专利名称：一种煤矿提升机钢丝绳实时故障诊断预警装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于在线监测数据的提升机钢丝绳故障诊断装置和方法，特别是一种煤矿提升机钢丝绳实时故障诊断预警装置和方法。
背景技术：
钢丝绳是提升机的重要部件，一旦钢丝绳发生断裂，将会导致重大事故的发生，造成严重的人员和财产损失。提升机卷筒缠绕的钢丝绳，使用一定时间后，由于疲劳导致表层钢丝绳逐渐折断，钢丝绳和卷筒、滑轮、天轮的摩擦及钢丝绳自身的相互摩擦造成了表面及内部的磨损，钢丝绳的锈蚀也削弱了其承力面积，使绳中拉应力加大。此外，随着使用时间和弯曲次数的增加，钢丝绳的破断力下降。实践经验表明，断丝是主要原因。实际直径减小10%而不发生断丝的情况极少见。因此，承力面积减少是钢丝绳不能进一步使用的主要原因，当承力面积下降到一定程度时，将不能保证钢丝绳的可靠性。目前大部分的煤矿的提升机钢丝绳监测装置，仅仅实现了参数的采集和存储，缺少必要的故障诊断和预警的功能，无法及时判断和预报现存的和可能发生的故障，只能通过人为的周期检查来确定钢丝绳的好坏。

发明内容
本发明的目的是提供一种煤矿提升机钢丝绳实时故障诊断预警装置和方法，解决当前钢丝绳故障发现不及时和不具备预警功能的问题。本发明的目的是这样实现的钢丝绳实时故障诊断和预警装置包括核心处理模块、数据存储模块、程序存储模块、液晶和触摸屏控制模块、数据采集模块、以太网数据交换模块、报警模块和电源模块；核心处理模块同时与数据存储模块、程序存储模块、液晶和触摸屏控制模块、数据采集模块、以太网模块和报警模块连接；电源模块与所有模块连接，为各模块提供电源。提升机钢丝绳故障检测和诊断方法包括如下步骤
将每一根钢丝绳截面积的初始值，通过液晶和触摸屏控制模块输入到程序存储模块中，钢丝绳监测设备接收的数据通过以太网模块接口输入到数据存储模块中，程序存储模块和数据存储模块中的信息同时送入到核心处理器进行对比、处理；处理的内容包括截面积损伤信号定量计算、局部损伤信号的定位计算、张力信号定量计算和钢丝绳工作状态预警；
(一)、截面积损伤信号定量计算首先将钢丝绳进行磁化，采用漏磁检测装置，通过霍 尔元件获取钢丝绳周向漏磁信号，检测钢丝绳局部异常缺陷产生的漏磁场，获得缺陷信息，然后将漏磁信号传送给核心处理器模块；
所述的漏磁检测装置，使用霍尔元件测量磁场用磁桥回路检测，将霍尔元件置于磁桥路中，测量磁感应强度在平衡点处的微小变化，获得高灵敏度和线性度的漏磁信号。检测结果送入核心处理器模块，核心处理器模块根据信号的大小，利用嵌入式程序进行定量计算，并以钢丝绳截面积损失百分比的形式输出；
当提人的钢丝绳截面积损失比大于5%，提物的钢丝绳截面积损失比大于10%时，发出报警信息，如果接近上述值，发出预警信息；
(二)、局部损伤信号的定位计算采用旋转编码器作为测长传感器，对钢丝绳进行分段定位，旋转编码器将分段定位信息转换为脉冲信号，脉冲信号送到核心处理器模块，对钢丝绳进行故障检测；核心处理器模块的处理器对测量脉冲信号进行识别，并进行计数，判断出损伤段所处的位置；
(三)、张力信号的定量处理采用压轮和压力传感器的动态张力检测装置，将钢丝绳置于动态检测装置上，动态检测装置的纵向拉力水平作用在钢丝绳上；当压轮和钢丝绳的相对位置一定时，压力传感器输出电信号与钢丝绳张力变化的电信号，构成具有变化规律的合输出信号，将合输出信号经过调理放大，再接到A/D转换器，然后把数字信号送入动态检测装置的处理器中，利用嵌入式程序对钢丝绳进行张力定量计算，并输出安全系数值，进行张力危险分级；
