Беспроводная система контроля состояния массива горных пород

 

БЕСПРОВОДНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, содержащая приеморегистрирующее устройство с антенной и радиодатчики, каждый из которых содержит источник питания - с ключевым элементом, реле времени, выход которого соединен с управляющим входом ключевого элемента источника питания, первичный преобразователь, выход которого соединен с входом преобразователя аналог-код , блок выработки кода адреса, выход которого соединен с первым входом импульсного радиопередатчика, отличающаяся тем, что, с целью повьшения надежности за счет увеличения числа точек контроля и снижения уровня внутрисистемных помех в месте приема, она снабжена счетчиков циклов и устройством адаптивной по времени выборки, вьшолненным в виде блока сравнения текущего значения контролируемого параметра с последним переданным, запоминающего устройства последнего переданного значения , ключевого элемента и блока управления , установленных на радиодатчиках , причем выход преобразователя аналог-код соединен с входом блока сравнения текущего значения контролируемого параметра с последним переданным , выход которого соединен с первым входом блока управления, и с входом запоминающего устройства последнего переданного значения, выход которого соединен с входами блока сравнения текущего значения контролируемого параметра с последним % переданным и управляемым входом ключевого элемента, выход которого сое (Л динен с вторым входом импульсного радиопередатчика , управляющий вход блока выработки кода адреса подключен к выходу блока управления, другие соответствующие выходы которого ,соединены с управляющими входами ключевого элемента, преобразователя аналог-код, запоминающего устройства последнего переданного значения , блока сравнения текущего значения контролируемого параметра с последним переданным,входами сбро са реле времени и счетчика циклов и счетным входом счетчика циклов, выход которого соединен с вторым входом блока управления, при этом счетчик циклов и запоминающее устройство последнего переданного значения подсоединены к автономному источнику питания непосредственно, а остальные блоки радиодатчика - через ключевой элемент питания .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (l1) 2 3 А

150 4 Е 21 С 39/00 фу ь:;-, /

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfTHA (21) 3752840/22-03 (22) 12.06.84 (46) 15.12.85.Бюл.9 46 (71) Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт (72) MôMåÌàíóêÿí (53) 622.831.53 (088.8) (56) Ямщиков В.С., Павлов Л.Л, Манукян М.M. и др. Система беспроводного контроля устойчивости массива для подземных рудников. — Горный журн - ь 1977ь 3, с.62-64, Манукян М.М.Исследование и разра.ботка беспроводной системы контроля устойчивости массива при производстве горных работ. Канд,дис., МГИ. 1977. (54)(57) БЕСПРОВОДНАЯ СИСТЕМА КОНТРО-, ЛЯ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, содержащая приеморегистрирующее устройство с антенной и радиодатчики, каждый из которых содержит источник питания . с ключевым элементом, реле времени, выход которого соединен с управляющим входом ключевого элемента источника питания, первичный преобразователь, выход которого соединен с входом преобразователя аналог-код, блок выработки кода адреса, выход которого соединен с первым входом импульсного радиопередатчика, отличающаяся тем, что, с целью повьппения надежности за счет увеличения числа точек контроля и снижения уровня внутрисистемных помех в месте приема, она снабжена счетчиков циклов и устройством адаптивной .по времени выборки, выполненным в виде блока сравнения текущего значения контролируемого параметра с последним переданным, запоминающего устройства последнего переданного значения, ключевого элемента и блока управления, установленных на радиодатчиках, причем выход преобразователя аналог-код соединен с входом блока сравнения текущего значения контролируемого параметра с последним переданным, выход которого соединен с первым входом блока управления, и с входом запоминающего устройства последнего переданного значения, выход которого соединен с входами блока сравнения текущего значения контролируемого параметра с последним переданным и управляемым входом ключевого элемента, выход которого соединен с вторым входом импульсного радиопередатчика, управляющий вход блока выработки кода адреса подключен к выходу блока управления, другие соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами ключевого элемента, преобразователя аналог-код, запоминающего устройства последнего переданного значения, блока сравнения текущего значения контролируемого параметра с последнии переданным, входами сброса реле времени и счетчика циклов и счетным входом счетчика циклов, выход которого соединен с вторым входом блока управления, при этом счетчик циклов и запоминающее устройство последнего переданного значения подсоединены к автономному источнику питания непосредственно, а остальные блоки радиодатчика — через ключевой элемент питания.

