Беспроводная система контроля состояния массива горных пород Советский патент 1985 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горной промьшшенности и может быть использовано для контроля состояния горной выработки.

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

На фиг.1 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 СРВ, выход которого подключен к управляющему входу ключевого элемента 2 питания (К11. Источник 3 питания ( Ш1) подсоединен к клеммам питания РВ 1, ключа 2 питания, счетчика 4 циклов и запоминающего устройства 5 последнего переданного значения СЗУИ) устройства 6 адаптивной по времени выборки СУАВ). Выход блока 7 управления (,БУ) подсоединен к управляющему входу преобразователя 8 аналог-код (IIAK, ,вход которого соединен с выходом первичного преобразователя 9 (ПП, а также к управляющим входам блока 10 сравнения текущего значения с последним переданным (BCTIIJ , ключевого элемента 11 (к), блока 12 кода адреса СБКА) и ЗУП 5. 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 ВСТП 10 и ключевому элементу 11, а выход БСТП 10 - к первому входу блока 7 управления. Выходы ключевого элемента 11 и блока 12 кода адреса подсоединены к импульсному .передатчику 13 радиодатчика СУ

Емкость N счетчика циклов выбирается из выражения

N 121 Л Р

у Чб где К - общее число радиодатчиков,

обслуживаемых одним частотны каналом приеморегистратора; допустимая вероятность сбоя

..информации в месте

3 - ;с- требуемая скважность работы

радиодатчиков,.

где Т - период измерения контролируемого параметра радиодатчиком; Х- длительность посылки, излучаемой радиодатчиком. Система работает следукяцим-образом,

В одном частотном канале приемо- регистрирующего устройства 14 СП) в импульсном режиме работают К радиодатчиков. Радиодатчики на фиг.1 обозначены римскими цифрами (Т,П,.,.К) и ограничены штрихпунктирной линией. В каждом радиодатчике реле .1 времени периодически с периодом Т вырабатывает короткие импульсы с длитель- : ностью I

Скважность работы радиодатчиков Q Т/Т, Под действием этих импульгсов включается ключ 2 питания, который подключает все блоки радиодатчика к источнику 3 питания. Исключение составляют счетчик 4 циклов и ЗУП 5, которые подключены к источнику 3 питания непосредственно.

По окончании переходного процесса от включения источника 3 пита-

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 U между текущим и последним переданным

значением измеряемого параметра и сопоставлении ее с наперед установленным порогом ЛПОР Если ( то текущая информация запоминается в запоминающем устройстве 5 послед-

