基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测系统及方法

777 编辑：中冶有色技术网来源：中国矿业大学

2023-11-21 14:06:38

权利要求书： 1.一种基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测系统，其特征在于：该系统包括分布式智能托辊集群、上位机和PLC控制系统；所述分布式智能托辊集群由数据采集托辊、环境数据采集托辊、数据中继托辊和危险报警托辊组成；

所述数据采集托辊由数据采集模块、自供能模块、无线通讯模块和托辊组成；其中数据采集模块共两组，分别安装于托辊内部左右两侧，其上搭载用于采集托辊状态数据的传感器；自供能模块安装于托辊中部；无线通讯模块安装于托辊轴轴端；自供能模块为数据采集模块和无线通讯模块提供电能，数据采集模块通过无线通讯模块将采集的数据发送至上位机；

所述数据中继托辊，是以数据采集托辊为基础，额外安装了数据中继模块；数据中继模块安装于托辊内部，用于数据采集托辊、环境数据采集托辊、危险报警托辊与上位机间的数据转发与信息交互；

所述环境数据采集托辊，是以数据采集托辊为基础，额外安装了环境数据采集模块；该模块安装于托辊外托辊轴的一端，其上搭载了环境监测传感器；

所述危险报警托辊，是以数据采集托辊为基础，额外安装了危险报警模块；该模块安装在托辊外托辊轴的一端，其上配备有报警器；

每一个分布式智能托辊集群具有至少一个数据中继托辊和若干个数据采集托辊，环境数据采集托辊和危险报警托辊既可布置多个，也可由多个分布式智能托辊集群共用一个；多组分布式智能托辊集群依次相连布置于带式输送机上，通过数据采集托辊和环境数据采集托辊采集带式输送机状态数据；同一分布式智能托辊集群中的所有状态数据均发送给数据中继托辊，并由数据中继托辊统一发送给上位机；上位机根据带式输送机实时状态对PLC控制系统发送控制指令。

2.基于权利要求1所述的系统实现的基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

(1)多组分布式智能托辊集群首尾相连布置于带式输送机上，通过数据采集托辊和环境数据采集托辊上搭载的传感器采集带式输送机状态数据；

(2)数据采集托辊和环境数据采集托辊将采集到的状态数据发送给对应的分布式智能托辊集群中的数据中继托辊，再由数据中继托辊统一转发给上位机；

(3)上位机首先对状态数据分类：将数据采集托辊收集的振动和转速数据分解为托辊、皮带、物料的振动数据和托辊、皮带的速度数据；

(4)以步骤(3)获得数据为基础，依靠智能算法进行大数据分析，分别获得托辊、皮带、物料、环境的实时状态，并将实时状态显示在上位机界面上，实现带式输送机状态监测功能；上位机根据带式输送机实时状态对PLC控制系统下达控制指令，实现带式输送机的智能控制功能；

(5)若存在异常、故障或灾害信息，上位机向数据中继托辊发送报警指令，再由数据中继托辊转发给对应的危险报警托辊，启动危险报警模块，实现危险报警或灾害预警功能。

说明书：一种基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测系统及方法技术领域

本发明属于带式输送机智能检测技术领域，具体涉及一种基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测系统及方法。

背景技术

带式输送机是常见的物料运输设备，被广泛的应用在各类工业生产过程中。由于带式输送机运输距离长、组成部件多、运行环境复杂，在长时间高强度工作状态下极易出现各种健康问题，尤其在井工煤矿、石油石化、化工燃气等具有防爆安全需求的运输场合中，带式输送机故障甚至可能引发重大安全事故。因此对带式输送机及其周围环境的状态监测是提高带式输送机使用安全和生产效率的重要举措。

目前，带式输送机的日常检测仍以人工巡检为主，但带式输送机的待检里程长、待测部件多，导致人工巡检的效率低、精度差，难以满足带式输送机的检测要求。针对这一问题，国内外专家已经开发出了多种带式输送机巡检机器人，虽然巡检机器人可以代替人工实现高精度智能化检测，但受到如轨道、自身结构、传感器范围等问题的限制，巡检机器人存在检测盲区。且巡检这一检测形式对于带式输送机这种长距离设备来说存在较长的检测空窗期，不能实时监测整机状态，可能错过最佳检测时间。还有学者提出了通过布置传感器网络监测带式输送机状态的方法，但带式输送机的运动部件极多，传感器难以布置。且传感器网络需要配备能量供给线路、信息传输网络等配套设施，在如矿井等空间狭小、资源有限的运输环境下难以实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为解决矿井、化工生产等具有防爆需求或用电限制环境下的带式输送机整机及其周围环境的实时状态监测问题，本发明提出了一种基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测系统及方法。

为了解决上述问题，本发明提出了如下技术方案：一种基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测系统，包括分布式智能托辊集群、上位机和PLC控制系统；所述分布式智能托辊集群由数据采集托辊、环境数据采集托辊、数据中继托辊和危险报警托辊组成；