1198203

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для контроля состояния гор» ной выработки.

Цель изобретения - повышение надежности за счет увеличения числа точек контроля и снижения уровня внутрисистемных помех в месте приема.

На фиг.l показана структурная схема беспроводной системы контроля состояния массива горных пород (сплошными линиями показаны информационные связи, а пунктирными— цепи питания); на фиг. 2 и 3 — временные диаграммы, поясняющие работу системы контроля.

Система включает реле 1 времени (РВ), выход которого подключен к управляющему входу ключевого элемента 2 питания (КП). Источник 3 питания (HII) подсоединен к клеммам питания РВ 1, ключа 2 питания, счетчика 4 циклов (СЦ) и запоминающего устройства 5 последнего переданного значения (ЗУП) устройства 6 адаптивной по времени выборки (УАВ) . Выход блока 7 управления (БУ) подсоединен к управляющему входу преобразователя 8 аналог-код (ПАК), вход которого соединен с выходом первичного преобразователя 9 (ПП), а также к управляющим входам блока 10 сравнения текущего значения с последним переданным (HCTII), ключевого элемента 11 (К), блока 12 кода адреса (БКА) и ЗУП S. Входы сброса реле 1 времени и счетчика 4 циклов и счетный вход счетчика 4 циклов подсоединены к выходам блока 7 управления. Выход счетчика 4 циклов соединен с вторым входом блока 7 управления. Выход ЗУП 5 подсоединен к входу

БСТП 10 и ключевому элементу 11, а выход БСТП 1Π— к первому входу блока 7 управления. Выходы ключевого элемента 11 и блока 12 кода адреса подсоединены к импульсному передатчику 13 радиодатчика (11) .

Емкость Я счетчика циклов выбирается из выражения

10 К

6 Рсб где К - общее число радиодатчиков, обслуживаемых одним частотным каналом приеморегистратора;

Р— допустимая вероятность сбоя

СБ информации в месте приема;

@ = = — требуемая скважность работы

L радиодатчиков, где Т - период измерения контролируемого параметра радиодатчиком;

5 — длительность посылки, излучаемой радиодатчиком.

Система работает следующим .образом.

В одном частотном канале приеморегистрирующего устройства 14 (ПР) в импульсном режиме работаютI(радиодатчиков. Радиодатчики на фиг.l обозначены римскими цифрами (1,11,...К) и ограничены штрихпунктирной линией.

15 В каждом радиодатчике реле .1 времени периодически с периодом Т вырабатывает короткие импульсы с длительностью

Скважность работы радиодатчиков

20 g = Т/7, Под действием этих импуль-., сов включается ключ 2 питания, который подключает все блоки радиодатчика к источнику 3 питания. Исключение составляют счетчик 4 циклов и ЗУП 5, 25 которые подключены к источнику 3 питания непосредственно, Ilo окончании переходного процесса от включения источника 3 пита30 ния блок 7 управления вырабатывает импульс на управляющий вход преобразователя 8 аналог-код. Последний преобразует аналоговую информацию от первичного преобразователя 9 в двоичный код и подает ее на входы БСТП 10 и ЗУП 5, принадлежащие УАВ 6, алгоритм работы которого в общем случае заключается в выработке разности 6 между текущим и последним переданным

4б значением измеряемого параметра и сопоставлении ее с наперед установленным порогом Ь „ р . Если 1< > hop в то текущая информация запоминается в запоминающем устройстве 5 послед45 него переданного значения и передается через открытый ключ ll на выход.

