專利名稱：礦山井下電力機車運行監測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種礦山井下電力機車運行監測系統，用于井下巷道運輸電力機車運行狀態及位置遠程監測，屬于礦山井下信息自動化技術領域。
背景技術：
目前，金屬礦山井下開采中，礦石的運輸多采用電力機車，由于大型地下礦山運距較長，調度中心很難掌握機車在井下巷道的運行位置及方向；另外，電力機車長期運行于井下惡劣環境，點檢工作難度大，經常由于未按時檢修而造成車輛故障、機車停運并影響生產。除此之外，由于井下作業人員較多，經過路口時沒有仔細觀察導致被電力機車撞倒，發生人員傷亡事故。

發明內容
本發明目的是提供一種礦山井下電力機車運行監測系統，實現井下電力機車運行區間位置信息和機車運行參數的遠程監測，完成電力機車運行參數的檢測及故障的早期預警，保證了井下運輸作業的正常，為井下作業人員安全提供了保障，解決背景技術存在的上述問題。本發明技術方案是
礦山井下電力機車運行監測系統，在巷道內間隔設置多臺信息采集終端，通過屏蔽雙絞線電纜將每臺信息采集終端并行聯接，屏蔽雙絞線電纜的另一端經副井與地面調度中心監控主機連接，電力機車上安裝有車載終端；信號采集終端不斷向周圍空間發射低頻信號， 當電力機車運行到距離信號采集終端的發射范圍內時，車載終端檢測到該信號，立即喚醒通訊模塊，并與該信號采集終端進行無線通訊，車載終端將采集到的電力機車信息通過無線傳輸至該信號采集終端，該信號采集終端將獲取的上述信息通過CAN總線傳輸至地面調度中心監控主機，地面調度中心監控主機對收到的信息進行處理，并控制電力機車將要到達的下一個信息采集終端，發出報警器，提醒工作人員注意安全。所述的地面調度中心監控主機上安裝有井下巷道3D模擬軟件，將收到的信息顯示在模擬巷道界面上，包括機車當前位置及電力機車信息。所述的車載終端采集電力機車信息，包括電機車主電機軸瓦溫度、工作電流、接觸網電壓、啟動和停止狀態、運行方向。信息采集終端設置在巷道壁上，每間隔10米設置一臺；信息采集終端不斷向周圍空間發射125KHz低頻信號，該信號精確調制為直徑3m圓周覆蓋范圍。本發明的積極效果是實現了井下電力機車運行區間位置信息和機車運行參數的遠程監測，為實現井下電力機車智能化調度提供了平臺，同時實現了電力機車運行參數的檢測及故障的早期預警，保證了井下運輸作業的正常，具有機車通行路口的語音和燈光自動提醒，為井下作業人員安全提供了保障。


附圖I為電力機車車載終端結構示意附圖2信號采集終端結構示意圖中機車運行狀態檢測傳感器組I、傳感器信號隔離傳輸模塊2、2. 4GHz無線通訊模塊3、射頻信號放大器4、PCB天線5、3D磁性一體化天線6、125KHz低頻感應模塊7、AC電源線濾波器模塊8、AC-DC模塊9、DC-DC模塊10、鋰離子電池及充放電管理模塊11、后備電源自動切換模塊12、微控制器13 ;聲光報警器模組14、數字信號隔離傳輸模塊15、2. 4GHz無線通訊模塊16、射頻信號放大器17、吸盤天線18、雙自愈CAN總線通訊模塊19、AC電源線濾波器模塊20、AC-DC模塊21、DC-DC模塊22、鋰離子電池及充放電管理模塊23、后備電源自動切換模塊24、125KHz低頻信號發射模塊25、棒狀磁性天線26、棒狀磁性天線27、棒狀磁性天線28、微控制器29。
