一种矿井井筒用故障监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种矿井井筒用故障监测系统，包括采集端、传输端、地面监测端，采集端主要用来在矿井井筒采集所需要的数据，传输端是基于ZigBee设计的，是用来传递数据的网络结构，地面监测端是用来分析、整理、判断数据的智能控制站，能够收集矿井井筒的多种性能、环境数据，实现自动分析、监控、保存、报警和故障识别，且独有的趋势对比模式可以在隐患的初期进行监控和预测，同时在异常情况出现后，自动调取相关影像资料，给工程师充分的数据进行地面分析，提高维修工程量和安全性。

A fault monitoring system and method for mine shaft

【技术实现步骤摘要】
一种矿井井筒用故障监测系统及方法
本专利技术涉及传输系统
，具体涉及一种矿井井筒用故障监测系统及方法。
技术介绍
现有矿井尤其是非金属矿，多采用竖井的开采方式，竖井深度500-1000m不等。井筒施工过程中通常采用冻结法施工，早期井筒设计时多未考虑井筒竖向附加力，因此长期服役的井筒最易发生剪切破坏。为确保矿井运营期间的安全，作为非金属矿咽喉部位的井筒，需时刻掌握井筒的稳定情况，多在井筒内分水平布置监测系统，实时监控井壁混凝土的变形、受力等信息，不同水平的不同监测点通过电缆与地面的监测单元相连。井筒环境的特殊性，限制了建井初期布设监测设备的更换、维修。井筒监测系统维修周期较长，矿山生产停工短则一月，长则三月。以年产600万吨煤矿为例，维修停产会导致煤矿产量损失达50～150万吨。通常非金属矿区的竖井包括主井、副井与风井等，尤其是主井作为煤矿提升的通道，矿车高速提升的过程中，矿车内矿块会随机掉落，导致有线的传输电缆经常性砸断。当前很多井筒也处于多水的环境中。潮湿的井筒环境，降低了有线传输电缆与监测设备间连接处的寿命，也增加了接口处短路的可能性，进一步凸显了监测系统有线传输方式的缺点，大大降低了监测系统的使用寿命。井筒虽然通风环境较好，但仍然属于矿区安全范围内，禁止出现明火与有线电源，需满足矿山的防爆安全要求。ZigBee技术是一种现代网络技术，具有近距离、低功耗、低数据速率、低成本的特点。主要工作在2.4ghz频段,传输速率10kbps-250kbps，传输距离10-100m，作为一宗新兴得无线通信技术，ZigBee技术传输的速度快、成本较低、操作比较简单，在目前市场上具有广阔的市场前景，也成为无线技术研究的热点课题之一。目前，已广泛应用于无线传感器网、自动控制和远程控制等领域，非常适合矿井井筒的监测。中国专利技术专利CN201110218602.0公开了一种基于无线传感器网络的煤矿井下火灾监测系统，包括监测主机、通讯主站和无线传感器网络，无线传感器网络通过所述通讯主站与所述监测主机通讯，无线传感器网络为ZigBee无线自组织网络，无线传感器包括无线一氧化碳传感器、无线风压传感器和无线温度传感器，能够及时准确地监测煤矿井下火情，并且能够有效地控制无线传感器网络节点的能耗，延长无线传感器网络的使用寿命，但是该监测系统主要用于火灾监测，但实际应用中，特别是矿井井筒方面，具有多种影响到实际生产的异常，比如倾斜、坍塌、意外掉落、粉尘扩散，且异常出现时，经常需要维修人员在无准确信息的情况下下井查看，不仅浪费时间而且存在一定的危险性。为打通监测传感器与远程传输的最后一小步，亟需一种安全有效的无线传输系统，替换传统的有线传输方式，适用于矿山井筒的特殊环境需求，提高监测系统的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种矿井井筒用故障监测系统及方法，能够实现矿井井筒的全方面监控，并利用无线系统传递到监控站，并实现自监控、自报警、智能故障分析等功能，同时具有耗能小、成本低的优点。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种矿井井筒用故障监测系统，包括采集端、传输端、地面监测端，采集端主要是用来在矿井井筒采集所需要的数据，传输端是用来传递数据的网络结构，地面监测端是用来分析、整理、判断数据的控制站。所述采集端包括数据采集器、图像采集器，通过预埋、预设的方式预先设置在矿井井筒中，所述数据采集器用于提供量化数据，包括一种或多种形式的传感器，用以获得矿井内温度、湿度、气体浓度、压力、载荷等数据，这些传感器的种类可以根据矿井的种类灵活选择；所述图像采集器用于提供图像化数据，包括一种或多种形式的摄像头，比如可见光摄像头、红外摄像头、夜视摄像头的一种或多种，用来提供影像化资料，以便于在维修人员下井前了解可能的故障，降低维修的周期。