当提人的和提人提物混合提升的钢丝绳安全系数小于7，提物的钢丝绳安全系数小于5时，发出报警信息，如果接近上述值，会发出预警信息；
(四)、钢丝绳工作状态预警；基于小波神经网络，根据钢丝绳截面积的历史状态参数，对未来的截面积损失情况进行预测，对钢丝绳寿命进行预估；钢丝绳寿命预估方法将钢丝绳的截面积损失情况作为一个时间序列，通过时间序列的前M个时刻的值，预测出第M .f.l时刻的值，即预估获得钢丝绳的寿命。有益效果由于采用了上述方案，对钢丝绳截面积损失百分比进行计算，通过以太网接口和现有的钢丝绳监测设备连接，将钢丝绳截面积的实时数据送入核心处理器模块，核心处理器模块利用预先写好的嵌入式程序进行定量计算，与钢丝绳截面积的初始值进行对比，以钢丝绳截面积损失百分比的形式输出。采用旋转编码器作为测长传感器，并以极小的间隔对钢丝绳进行分段定位，并发出一系列分段脉冲信息送到核心处理器模块。核心处理器模块的处理器能准确快速的识别测量脉冲，并进行计数，判断出钢丝绳损伤所处的位置。钢丝绳张力的实时数据通过以太网口送入核心处理器模块，核心处理器模块利用预先写好的嵌入式程序进行定量计算，与钢丝绳张力阈值进行对比，经嵌入式程序定量处理后输出钢丝绳工作的安全系数。触摸屏用于设置钢丝绳使用条件，针对煤矿上不同的使用场合，进行现场设定。设定的内容包括钢丝绳张力阈值、钢丝绳直径、提升机类型、提升机用途。这些工作参数统一存储到程序存储器中。基于小波神经网络，根据钢丝绳截面积的历史状态参数，对未来的截面积损失情况进行预测，对钢丝绳寿命进行预估。当钢丝绳的截面积预测结果超过《煤矿安全规程》的要求时，判断钢丝绳具有出现故障的可能，提醒管理人员提前做好钢丝绳的检查或者更换工作。当钢丝绳的工作参数持续超过其允许范围时，钢丝绳实时故障诊断和预警装置就会报警，提醒操作人员停机检查，避免造成重大的提升事故。本装置还带有以太网接口，能够实时的把诊断结果通过以太网传输到控制中心，为煤矿决策提供可靠的依据。
解决当前设备缺少实时故障诊断和预警功能的问题，达到了本发明的目的。优点针对煤矿上不同的使用场合，设置相应的钢丝绳安全参数，具有使用灵活的特点，能够根据在线监测的数据判断钢丝绳工作状态，能够实现钢丝绳实时故障诊断和预警功能，并给出报警信息。


图I为提升机钢丝绳实时故障诊断和预警装置结构图。图2为漏磁检测装置图。图3为动态张力检测装置图。 图4为提升机钢丝绳实时故障诊断和预警流程图。图中，I、衔铁；2、霍尔元件；3、永磁铁；4、钢丝绳；5、主导轮；6、导向轮；7、压力传感器；8、压轮；U1、核心处理模块；U2、数据存储模块；U3、程序存储模块；U4、液晶和触摸屏控制模块；U5、钢丝绳数据采集模块；U6、以太网模块；U7、报警模块；U8、电源模块。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。实施例I :图I中，为实时诊断装置的工作方式。装置包括核心处理模块U1、数据存储模块U2、程序存储模块U3、液晶和触摸屏控制模块U4、钢丝绳数据采集模块U5、以太网模块U6、报警模块U7、电源模块U8。核心处理模块Ul同时与数据存储模块U2、程序存储模块U3、液晶和触摸屏控制模块U4、以太网模块U5和报警模块U6连接；电源模块U7与所有模块连接，为各模块提供能源。在图I中，核心处理模块Ul为该实时诊断装置的核心，能够根据传感器采集的钢丝绳参数来诊断其状态，并负责控制其它功能模块，核心处理模块Ul选用S3C6410芯片，该芯片基于ARM1176JZF-S内核。