所述数据采集托辊由数据采集模块、自供能模块、无线通讯模块和托辊组成；其中数据采集模块共两组，分别安装于托辊内部左右两侧，其上搭载用于采集托辊状态数据的传感器；自供能模块安装于托辊中部；无线通讯模块安装于托辊轴轴端；自供能模块为数据采集模块和无线通讯模块提供电能，数据采集模块通过无线通讯模块将采集的数据发送至上位机；

所述数据中继托辊，是以数据采集托辊为基础，额外安装了数据中继模块；数据中继模块安装于托辊内部，用于数据采集托辊、环境数据采集托辊、危险报警托辊与上位机间的数据转发与信息交互；

所述环境数据采集托辊，是以数据采集托辊为基础，额外安装了环境数据采集模块；该模块安装于托辊外托辊轴的一端，其上搭载了环境监测传感器；

所述危险报警托辊，是以数据采集托辊为基础，额外安装了危险报警模块；该模块安装在托辊外托辊轴的一端，其上配备有报警器；

每一个分布式智能托辊集群具有至少一个数据中继托辊和若干个数据采集托辊，环境数据采集托辊和危险报警托辊既可布置多个，也可由多个分布式智能托辊集群共用一个；多组分布式智能托辊集群依次相连布置于带式输送机上，通过数据采集托辊和环境数据采集托辊采集带式输送机状态数据；同一分布式智能托辊集群中的所有状态数据均发送给数据中继托辊，并由数据中继托辊统一发送给上位机；上位机根据带式输送机实时状态对PLC控制系统发送控制指令。

基于上述系统，本发明还提出一种基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测方法，具体步骤如下：

(1)多组分布式智能托辊集群首尾相连布置于带式输送机上，通过数据采集托辊和环境数据采集托辊上搭载的传感器采集带式输送机状态数据；

(2)数据采集托辊和环境数据采集托辊将采集到的状态数据发送给对应的分布式智能托辊集群中的数据中继托辊，再由数据中继托辊统一转发给上位机；

(3)上位机首先对状态数据分类：将数据采集托辊收集的振动和转速数据分解为托辊、皮带、物料的振动数据和托辊、皮带的速度数据；

(4)以步骤(3)获得数据为基础，依靠智能算法进行大数据分析，分别获得托辊、皮带、物料、环境的实时状态，并将实时状态显示在上位机界面上，实现带式输送机状态监测功能；上位机根据带式输送机实时状态对PLC控制系统下达控制指令，实现带式输送机的智能控制功能；

(5)若存在异常、故障或灾害信息，上位机向数据中继托辊发送报警指令，再由数据中继托辊转发给对应的危险报警托辊，启动危险报警模块，实现危险报警或灾害预警功能。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

与现有以巡检机器人、布置传感器等方式为主的带式输送机状态监测系统相比，本发明将带式输送机自身的承托部件——托辊作为检测装置的载体，充分利用带式输送机自身的结构特点和运动特点，形成以分布式智能托辊集群为核心的状态监测系统。由于该系统中的数据采集、数据传输、电能供给、预警报警等功能均由托辊实现，无需安装额外设备或辅助设施，极大地增加了空间利用率，对于矿井等空间受限条件下的运输情景具有应用潜力。又由于托辊密集分布于带式运输机上，对于带式输送系统，尤其是长距离带式运输系统具有极高的覆盖率，因此由托辊组成的状态监测网络监测范围广、监测密度高，可实现对整个带式输送机及其周围环境的系统性监测。

附图说明

图1为本发明的监测系统示意图；

图2为分布式智能托辊集群示意图；

图3为数据采集托辊结构图；

图4为环境数据采集托辊结构图；

图5为数据中继托辊结构图；

图6为危险报警托辊结构图；

图7为带式输送机状态监测系统原理图。

图中：1分布式智能托辊集群；1-1数据采集托辊；1-1-1数据采集模块；1-1-2自供能模块；1-1-3无线通讯模块；1-1-4托辊；1-2环境数据采集托辊；1-2-1环境数据采集模块；1-3数据中继托辊；1-3-1数据中继模块；1-4危险报警托辊；1-4-1危险报警模块；2上位机；3PLC控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步解释：

本发明提出的基于多功能智能托辊的带式输送机状态监测系统，利用多种具有不同功能的智能托辊、PLC控制系统和上位机形成一个具有数据采集、信息传输、数据分析、状态识别、智能控制、危险预警能力的监测系统，实现带式输送机的实时状态监测。如图1所示，该系统包括分布式智能托辊集群1、上位机2、PLC控制系统3。

分布式智能托辊集群1如图2所示，由数据采集托辊1-1、环境数据采集托辊1-2、数据中继托辊1-3、危险报警托辊1-4组成。实际实施时的布置形式应根据检测需求、传感器检测范围、报警器报警距离、通讯距离等因素综合考虑。