具體實施例方式以下結合附圖，通過實施例對本發明作進一步說明。在實施例中，所述的車載終端包括機車運行狀態檢測傳感器組I、傳感器信號隔離傳輸模塊2、2. 4GHz無線通訊模塊3、射頻信號放大器4、PCB天線5、3D磁性一體化天線 6U25KHZ低頻感應模塊7、AC電源線濾波器模塊8、AC-DC模塊9、DC-DC模塊10、鋰離子電池及充放電管理模塊11、后備電源自動切換模塊12、微控制器13。機車運行狀態檢測傳感器組1，由軸編碼器和電流傳感器組成，實現電力機車運行方向、運行/停止狀態、主電機工作電流的檢測。傳感器信號隔離傳輸模塊2，由傳感器信號調理電路和光電隔離電路組成，實現對機車運行狀態檢測傳感器組中各傳感器信號的調理，并進行電氣隔離，輸出標準的1-5V電壓信號，傳送給微控制器。2. 4GHz無線通訊模塊3， 由射頻收發芯片NRF24L01、時鐘電路和外圍輔助電路組成，具有高速SPI通訊接口，能夠與微控制器進行雙向數據通訊，并將微控制器發出的數字信號轉換為射頻信號并發送，同時接收空中的射頻信號并轉換為數字信號送給微控制器。射頻信號放大器4，由射頻信號專用放大芯片構成，實現對2. 4GHz無線通訊模塊發出的射頻信號進行放大，保證該信號能夠傳輸的更遠，覆蓋范圍更廣。PCB天線5，采用覆銅板制造的PCB天線，通過腐蝕覆銅板，形成有一定規則的線條，作為射頻信號天線，用于發送或者接收射頻信號。3D磁性一體化天線6， 由三個磁性天線構成，這三個天線彼此垂直安裝，并通過專用膠粘在一起，形成立體天線， 能夠感應來自各方向的125KHz低頻無線電信號。125KHz低頻感應模塊7，由低頻信號感應芯片及外圍電路構成，通過與3D磁性一體化天線配合使用，檢測周圍環境中存在的125KHz 低頻無線電信號，當檢測到該信號時，能夠給微控制器提供一個開關量信號。AC電源線濾波器模塊8，由一個低通濾波器構成，允許直流或者50Hz的交流電通過，阻止頻率較高的干擾信號通過。AC -DC模塊9，由開關電源、濾波電路構成，能夠將AC220V電源轉換為DC12V 電源。DC-DC模塊10，由線性穩壓芯片、濾波電路和保險電路組成，能夠將AC-DC模塊產生的DC12V電源轉換為DC5V。鋰離子電池及充放電管理模塊11，由3. 7V鋰離子電池、DC-DC 升壓電路、鋰電池充電管理電路組成，主要實現對鋰離子電池充電管理，當外部斷電時將鋰電池3. 7V電壓升至5V電壓，提供給微控制器使用。后備電源自動切換模塊12，由電壓監測電路和軟開關電路組成，能夠不斷監測外部電源，當外部電源斷電時，在2mS內將鋰電池經升壓模塊轉換的5V電源接入微控制器。微控制器13，由8位單片機、時鐘電路、復位電路組成，通過將程序燒錄至單片機，能夠完成傳感器數據采集、計算、邏輯分析與處理等工作，是整個系統的核心元件。所述的信息采集終端包括聲光報警器模組14、數字信號隔離傳輸模塊15、 2. 4GHz無線通訊模塊16、射頻信號放大器17、吸盤天線18、雙自愈CAN總線通訊模塊19、 AC電源線濾波器模塊20、AC-DC模塊21、DC-DC模塊22、鋰離子電池及充放電管理模塊23、 后備電源自動切換模塊24、125KHz低頻信號發射模塊25、棒狀磁性天線26、棒狀磁性天線 27、棒狀磁性天線28、微控制器29。聲光報警器模組14，由高亮LED報警燈、高音揚聲器和驅動電路組成，能夠接收微控制器傳輸來的控制信號，驅動LED報警燈閃爍和高音揚聲器發出報警聲音。數字信號隔離傳輸模塊15,由光電隔離電路構成，實現微控制器發出的數字信號電氣隔離傳輸。2. 4GHz 無線通訊模塊16組成及功能，與車載終端的2. 