包含16KB的指令数据Cache和16KB的指令数据TCM，ARM内核电压为1.2V。数据存储模块U2在本装置中的主要功能是存储所采集的钢丝绳数据和一些系统数据，数据存储模块U2采用容量为256M的HY27UF082G2B芯片。程序存储模块U3用于存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统以及在系统掉电后需要保存的重要参数，程序存储模块U3是一个高速的同步动态随机存储器(4MwordsX4bandsX16bits)，时钟频率143MHz，该芯片能够满足工业标准，采用低功耗设计，工作电压为3. 3V。液晶和触摸屏控制模块U4将S3c6410的TTL电平并行RGB数据信号和控制信号转换成低电压串行LVDS信号，液晶和触摸屏控制模块U4使用了 DS90C385芯片，该芯片具有五通道的LVDS发送功能，然后通过驱动板与液晶面板之间的排线将信号传送到液晶面板侧的LVDS接收器。触摸屏作为钢丝绳实时诊断装置主要的输入设备，工作人员能够根据现场工况和提升对象设置钢丝绳的安全系数，触摸屏的控制使用了 S3c6410内部集成的四线电阻触摸屏接口，因此本发明装置选用了一个四线电阻触摸屏作为输入设备。数据采集模块U5包含了截面积检测功能、损伤定位功能、张力检测功能截面积检测功能，采用漏磁检测装置，该装置包括衔铁I、霍尔元件2和永磁铁3 ;在衔铁I、的两端的侧面连接有永磁铁的S极和N极，在永磁铁的S极和N极的另一端连接有两段衔铁I的侧面，在两段衔铁I之间连接有霍尔元件2，在两段衔铁I的另一侧面连接有永磁铁的S极和N极。通过霍尔组件获取钢丝绳周向漏磁信号，检测钢丝绳，局部异常缺陷产生的漏磁场，获得缺陷信息，然后将漏磁信号传送给数字信号处理系统。本发明根据磁桥回磁路检测原理，采用霍尔元件UGN3515进行检测，UGN3515集成了信号的调理和放大功能，其可直接送入核心处理器模块。将霍尔元件置于磁桥路中，测量磁感应强度在平衡点处的微小变化，霍尔元件也能够采集到，具有较高 灵敏度和线性度，大大提高了检测传感器的信噪比。核心处理器模块根据UGN3515信号的具体数值，利用嵌入式程序进行定量计算，并以断面积损失百分比的形式输出。损伤定位功能，采用钢丝绳故障检测装置，所述的钢丝绳故障检测装置采用E6B2型旋转编码器对缺陷进行定位。对钢丝绳的故障进行检测，不仅可以知道是否发生故障，还可以知道故障发生的具体位置，以便于进行维护。检测过程中，随着检测装置在钢丝绳上运动，发出等空间脉冲信号。嵌入式程序采集脉冲信号，并进行分析和识别，以判断钢丝绳损伤的精确位置。张力检测功能，采用动态张力检测装置，所述的动态张力检测装置包括主导轮
5、导向轮6、压力传感器7和压轮8 ;钢丝绳4绕过主导轮5，在主导轮5两侧的钢丝绳上各有一个导向轮6和压轮8，压轮8与压力传感器7连接；用压轮和压力传感器实现动态张力检测，压轮将钢丝绳的纵向拉力按一定的比例水平作用于测试元件上，压力传感器选用霍尼韦尔的HPB100智能压力传感器，当压轮和钢丝绳的相对位置一定时，利用压力传感器输出电信号与钢丝绳张力相关的原理，即可达到采集钢丝绳张力动态特征的目的。HPB100传感器输出的数字信号能够直接送入核心处理器，核心处理器根据此信号的大小，利用嵌入式程序进行张力定量计算，并输出安全系数值。