传输端采用了ZigBee传输系统，是一种低速短距离传输的无线网络，主要优点有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全，所述传输端包括三层构架，第一层构架为设在采集端处的数据收集器，所述数据收集器包括用于收集量化数据的数据收集器A，用于收集和缓存的图像化数据的数据收集器B，由于量化数据的数据量较少，所以设计为实时传输和主要的监测对象，而图像化数据的数据量较大，而且主要是故障后起到排查的作用，所以图像数据的数据收集器B具有两种数据模式，一种是实时传输，一种是内部储存和周期覆盖的功能，这样可以节省下传输耗费的能量，并且避免传输网络的拥堵，保证量化数据的传输畅通；第二层构架为组网装置，本专利技术选用了网状拓扑结构组网，包括多个ZigBee路由器和一个ZigBee协调器，ZigBee路由器能够与范围内的数据收集器进行直接的通讯，且其中一个路由器发生故障，整个网络通路不受影响，可以应对井下的极端环境，保证了传输的效率；第三层构架为接收和缓冲数据的上位机，所述上位机用于接收和缓冲数据，设置在地面上，是ZigBee传输系统的最后一站；传输端的上位机将数据传递给地面监测端以实现整体监控，该传输过程可根据需要选取数据传输方式，如果地面监测站距离矿井较近可以继续采用ZigBee传输模式，较远可以采用wifi、有线光缆、GPRS等技术，甚至可以利用Internet实现超远程监控。所述地面监测端是一个智能化监测系统，能够实现自监测、自排除、自警报，以及在正常运行时自删除冗余数据的功能，主要包括数据模块、监控模块、报警模块。所述数据模块包括数据分析单元、图像重构单元和数据储存单元，所述数据分析单元将量化数据进行分类、趋势分析、周期值分析处理，所述图像重构单元用于将压缩的图像数据进行图像重构，所述数据储存单元用于储存历史数据和实时数据；所述监控模块包括标准数据单元、数据对比单元、趋势分析单元，所述标准数据单元用于储存、调整用户定义的临界阈值，所述数据对比单元主要用于将处理过的量化数据和临界阈值进行比较，所述趋势分析单元主要用于智能分析量化数据的周期波动，发现隐藏的异常；所述报警模块包括异常状态时进行预警的报警单元、图像变更单元、应急处理单元，所述图像变更单元用于调用历史图像数据、变更图像数据的传送模式，所述应急处理单元用于根据异常的级别进行相应的应急处理。优选地，所述地面监测端还包括分析模块，所述分析模块包括时间横向分析单元、时间纵向分析单元、综合分析单元，所述时间横向分析单元用于在某一时间点上综合分析各个量化数据，所述时间纵向分析单元用于针对某种量化数据分析时间线上的趋势变化，所述综合分析单元用于综合衡量时间横向分析单元、时间纵向分析单元的结果并给出故障诊断。优选地，所述数据收集器A、数据收集器B均包括防爆外壳、用于与数据采集器连接的无线通讯模块、用于传输组网的ZigBee无线模块、用于精准供电的电源管理模块和蓄电池。可拆卸式充电蓄电池分别给无线通讯模块、ZigBee无线模块、电源管理模块、预埋传感器等模块供电；电源管理模块控制可拆卸式充电蓄电池何时供电、何时断电；无线传输系统通过无线通讯模块与传感器相连；无线通讯模块与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿井井筒用故障监测系统，其特征在于：包括采集端、传输端、地面监测端；/n所述采集端包括数据采集器、图像采集器，所述数据采集器用于提供量化数据，包括一种或多种形式的传感器，所述图像采集器用于提供图像化数据，包括一种或多种形式的摄像头；/n所述传输端包括三层构架，第一层构架为设在采集端处的数据收集器，所述数据收集器包括用于收集量化数据的数据收集器A，用于收集图像化数据且具有两种数据传输模式的数据收集器B；第二层构架为组网装置，包括多个ZigBee路由器和一个ZigBee协调器，用于构成无线数据传输网络；第三层构架为接收和缓冲数据的上位机；/n所述地面监测端包括数据模块、监控模块、报警模块：/n所述数据模块包括数据分析单元、图像重构单元和数据储存单元，所述数据分析单元将量化数据进行分类、趋势分析、周期值分析处理，所述图像重构单元用于将压缩的图像数据进行图像重构，所述数据储存单元用于储存历史数据和实时数据；/n所述监控模块包括标准数据单元、数据对比单元、趋势分析单元，所述标准数据单元用于储存、调整用户定义的临界阈值，所述数据对比单元主要用于将处理过的量化数据和临界阈值进行比较，所述趋势分析单元主要用于智能分析量化数据的周期波动，发现隐藏的异常；/n所述报警模块包括异常状态时进行预警的报警单元、图像变更单元、应急处理单元，所述图像变更单元用于调用历史图像数据、变更图像数据的传送模式，所述应急处理单元用于根据异常的级别进行相应的应急处理。/n...