В противном случае ключ 11 остается закрытым и текущая информация на выход не проходит. В запоминающем устройстве 5 последнего переданного значения сохраняется информация о последнем переданном на выход значении, В данном случае, при использоваS5 нии УАВ 6 в составе асинхронной системы контроля, если ) 4 = А дор то блок 7 управления вырабатывает импульсы, которые поступают на

1198203 4 кает цепи блока 7 управления, вырабатывающие управляющие импульсы на блок 12 кода адреса и ключ 11. На ди-. аграмме 18 показан управляющий импульс с блока 7 управления, который . подается на управляющий вход блока 12 кода адреса и длится с момента Т до момента tz . В этот интервал блок 12 кода адреса вырабатывает

l0 код адреса, который подается на пере15 интервал текущая информация с ЗУП 5 через ключ 11 в двоичном коде подается на передатчик 13. На диаграмме 20 показан импульс сброса с блока 7 уп20 равления, который вырабатывается в момент и своим передним фронтом сбрасывает счетчик 4 циклов на ноль °

1 На диаграмме 22 показано состояние счетчика циклов 4 с емкостью 11 = 6 °

25 До момента t> в счетчике 4 циклов было записано число 4, т.е. 4 цикла подряд выполнялось условие

/ d/ h ((qp ° В момент kg > когда при ходит передний фронт импульса сброса

30 (диаграмма 20), счетчик обнуляется.

На диаграмме 23 показан импульс сброса с блока 7 управления, который вырабатывается в момент 1 и своим задним фронтом в момент 1 6 прекра-: щает генерацию рабочего импульса реле времени.

B правой части временных диаграми, изображенных на фиг.2, представлен случай, когда !Д14 Д„р .

40 На диаграмме 15 показан рабочий импульс реле 1 времени длительностью который начинается в момент ( ( и заканчивается в момент Е . На диаграмме 16 показан импульс с блока 7 управления, который вырабатывается в момент Е и своим передним ( фронтом запускает преобразователь 8 аналог-код. Поскольку / Д (а Д „ пор1 в момент БСТП 10 не вырабатывает запускающий импульс на блоке 7 управления, Поэтому на диаграммах 17-20 импульсы с блока 7 управления отсут-. ствуют. На диаграмме 21 показан счет. ный импульс с блока 7 управления,, который вырабатывается в момент t g управляющие входы ключа 11 и блока 12 кода адреса. При этом на импульсный передатчик 13 сначала поступает адресная информация с блока 12 кода адреса, а затем текущая информация с ключа 11. Импульсный передатчик 13 последовательно в двоичном коде излучает данную информацию, которая принимается и регистрируется приеморегистрирующим устройством 14. После этого блок 7 управления вырабатывает импульсы сброса на реле 1 времени и счетчике 4 циклов, которые обцуляют счетчик 4 циклов и прекращают генерацию рабочего импульса длительностью 1 реле 1 времени, Если же Jh(< Ап(,р, то блок 7 управления не включает ключ 11 и блок 12 кода адреса, а сразу вырабатывает импульс сброса, поступающий на вход сброса реле 1 времени, и (счетный; импульс, поступающий на счетный вход счетчика 4 циклов. После чего реле времени прекращает выработку рабочего импульса, а содержимое счетчика 4,циклов:увеличивается на единицу. Если условие / ь i < Д „ор будет выполнено подряд tq раз (где fq ,емкость счетчика 4 циклов), то счетчик 4 циклов переполнится и на его выходе появится импульс переноса, который будет подан на вход блока 7 управления, При наличии импульса переноса блок 7 управления выдает такие же команды, как и в случае, когда /a/>a„„°

В левой части временных диаграмм, изображенных на фиг.2, представлен случай, когда /а!> А(ор .

На диаграмме 15 показан рабочий импульс реле 1 времени длительностью („, который начинается в момент времени t и заканчивается в моментt . На диаграмме 16 покаI зан управляющий импульс с блока 7 управления, который вырабатывается в момент с после того, как закон- . чатся переходные процессы от включения источника питания, и своим передним фронтом запускает преобразователь 8 аналог-код. С момента t до

z. момента t в УАВ 6 проходит выработка разности Д и сравнение ее с порогом Ь„, На диаграмме 17 показан импульс с БСТП 10, который вырабатывается в момент t в случае, если

