[发明专利]基于吊桶运行安全综合防护系统的吊桶松绳故障检测方法

权利要求书

1.一种基于吊桶运行安全综合防护系统的吊桶松绳故障检测方法，其特征在于，所述松绳故障检测方法包括如下步骤：

1)数据采集与数值转换

由六轴加速度计(3)分别采集得到吊桶运行的三个线加速度值AdcA_AccX、AdcA_AccY、AdcA_AccZ，与三个角加速度值AdcA_GyroX、AdcA_GyroY、AdcA_GyroZ；而后经过数值转换处理，得到具有真实物理意义的数据，即三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ；具体如下：

式中，σ_Acc为线加速度计的灵敏，γ_Acc为控制器采集线加速度数据的AD转换系数，AdcA_AccX0、AdcA_AccY0、AdcA_AccZ0分别为三个线加速度采集通道的零位基准值；

式中，σ_Gyro为角加速度计的灵敏，γ_Gyro为控制器采集角加速度数据的AD转换系数，AdcA_GyroX0、AdcA_GyroY0、AdcA_GyroZ0分别为三个角加速度采集通道的零位基准值；

2)计算吊桶运行加速度

根据步骤(1)得到的三个线加速度值A_AccX、A_AccY、A_AccZ，与三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ进行数据融合处理，得到吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ；具体如下：

首先，由第n组三个角加速度值A_GyroX、A_GyroY、A_GyroZ计算出对应的三个线加速度值R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ，设第n组的合成加速度在XZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_XZ(n)，在YZ平面内的投影与Z轴的夹角为θ_YZ(n)，在XY平面内的投影与Y轴的夹角为θ_XY(n)，控制系统采样周期为t，则：

而后，结合由控制系统采集到的线加速度A_AccX、A_AccY、A_AccZ，和由角加速度计算出的线加速度R_GyroX、R_GyroY、R_GyroZ进行数据融合，得出吊桶运行过程中三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ：

式中，ε_Gyro为角加速度的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为5～20；

3)计算吊桶当前姿态

根据步骤(2)得到的吊桶三个方向的实时加速度值A_BuckX、A_BuckY、A_BuckZ，通过矢量分解的方法，可以求出吊桶在三个方向上的倾斜角度θ_BuckX、θ_BuckY、θ_BuckZ，设吊桶运行加速度的矢量合为A_Buck，则：

A_Buck＝(A_BuckX²+A_BuckY²+A_BuckZ²)^1/2

如果吊桶的在X方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdX，则标识符F_LeanX为1；如果吊桶的在Y方向上的倾斜角度超过规定值θ_StdY，则标识符F_LeanY为1；如果F_LeanX与F_LeanY任意一个为1，则系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_LeenX＝sgn(|θ_BuckX|-θ_StdX)

F_LeenY＝sgn(|θ_BuckY|-θ_StdY)；

4)计算吊桶运行速度

根据步骤(2)得到的吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ，利用积分得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc；而后由激光测距仪(5)得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las；之后将两种方式得到的吊桶速度进行融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck，如果吊桶运行速度超过规定值，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；具体如下：

首先，对吊桶在垂直方向上的线加速度A_BuckZ进行数值积分，得到基于加速度计的吊桶运行速度V_Acc，设第n组数据时，吊桶运行速度为V_Acc(n)，第n+1组数据时，当吊桶在垂直方向上的线加速度为A_BuckZ(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于加速度计的吊桶速度V_Acc(n+1)为：

V_Acc(n+1)＝V_Acc(n)+A_BuckZ(n+1)t

而后，由激光测距仪得到吊桶下方距井底的距离D_Las，利用数值微分得到基于激光测距仪的吊桶运行速度V_Las，设第n组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n)，第n+1组数据时，激光测距仪数据为D_Las(n+1)，控制系统采样周期为t，则基于激光测距仪的吊桶速度V_Las(n+1)为：

V_Las(n+1)＝(D_Las(n+1)-D_Las(n))/t

最后，结合式中基于加速度计的吊桶速度V_Acc，和基于激光测距仪的吊桶速度V_Las进行数据融合，得出最终的吊桶运行速度V_Buck：

V_Buck＝(1+κ_Las)(V_Acc+κ_LasV_Las)

式中，κ_Las为激光测速的加权系数，根据现场情况进行调节，取值范围为3～9；

如果吊桶运行速度超过规定值V_Std，则标识符F_Speed为1，系统立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，向地面操作人员发报警；

F_Speed＝sgn(|V_Buck|-V_Std)；

5)数据分析

由上述步骤4)得到的吊桶运行速度V_Buck，结合PLC控制器获得的地面绞车升降钢丝绳速度V_Wire，利用钢丝绳运行速度V_Wire与吊桶运行速度V_Buck的差值与设定的安全差值V_Dif进行对比，来判断吊桶是否发生了松绳故障：

F_Losse＝sgn(|V_Wire|-|V_Buck|-V_Dif)

式中，F_loose为松绳故障标识，其值为1时表示探测到松绳风险，另外，需要根据现场情况，对V_Dif进行调节，其取值范围为V_Wire数值的10％～15％；

6)故障处理

根据式的计算结果，如果判断出吊桶发生了松绳故障，则立即将故障信息通过无线传输子系统发送至地面保护子系统与远程监视子系统，并通过PLC控制器进行吊桶运行制动以及其他的故障处理措施。