及与主控机相连的煤流量监测装置。

8.根据权利要求7所述的矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：所述煤流量监测装置包括料流处理器及与料流处理器相连的激光成像传感器、矿用本安型速度/位移传感器。

9.根据权利要求1所述的矿用工作面及皮带运输监控***，其特征在于：所述矿用工作面及皮带运输监控***采用冗余异构总线通信，包括CAN总线和LIN总线通信信号。