1Д > Ь „„, подается на блок 7 управления и своим передним фронтом запусдатчик 13. На диаграмме 19 показан управляющий импульс с блока 7 управления, который подается на управляющие входы ключа 11 и ЗУП 5 и длится с момента й(, до момента t . В этот и своим передним фронтом запускает счетчик 4 циклов. На диаграмме 22 показано состояние счетчика 4 цик

1198203 лов. До момента в счетчике 4 цикI лов был записан ноль, В момент -з в счетчике 4 циклов записывается единица под действием переднего фронта счетного импульса, показанного на диаграмме 21. На диаграмме 23 показан импульс сброса с блока 7 управления, который вырабатывается в моI мент t и своим задним фронтом в момент - ц прекращает генерацию рабочего импульса реле 1 времени. Как видно из диаграммы 15, длительность

Ррабочего импульса реле 1 времени (z меньше длительности рабочего импульса (., на величину интервала t5 -1 за который происходит передача адресной и текущей информации.

15

35

На фиг. 3 представлен случай, когда выполнение неравенства (Л1» г „рр повтоРЯетсЯ поДРЯД М раз. На диаграмме 24 показан рабочий импульс реле 1 времени, который начинается в момент t „ и заканI чивается в момент t . На диаграмме 25 показан импульс с блока 7 управления, который вырабатывается

1 в момент t и своим передним фронтом запускает преобразователь 8 аналог-кода. Поскольку Ь(— Ьг,,гр блок .7 управления в момент т вы3 рабатывает счетный импульс на счетчик 4 циклов. Этот импульс показан на диаграмме 26. На диаграмме 27 показано состояние счетчика 4 цикt лов. До момента t > в счетчике 4 циклов было записано число И -1=5, В момент t. на счетный вход счетчика 4 циклов приходит очередной счет40 ный импульс с блока 7 управления, который переполняет счетчик 4 циклов, на выходе которого появляется импульс переноса, подаваемый на блок 7 управления, а сам счетчик

45 обнуляется. На диаграмме 28 показан импульс переноса с счетчика 4 циклов, который вырабатывается в момент т. и своим передним фронтом запускает цепи блока 7 управления, вырабатывающие управляющие импульсы на блок 12 кода адреса и ключ !1. Эти импульсы показаны на диаграммах 29 и 30 соответственно. На диаграмме 31 показан импульс сброса с блока 7 управления, который

55 своим задним фронтом в момент Е прекращает генерацию рабочего импульса реле 1 времени. где Я вЂ” Т

Т скважность работы неадаптивного радиодатчика; период повторения посылок неадаптивного радиодатчика;

Основной положительный эффект, который возникает при использовании предлагаемой системы контроля, объясняется тем, что состояние "спокойного" массива горных пород изменяется крайне медленно г .временной интервал корреляции длится днями, неделями и даже месяцами) . В то же время период Т включения каждого радиодатчика выбирается из условий контроля максимальных скоростей изменения

li состояния массива, присущих неспокойному" или "активному" массИву с допустимой погрешностью, и составляет несколько минут.

При охвате контролем больших пространств и площадей только часть их является активной". Однако при использовании системы — прототипа одинаково часто получают информацию как ат активной",. так и от "спокойных 1 областей. При использовании предлагаемой системы контроля период повторения передачи информации от "активных" контрольных точек будет изменять. ся от величины N Т (где N — емкость счетчика 4 циклов) до величины Т в зависимости от скорости изменения состояния массива. От спокойных" контрольных точек информация будет передаваться с периодом N Т.

Таким образом, в предлагаемой системе контроля устраняется- избыточная информация от контрольных точек, которая всегда передается на приемный пункт при использовании системыпрототипа, и в то же время периодически с большим периодом, равным Й Т, передается информация со спокойных точек, сигнализирующая о работоспособности аппаратуры в данных контрольных точках.

Количественная оценка выигрыша, получаемого при использовании предлагаемой системы контроля, определяется следующим образом.

Допустимое количество активных" контрольных точек, обуслуживаемых одним частотным каналом приеморегистратора, можно найти из выражения

Сй (i)

Рд, 1198203

Л

- Длительность адресной и информационных посылок;

P — .допустимая вероятность сбоя на приемном конце.