以太网模块U6用于以太网的数据交换操作，具有接收和发送数据的功能，采用了以太网控制器DM9000AEP，该芯片是一个全集成、功能强、性价比高的快速以太网MAC控制器，它带有一个通用处理器接口、EEPROM接口、10/100PHY和16KB的SRAM。U6连接矿集控中心，可以实时的把钢丝绳的工作数据和诊断结果上传。报警模块U7用于给出报警，包含了蜂鸣器和LED指示灯，当钢丝绳的工作参数接近危险值时，核心处理器模块发出预警信息，指示灯给出黄色预警信号；超出危险值时，核心处理器模块发出预警信息，指示灯给出红色报警信号，并发出报警声音。电源模块U8的功能是提供稳定的电压(3. 3v、l. 2v)。主板工作电压为3. 3V，主要芯片工作电压为3. 3V和I. 2V，采用外置DC5V电源供电，保证各模块处于正常工作状态。在图4中，对本发明装置的实时故障诊断和预警方法及流程进行描述。触摸屏用于设置钢丝绳使用条件，针对煤矿上不同的使用场合，可以现场设定。设定的内容包括钢丝绳张力阈值、钢丝绳直径、提升机类型、提升机用途、钢丝绳安装日期等。这些工作参数会统一存储到程序存储器中。本发明装置数据采集模块实时采集钢丝绳截面积信息，并送入核心处理器模块，处理器模块利用预先写好的嵌入式程序进行定量计算，与截面积的初始值进行对比，以截面积损失百分比的形式输出。根据《煤矿安全规程》的要求，当提人的钢丝绳截面积损失比大于5%，提物的钢丝绳截面积损失比大于10%时，本装置会发出报警信息，如果接近上述值，会发出预警信息。 本发明装置数据采集模块实时采集钢丝绳张力信息，并送入核心处理器模块，处理器模块利用预先写好的嵌入式程序进行定量计算，与钢丝绳张力阈值进行对比，经嵌入式程序定量处理后输出钢丝绳工作的安全系数。根据《煤矿安全规程》的要求，当提人的和提人提物混合提升的钢丝绳安全系数小于7，提物的钢丝绳安全系数小于5时，本装置会发出报警信息，如果接近上述值，会发出预警信息。根据《煤矿安全规程》的要求，摩擦式提升机的钢丝绳使用年限不得超过2年，当钢丝绳的工作年限接近允许年限时，本装置会发出预警信息，当超过该数值时，会发出报警信息。本发明装置还设计了基于小波神经网络的钢丝绳预警程序，能够根据钢丝绳截面积的历史状态参数，对未来的截面积损失情况进行预测，对钢丝绳寿命进行预估。由于钢丝绳的截面积损失情况可以看作一个时间序列进行处理，假定通过采样后有时间序列
X={屯€ l (i=通过序列的前麗个时刻的值，预测出第if+I时刻的值。把这些数据分为I 个长度为麗+1的，有一定重叠的数据段，每个数据段即为一个样本。将每个样本的前Ii个值作为神经网络的输入，第M+I个值作为目标输出，通过学习，实现从输入空间JT到Jii输出空间的映射，达到时间序列预测的目的。对钢丝绳截面积损失情况预测，需要的变量有钢丝绳型号、规格、检测器与钢丝绳表面的间隙大小、检测信号特征量、钢丝绳运行速度等5个因素，小波函数选取Morlet函数，取L=16，分组长度M=4。使用小波网络
对磨损量时间序列进行5步(_|4)预报。当钢丝绳的截面积预测结果超过《煤矿安
全规程》的要求即提人的钢丝绳截面积损失比不大于5%，提物的钢丝绳截面积损失比不大于10%，本装置会判断钢丝绳具有出现故障的可能，本装置发出预警信息，提醒管理人员提前做好钢丝绳的检查或者更换工作。
权利要求
1.一种煤矿提升机钢丝绳实时故障诊断预警装置，其特征是钢丝绳实时故障诊断和预警装置包括核心处理模块、数据存储模块、程序存储模块、液晶和触摸屏控制模块、数据采集模块、以太网数据交换模块、报警模块和电源模块；核心处理模块同时与数据存储模块、程序存储模块、液晶和触摸屏控制模块、数据采集模块、以太网模块和报警模块连接；电源模块与所有模块连接，为各模块提供电源。