【技术特征摘要】
20190801 CN 20191070608961.一种矿井井筒用故障监测系统，其特征在于：包括采集端、传输端、地面监测端；
所述采集端包括数据采集器、图像采集器，所述数据采集器用于提供量化数据，包括一种或多种形式的传感器，所述图像采集器用于提供图像化数据，包括一种或多种形式的摄像头；
所述传输端包括三层构架，第一层构架为设在采集端处的数据收集器，所述数据收集器包括用于收集量化数据的数据收集器A，用于收集图像化数据且具有两种数据传输模式的数据收集器B；第二层构架为组网装置，包括多个ZigBee路由器和一个ZigBee协调器，用于构成无线数据传输网络；第三层构架为接收和缓冲数据的上位机；
所述地面监测端包括数据模块、监控模块、报警模块：
所述数据模块包括数据分析单元、图像重构单元和数据储存单元，所述数据分析单元将量化数据进行分类、趋势分析、周期值分析处理，所述图像重构单元用于将压缩的图像数据进行图像重构，所述数据储存单元用于储存历史数据和实时数据；
所述监控模块包括标准数据单元、数据对比单元、趋势分析单元，所述标准数据单元用于储存、调整用户定义的临界阈值，所述数据对比单元主要用于将处理过的量化数据和临界阈值进行比较，所述趋势分析单元主要用于智能分析量化数据的周期波动，发现隐藏的异常；
所述报警模块包括异常状态时进行预警的报警单元、图像变更单元、应急处理单元，所述图像变更单元用于调用历史图像数据、变更图像数据的传送模式，所述应急处理单元用于根据异常的级别进行相应的应急处理。


2.根据权利要求1所述的一种矿井井筒用故障监测系统，其特征在于：所述数据收集器A、数据收集器B均包括防爆外壳、用于与数据采集器连接的无线通讯模块、用于传输组网的ZigBee无线模块、用于精准供电的电源管理模块和蓄电池；所述数据收集器B还包括用于储存数据的内存卡。


3.根据权利要求2所述的一种矿井井筒用故障监测系统，其特征在于：所述无线通讯模块采用232/485无线通讯模块，输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛宇，张黎明，王在泉，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37