Величины Ц и соответственно Т определяются максимальной скоростью изменения контролируемого параметра, которую еще должна фиксировать система с заданной погрешностью.

Рс „ определяется требуемой надежностью контроля. Таким образом, выражение (1) показывает сколько контрольных точек, параметры которых изменяются с максимальной скоростью, может обслужить один частотный канал приеморегистратора с заданной надежностью.

Доля "активной" области контроля

Яа„ по отношению ко всей области контроля 5 зависит от объекта контроля. Например, при контроле устойчивости подземной выработки а заак висит от горно-геологических условии, глубины залегания, вида системы разработки и т.д. Величина S к может быть определена на основании опыта или методом экспертных оценок. В первом приближении можно

ВЗЯТЬ $+ = о3Р 9 ГДЕ So8P ДОЛЯ обрушающихся площадей или объектов контроля по отношению ко всем контролируемым. Например, для условий

Джезказганского месторождения известно, что примерно за годовой интер вал наблюдения около 1987 обнажений кровли и около 1Х целиков обрушаются. Эти данные можно использовать как значения Ьа . Найдя из (1) Ка и зная Яак, можно найти максимальное число точек контроля l(которое может обслужить один частотный канал приеморегистратора с надеж. ностью, близкой к заданной при равномерной плотности контроля ка С2)

5ак

Чтобы при этом уровень внутрисистемных помех в месте приема практически не отличался от уровня внутрисистемных помех при работе только Ка активных радиодатчиков ф 11 11 со скважностью Ц 9 можно потребовать, чтобы вероятность сбоя в месте приема от "спокойных" раднодатчиков Р g. была бы много меньше

Р, т.е.

Р = PS .10" (3) Тогда, учитывая (1), (2) и (3) и

5 тот факт, что как правило К)>К 9 можно записать

P ° 10

< * " QИ+К

10 куца

1ОК

QPg с,1 (4) 40 т.е. лежит в тех же пределах что

9 выигрыш по надежности при К = const ° .

Предлагаемая система контроля может быть легко реализована на доступ" ных и дешевых полупроводниковых при. борах и интегральных микросхемах, В частности,все узлы и блоки УАВ б и счетчика 4 циклов реализуются на базовых и специализированных эле ., ментах КИДП интегральной серии

50 микросхем типа 5б1 и 188

В качестве блока управления можно, например, использовать программируемый таймер КР580 ВН 53. При этом

ЗУП 5 (матрица памяти 1.88 РУ-2)

55 и счетчик 4 циклов (двоичный счетчик 5б1 HE10) непосредственно подключенные к источнику питания 3 в статическом режиме, т.е. в момент паузы в течение времени, потребляУчитывая вышесказанное можно показать, что при постоянном числе точек

1 5 контроля, обслуживаемых одним частотным каналом приеморегистратора 14 (К = cqnst), отношение вероятностей сбоя в месте приема для системы-прототипа P,g, . и предлагаемой

20,системы Р будет а

P

Р 6 а — 50 — 100 - (5)

Таким образом, выигрыш в надежнос25 ти работы при переходе на предлагаемую систему контроля лежит в пределах 50-100 (основываясь на данных

Джезказганского месторождения по 5ак)..

При постоянной вероятности сбоя

Рд = const, отношение числа точек контроля, обслуживаемых одним частотным каналом приеморегистратора предлагаемой системы, к числу точек

35 контроля, об служиваемых системой-прототипом, из (2) будет

К

50 - 10О, (б)

5дк

10.1198203

g3cL2. 7

75

Н (Pubs .: ют очень незначительный ток (в пределах 10 мкА), что практически не сказывается на сроке службы источника питания.

Предлагаемая система по сравнению с прототипом и базовым образцом позволяет увеличить надежность беспроводного контроля и увеличить число точек контроля, обслуживаемых одним частотным каналом приеморегистратора, что дает возможность перейти от локального контроля к более.эффективному повсеместному и тем самым повысить безопасность ведения горных работ, 1198203 и

jv

Корректор Е.Сирохман

Заказ 7698/32 . . Тираж 481.ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4

Составитель Л.Лукашанец, Редактор Н.Кнштулинец Техред М.Надь