2.一种煤矿提升机钢丝绳实时故障诊断预警方法，其特征是 提升机钢丝绳故障检测和诊断方法包括如下步骤 将每一根钢丝绳截面积的初始值，通过液晶和触摸屏控制模块输入到程序存储模块中，钢丝绳监测设备接收的数据通过以太网模块接口输入到数据存储模块中，程序存储模块和数据存储模块中的信息同时送入到核心处理器进行对比、处理；处理的内容包括截面积损伤信号定量计算、局部损伤信号的定位计算、张力信号定量计算和钢丝绳工作状态预警； (一)、截面积损伤信号定量计算首先将钢丝绳进行磁化，采用漏磁检测装置，通过霍尔元件获取钢丝绳周向漏磁信号，检测钢丝绳局部异常缺陷产生的漏磁场，获得缺陷信息，然后将漏磁信号传送给核心处理器模块； 所述的漏磁检测装置，使用霍尔元件测量磁场用磁桥回磁路检测原理，将霍尔元件置于磁桥路中，测量磁感应强度在平衡点处的微小变化，获得高灵敏度和线性度的漏磁信号; 检测结果送入核心处理器模块，核心处理器模块根据信号的大小，利用嵌入式程序进行定量计算，并以钢丝绳截面积损失百分比的形式输出； 当提人的钢丝绳截面积损失比大于5%，提物的钢丝绳截面积损失比大于10%时，发出报警信息，如果接近上述值，发出预警信息； (二)、局部损伤信号的定位计算采用旋转编码器作为测长传感器，对钢丝绳进行分段定位，旋转编码器将分段定位信息转换为脉冲信号，脉冲信号送到核心处理器模块，对钢丝绳进行故障检测；核心处理器模块的处理器对测量脉冲信号进行识别，并进行计数，判断出损伤段所处的位置； (三)、张力信号的定量处理采用压轮和压力传感器的动态检测装置，将钢丝绳置于动态检测装置上，动态检测装置的纵向拉力水平作用在钢丝绳上；当压轮和钢丝绳的相对位置一定时，压力传感器输出电信号与钢丝绳张力变化的电信号，构成具有变化规律的合输出信号，将合输出信号经过调理放大，再接到A/D转换器，然后把数字信号送入动态检测装置的处理器中，利用嵌入式程序对钢丝绳进行张力定量计算，并输出安全系数值，进行张力危险分级； 当提人的和提人提物混合提升的钢丝绳安全系数小于7，提物的钢丝绳安全系数小于5时，发出报警信息，如果接近上述值，会发出预警信息； (四)、钢丝绳工作状态预警；基于小波神经网络，根据钢丝绳截面积的历史状态参数，对未来的截面积损失情况进行预测，对钢丝绳寿命进行预估；钢丝绳寿命预估方法将钢丝绳的截面积损失情况作为一个时间序列，通过时间序列的前个时刻的值，预测出第时刻的值，即预估获得钢丝绳的寿命。
全文摘要
一种煤矿提升机钢丝绳实时故障诊断预警装置和方法，属于基于在线监测数据的提升机钢丝绳故障诊断装置和方法。该装置的核心处理模块同时与数据存储模块、程序存储模块、液晶和触摸屏控制模块、数据采集模块、以太网模块和报警模块连接；电源模块与所有模块连接，为各模块提供电源；所述的方法对钢丝绳截面积损失百分比进行计算，通过以太网接口将钢丝绳截面积的实时数据送入核心处理器模块，与钢丝绳截面积的初始值进行对比，以钢丝绳截面积损失百分比的形式输出。优点针对钢丝绳的使用场合，设置安全参数，具用灵活，能够根据在线监测的数据判断钢丝绳工作状态，能够实现钢丝绳实时故障诊断和预警功能，并给出报警信息。
文档编号G01L5/04GK102636561SQ201210142718
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者夏士雄, 牛强, 王志晓, 肖硕 申请人:中国矿业大学