4GHz無線通訊模塊3相同。射頻信號放大器 17組成及功能，與車載終端的射頻信號放大器4相同。吸盤天線18，由天線和吸盤組成，能夠收發射頻信號，天線能夠安裝于磁性吸盤上，吸盤容易牢固放置于金屬表面。雙自愈CAN 總線通訊模塊19，由CAN收發器、信號光電隔離電路、CAN驅動電路及隔離模塊電源組成，具有SPI接口，能夠將微控制塊發出的數據轉換為CAN協議，并發送到CAN總線上，同時接收 CAN總線上的數據，并發送給微控制器。AC電源線濾波器模塊20、AC-DC模塊21、DC-DC模塊22、鋰離子電池及充放電管理模塊23、后備電源自動切換模塊24組成及功能，分別與與車載終端的AC電源線濾波器模塊8、AC-DC模塊9、DC-DC模塊10、鋰離子電池及充放電管理模塊11、后備電源自動切換模塊12相同。125KHz低頻信號發射模塊25由125KHz信號發生電路和功率放大電路組成，能夠以125KHz電信號驅動棒狀磁性天線向周圍空間發射電磁波。棒狀磁性天線26、棒狀磁性天線27、棒狀磁性天線28由磁芯和線圈構成，主要實現將125KHZ低頻信號發射模塊提供的驅動信號轉換為電磁波發射到周圍空間，三個天線的設計保證了電磁波輻射到范圍更廣的空間。本實施例具體工作過程
電力機車車載終端的機車運行狀態檢測傳感器組I通過軸編碼器和電流傳感器檢測電力機車的運行方向和電機工作電流，然后將信號傳送給傳感器信號隔離傳輸模塊2實現傳感器信號的隔離傳輸，最后送至微控制器13進行分析和處理，同時在微控制器13的控制下，3D磁性一體化天線6和125KHz低頻感應模塊7組成的125KHz頻率感應電路一直檢測周圍空間的125KHz頻率信號，當檢測到125KHz頻率信號時會傳送給微控制器13，微控制器13控制2. 4GHz無線通訊模塊3向安裝于巷道壁的信號采集終端發送數據信號。射頻信號放大器4和PCB天線5組成2. 4GHz無線通訊模塊3的功率放大及信號發射電路， AC電源線濾波器模塊8實現電力機車車載終端電源線濾波，保證供電質量，AC-DC模塊9 將經過濾波的交流電轉換為低壓直流電，DC-DC模塊10實現將AC-DC模塊9轉換完的直流電降壓、穩壓后提供給微控制器13、機車運行狀態檢測傳感器組1、2. 4GHz無線通訊模塊 3和125KHz低頻感應模塊7使用，同時供給鋰離子電池及充放電管理模塊11使用，鋰離子電池及充放電管理模塊11進行鋰離子電池充放電管理，當系統外接電源故障時，后備電源自動切換模塊12自動將鋰離子電池及充放電管理模塊11接入系統，實現不間斷供電。信號采集終端在微控制器29的控制下，由125KHZ低頻信號發射模塊25和棒狀磁性天線26、棒狀磁性天線27、棒狀磁性天線28組成的125KHZ頻率信號發射系統一直向周圍空間發射125KHZ低頻信號，該信號精確調制為直徑3m圓周覆蓋范圍，當電力機車運行到距離信號采集終端3m范圍內時，機車車載終端內部的125KHz低頻感應模塊7能夠檢測到該信號，并激活電力機車車載終端內由2. 4GHz無線通訊模塊16、射頻信號放大器17和吸盤天線18組成的2. 4GHz無線通訊電路，并與電力機車車載終端內的2. 4GHz無線通訊電路建立數據連接及通訊，接收電力機車車載終端2. 4GHz無線通訊電路傳輸來的電力機車的運行方向和電機工作電流信號，并送微控制器29進行數據處理，同時微控制器29發出控制信號給數字信號隔離傳輸模塊15，由數字信號隔離傳輸模塊15實現控制信號的隔離傳輸， 聲光報警器模組14接收數字信號隔離傳輸模塊15傳輸來的控制信號，發出聲光報警，提醒工作人員注意安全。