其中数据采集托辊1-1如图3所示，包括数据采集模块1-1-1、自供能模块1-1-2、无线通讯模块1-1-3和托辊1-1-4。所述数据采集模块1-1-1共两组，分别安装于托辊1-1-4内部左右两侧，其上可搭载多种传感器，本实施例中以温度传感器、加速度传感器和转速传感器为例说明其功能及原理，实际实施时可根据实际需求选用其他传感器，则该模块可测量托辊1-1-4内部温度变化，托辊1-1-4、皮带、带面物料的振动情况和托辊1-1-4转速；自供能模块1-1-2安装于托辊1-1-4中部，本实施例以电磁式发电装置为例说明自供能功能的可行性，实际实施时也可使用其他发电形式，由于托辊1-1-4具有外壳自转的特点，若将永磁体安装于外壳内侧，定子铁芯安装于托辊轴上，则可实现托辊1-1-4自发电功能；无线通讯模块1-1-3，安装于托辊1-1-4轴端，具有无线信号收发能力，可实现数据的发送和接收；自供能模块1-1-2为数据采集模块1-1-1和无线通讯模块1-1-3提供电能，数据采集模块1-1-1通过无线通讯模块1-1-3将采集的数据发送至上位机2。

环境数据采集托辊1-2如图3所示，该托辊具备数据采集托辊1-1的全部结构和功能，并在此基础上额外安装了环境数据采集模块1-2-1，此模块安装于托辊1-4外，托辊轴的一端，其上可搭载多种环境监测传感器，本实施例中以环境温度传感器、烟雾传感器、拾音器和多功能气体传感器为例说明其功能及原理，实际实施时可根据实际需求选用其他传感器，则该模块可采集带式输送机及其周围环境的温度、烟雾、声音和有害气体相关环境参量，为火灾、气体泄漏、设备故障等事故灾害的报警或预警提供数据支持。

数据中继托辊1-3如图4所示，该托辊具备数据采集托辊1-1的全部结构和功能，并在此基础上额外安装了数据中继模块1-3-1，此模块安装于托辊1-4内部，配合无线通讯模块1-1-3，可实现大批量数据的无线接收和发送，用于托辊(数据采集托辊1-1、环境数据采集托辊1-2、危险报警托辊1-4)与上位机2间的数据转发与信息交互。

危险报警托辊1-4如图5所示，该托辊具备数据采集托辊1-1的全部结构和功能，并在此基础上额外安装了危险报警模块1-4-1，此模块安装于托辊1-4外，托辊轴的一端，其上可搭载多种报警器，本实施例中以声学报警器和光学报警器为例说明其功能及原理，实际实施时可根据实际需求选用其他报警器，该模块在接收到报警指令后，可通过报警提示音和光学警示灯的形式发布危险报警或灾害预警信号。

分布式智能托辊集群1由上述四种托辊组成，原则上每一个分布式智能托辊集群应具有至少一个数据中继托辊1-3和若干个数据采集托辊1-1，而环境数据采集托辊1-2和危险报警托辊1-4既可布置多个，也可由多个分布式智能托辊集群1共用一个。

在图2中采用的是每个分布式智能托辊集群1布置1个数据中继托辊1-3、2个环境数据采集托辊1-2、2个危险报警托辊1-4和若干数据采集托辊1-1的布置形式。实际实施时的布置形式应根据检测需求、传感器检测范围、报警器报警距离、通讯距离等因素综合考虑，本实施例仅提供方法，不做具体限制。

上位机2可以是个人计算机、工控电脑、大型工作站或其他相似设备，应具有接收、存储、发送带式输送机状态数据的能力，还应具备数据分类、状态大数据分析等数据处理功能。PLC控制系统3一般为带式输送机配套的控制系统，可控制输送机进行加速、减速或启停等动作。

基于上述系统，提出一种带式输送机状态监测方法，具体步骤如下：

(1)多组分布式智能托辊集群1首尾相连布置于带式输送机上，通过数据采集托辊1-1和环境数据采集托辊1-2上搭载的传感器采集带式输送机状态数据；由本实施例中所选传感器可采集托辊的温度、振动、转速数据和环境的温度、烟雾、声音、气体数据；

(2)数据采集托辊1-1和环境数据采集托辊1-2将采集到的状态数据发送给对应的分布式智能托辊集群1中的数据中继托辊1-3，再由数据中继托辊1-3统一转发给上位机2；

(3)上位机2首先对状态数据分类：由于皮带与托辊直接接触，皮带及物料引发的振动会传导到托辊上，基于这一原理，上位机2中的数据分类算法可将数据采集托辊1-1收集的振动和转速数据分解为托辊、皮带、物料的振动数据和托辊、皮带的速度数据；

(4)以步骤(3)获得数据为基础，依靠智能算法进行大数据分析，分别获得托辊、皮带、物料、环境的实时状态，并将实时状态显示在上位机2界面上，实现带式输送机状态监测功能；上位机2根据带式输送机实时状态对PLC控制系统3下达控制指令，实现带式输送机的智能控制功能；

(5)若存在异常、故障或灾害信息，上位机2向数据中继托辊1-3发送报警指令，再由数据中继托辊1-3转发给对应的危险报警托辊1-4，启动危险报警模块1-4-1，实现危险报警或灾害预警功能。