AC電源線濾波器模塊20實現電力機車車載終端電源線濾波，保證供電質量，AC-DC模塊21將經過濾波的交流電轉換為低壓直流電，DC-DC模塊22實現將 AC-DC模塊21轉換完的直流電降壓、穩壓后提供給微控制器29、聲光報警器模組14、2. 4GHz 無線通訊模塊26和125KHZ低頻信號發射模塊25，同時供給鋰離子電池及充放電管理模塊 23使用，鋰離子電池及充放電管理模塊23進行鋰離子電池充放電管理，當系統外接電源故障時，后備電源自動切換模塊24自動將鋰離子電池及充放電管理模塊23接入系統，實現不間斷供電。
權利要求
1.一種礦山井下電力機車運行監測系統，其特征在于在巷道內間隔設置多臺信息采集終端，通過屏蔽雙絞線電纜將每臺信息采集終端并行聯接，屏蔽雙絞線電纜的另一端經副井與地面調度中心監控主機連接，電力機車上安裝有車載終端；信號采集終端不斷向周圍空間發射低頻信號，當電力機車運行到距離信號采集終端的發射范圍內時，車載終端檢測到該信號，立即喚醒通訊模塊，并與該信號采集終端進行無線通訊，車載終端將采集到的電力機車信息通過無線傳輸至該信號采集終端，該信號采集終端將獲取的上述信息通過 CAN總線傳輸至地面調度中心監控主機，地面調度中心監控主機對收到的信息進行處理，并控制電力機車將要到達的下一個信息采集終端，發出報警器。
2.如權利要求I所述礦山井下電力機車運行監測系統，其特征在于所述的地面調度中心監控主機上安裝有井下巷道3D模擬軟件，將收到的信息顯示在模擬巷道界面上，包括機車當前位置及電力機車信息。
3.如權利要求I或2所述礦山井下電力機車運行監測系統，其特征在于所述的車載終端采集電力機車信息，包括電機車主電機軸瓦溫度、工作電流、接觸網電壓、啟動和停止狀態、運行方向。
4.如權利要求I或2所述礦山井下電力機車運行監測系統，其特征在于信息采集終端設置在巷道壁上，每間隔十米設置一臺；信息采集終端不斷向周圍空間發射125KHZ低頻信號，該信號精確調制為直徑三米圓周覆蓋范圍。
5.如權利要求I或2所述礦山井下電力機車運行監測系統，其特征在于所述的車載終端包括機車運行狀態檢測傳感器組I、傳感器信號隔離傳輸模塊2、2. 4GHz無線通訊模塊.3、射頻信號放大器4、PCB天線5、3D磁性一體化天線6、125KHz低頻感應模塊7、AC電源線濾波器模塊8、AC-DC模塊9、DC-DC模塊10、鋰離子電池及充放電管理模塊11、后備電源自動切換模塊12、微控制器13 ;所述的信息采集終端包括聲光報警器模組14、數字信號隔離傳輸模塊15、2. 4GHz無線通訊模塊16、射頻信號放大器17、吸盤天線18、雙自愈CAN總線通訊模塊19、AC電源線濾波器模塊20、AC-DC模塊21、DC_DC模塊22、鋰離子電池及充放電管理模塊23、后備電源自動切換模塊24、125KHz低頻信號發射模塊25、棒狀磁性天線26、棒狀磁性天線27、棒狀磁性天線28、微控制器29 ；電力機車車載終端的機車運行狀態檢測傳感器組I通過軸編碼器和電流傳感器檢測電力機車的運行方向和電機工作電流，然后將信號傳送給傳感器信號隔離傳輸模塊2實現傳感器信號的隔離傳輸，最后送至微控制器13進行分析和處理，同時在微控制器13的控制下，3D磁性一體化天線6和125KHz低頻感應模塊7組成的125KHz頻率感應電路一直檢測周圍空間的125KHz頻率信號，當檢測到125KHz頻率信號時會傳送給微控制器13，微控制器13控制2. 4GHz無線通訊模塊3向安裝于巷道壁的信號采集終端發送數據信號，射頻信號放大器4和PCB天線5組成2. 4GHz無線通訊模塊3的功率放大及信號發射電路， AC電源線濾波器模塊8實現電力機車車載終端電源線濾波，保證供電質量，AC-DC模塊9 將經過濾波的交流電轉換為低壓直流電，DC-DC模塊10實現將AC-DC模塊9轉換完的直流電降壓、穩壓后提供給微控制器13、機車運行狀態檢測傳感器組1、2. 4GHz無線通訊模塊 3和125KHz低頻感應模塊7使用，同時供給鋰離子電池及充放電管理模塊11使用，鋰離子電池及充放電管理模塊11進行鋰離子電池充放電管理，當系統外接電源故障時，后備電源自動切換模塊12自動將鋰離子電池及充放電管理模塊11接入系統，實現不間斷供電；信號采集終端在微控制器29的控制下，由125KHZ低頻信號發射模塊25和棒狀磁性天線26、棒狀磁性天線27、棒狀磁性天線28組成的125KHz頻率信號發射系統一直向周圍空間發射125KHz低頻信號，該信號精確調制為直徑3m圓周覆蓋范圍，當電力機車運行到距離信號采集終端3m范圍內時，機車車載終端內部的125KHz低頻感應模塊7能夠檢測到該信號，并激活電力機車車載終端內由2. 4GHz無線通訊模塊16、射頻信號放大器17和吸盤天線 18組成的2. 4GHz無線通訊電路，并與電力機車車載終端內的2. 4GHz無線通訊電路建立數據連接及通訊，接收電力機車車載終端2. 4GHz無線通訊電路傳輸來的電力機車的運行方向和電機工作電流信號，并送微控制器29進行數據處理，同時微控制器29發出控制信號給數字信號隔離傳輸模塊15，由數字信號隔離傳輸模塊15實現控制信號的隔離傳輸，聲光報警器模組14接收數字信號隔離傳輸模塊15傳輸來的控制信號，發出聲光報警，提醒工作人員注意安全，AC電源線濾波器模塊20實現電力機車車載終端電源線濾波，保證供電質量， AC-DC模塊21將經過濾波的交流電轉換為低壓直流電，DC-DC模塊22實現將AC-DC模塊 21轉換完的直流電降壓、穩壓后提供給微控制器29、聲光報警器模組14、2. 4GHz無線通訊模塊26和125KHz低頻信號發射模塊25，同時供給鋰離子電池及充放電管理模塊23使用， 鋰離子電池及充放電管理模塊23進行鋰離子電池充放電管理，當系統外接電源故障時，后備電源自動切換模塊24自動將鋰離子電池及充放電管理模塊23接入系統，實現不間斷供電。
全文摘要
本發明涉及一種礦山井下電力機車運行監測系統，屬于礦山井下信息自動化技術領域。技術方案是在巷道內間隔設置多臺信息采集終端，與地面調度中心監控主機連接，電力機車上安裝有車載終端；信號采集終端不斷向周圍空間發射低頻信號，車載終端檢測到該信號，并與該信號采集終端進行無線通訊，將信息通過CAN總線傳輸至地面調度中心監控主機進行處理。本發明實現了井下電力機車運行區間位置信息和機車運行參數的遠程監測，為實現井下電力機車智能化調度提供了平臺，實現電力機車運行參數的檢測及故障的早期預警，保證了井下運輸作業的正常，具有機車通行路口的語音和燈光自動提醒，為井下作業人員安全提供了保障。
文檔編號G05B19/418GK102591304SQ20121005756
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月7日 優先權日2012年3月7日
發明者南世卿, 王亞東 申請人:河北鋼鐵集團有限公司, 河北鋼鐵集團礦業有限公司