него переданного значения и передается через открытый ключ 11 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 использоваНИИ УАВ 6 в составе асинхронной системы контроля, если |Д|-&пор то блок 7 управления вырабатьшает импульсы, которые поступают на управляющие входы ключа 11 и блока кода адреса. При этом на импульс- ный передатчик 13 сначала поступает адресная информация с блока 12 кода адреса, а затем текущая информация с ключа 11, Импульсный передатчик 1 последовательно в двоичном коде излучает данную информацию, которая принимается и регистрируется приемо регистрирующим устройством 14. Посл этого блок 7 управления вырабаты вает импульсы сброса на реле 1 времени и счетчике 4 циклов, которые обнуляют счетчик 4 циклов и прекращают генерацию рабочего импульса длительностью t реле 1 времени. Если же |Л|. А пор то блок 7 управле ния не включает ключ 11 и блок 12 кода адреса, а сразу вырабатьюает импульс сброса, поступающий на вход сброса реле 1 времени, и счетньш: импульс, поступающий на счетный вход счетчика 4 циклов.После чего рел времени прекращает выработку рабочего импульса, а содержимое счетчика 4 .циклов увеличивается на единицу. Если условие / л I $ д f,p будет выполнено подряд N раз {где М .емкость счетчика 4 циклов}, то счет чик 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 /Д(Л„,р . В левой части временных диаграмм, изображенных на фиг.2, представлен случай, когда/л.( ДПОР На диаграмме 15 показан рабочий импульс реле 1 времени длительностью t , который начинается в мо мент времени t и заканчивается в момент tg . На диаграмме 16 показан управляющий импульс с блока 7 управления, который вырабатьшается в момент tj после того, как закончатся переходные процессы от включе ния источника питания, и своим пере ним фронтом запускает преобразователь 8 аналог-код. С момента t. . в УАВ 6 проходит вырамомента t; ботка разности Д и сравнение ее с порогом йрор. На диаграмме 17 показа импульс с БСТП 10, который вьфабаты вается в момент tj в случае, если |Д| -ЛПОР подается на блок 7 упр ления и своим передним фронтом запу кает цепи блока 7 управления, вырабатьшающие управляющие импульсы на блок 12 кода адреса и ключ I1. На диаграмме 18 показан управляющий импульс с блока 7 управления, который подается на управляющий вход блока 12 кода адреса и длится с момента tj до момента tj, . В этот интервал блок 12 кода адреса вырабатывает код адреса, который подается на передатчик 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 t, до момента t . В этот 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 управления, который вырабатывается в момент t-5 и своим передним фронтом сбрасывает счетчик 4 циклов на ноль. На диаграмме 22 показано состояние счетчика циклов 4 с емкостью N 6, До момента tj в счетчике 4 циклов было записано число 4, т.е. 4 цикла подряд выполнялось условие |Д/ АПОР . В момент t , когда приходит передний фронт импульса сброса (диаграмма 20}, счетчик обнуляется. На диаграмме 23 показан импульс сброса с блока 7 управления, который вырабатывается в момент tj- и своим задним фронтом в момент t прекращает генерацию рабочего импульса реле 1 времени, В правой части временных диаграмм, изображенных на фиг.2, представлен случай, когда /Д(4ДпорНа диаграмме 15 показан рабочий импульс реле I времени длительностью t , который начинается в момент t, и заканчивается в момент i- . На диаграмме 16 показан импульс с бло- ка 7 управления, который вырабатывается в момент t и своим передним фронтом запускает преобразователь 8 аналог-код. Поскольку ,ор, в момент tj БСТП 10 не вырабатывает запускакидий импульс на блоке 7 управления. Поэтому на диаграммах 17-20 импульсы с блока 7 управления отсутcTBjTOT. На диаграмме 21 показан счетный импульс с блока 7 управления, , который вырабатывается в моментtj и своим передним фронтом запускает счетчик 4 циклов. На диаграмме 22 показано состояние счетчика 4 циклов, До момента tj в счетчике 4 ци лов был записан ноль, В момент tj в счетчике 4 циклов записывается еди1щца под действием переднего фро та счетного импульса, показанного н диаграмме 21, На диаграмме 23 показан ш-шульс сброса с блока 7 управления, который вырабатывается в момент tj и своим задним фронтом в момент t-i, прекращает генерацию рабочего и1-шульса реле 1 времени. Как видно из диаграммы 15, длительност рабочего импульса реле 1 времени L2. меньше длительности рабочего импуль са L на величину интервала t за который происходит передача адресной и текущей информации. На фиг. 3 представлен случай, когда выполнение неравенства /d(6&nop повторяется подряд N раз. На диаграмме 24 показан работай импульс реле 1 времени, который начинается в момент t и заканчивается в момент t. . На диаграмме 25 показан импульс с блока 7 управления, который вырабатывается в момент t-j и своим передним фрон том : запускает преобразователь 8 аналог-кода. Поскольку /Д(А(,ор блок -7 управления в момент t, вы- рабатывает счетный импульс на счетчик 4 циклов. Этот импульс показан на диаграмме 26. На диаграмме 2 показано состояние счетчика 4 циклов. До момента t-j в счетчике 4 циклов было записано число N . В момент t- на счетный вход счетчи ка 4 циклов приходит очередной счет 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 обнуляется. На диаграмме 28 показан импульс переноса с счетчика 4 циклов, который вырабатывается в момент tjj и своим передним фронтом запускает цепи блока 7 управления, вырабатывающие управляющие импульсы/на блок 1.2 кода адреса и ключ 1i. Эти импульсы показаны на диаграммах 29 и 30 соответственно. На диаграмме 31 показан импульс сброса с блока 7 управ-пения, которы своим зад1шм фронтом в момент t пр ращает генерацию рабочего импульса реле 1 времени. Основной положительный эффект, который возникает при использовании предлагаемой системы контроля, объясняется тем, что состояние спокой ного массива горных пород изменяется крайне медленно С временной tiHTepвал корреляции длится днями, неделями и даже месяцами. В то же время период Т включения каждого радиодат- чика выбирается из условий контроля. максимальных скоростей изменения 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 ис- пользовании системы - прототипа одинаково часто получают информацию как от активной, так и от спокойных областей. При использовании предлагаемой системы контроля период повто- рения передачи информации от активных контрольных точек будет изменяться от величины NT (где N - емкость счетчика 4 цикловj до величины Т в зависимости от скорости изменения состояния массива. От спокойных контрольных точек информация будет передаваться с периодом NT. Таким образом, в предлагаемой системе контроля устраняется- избыточная информация от контрольных точек, которая всегда передается на приемный пункт при использовании системьг-. прототипа, и в то же время периодически с большим периодом, равным N Т, передается информация со спокойных точек, сигнализирующая о работоспособности аппаратурь в данных контрольных точках. Количественная оценка выигрыша, получаемого при использовании пред-лагаемой системы контроля, определяется следующим образом. Допустимое количество активных контрольных точек, обуслуживаемьгх одним частотным каналом приеморегистратора, можно найти из выражения РСЙ-, а где : J скважность работы неадаптивного радиодатчика; Т - период повторения посылок неадаптивного радиодатчика;

t - Длительность адресной и информационных посылок;Р fr - .допустимая вероятность

сбоя на приемном конце Величины fl и соответственно Т определяются максимальной скоростью изменения контролируемого параметра, которую еще должна фиксировать система с заданной погрешность определяется требуемой надежностью контроля. Таким образом, выражение СП показывает сколько контрольных точек, параметры кото- рых изменяются с максимальной скоростью, может обслужить один частотный канал приеморегистратора с заданой надежностью.

Доля активной области контроля Sn по отношению ко всей области контроля S зависит от объекта конроля. Например, при контроле устойчивости подземной выработки SA зависит от горно-геологических уело- ВИЙ, глубины залегания, вида системы разработки и т.д. Величина Злк может быть определена на основании опыта или методом экспертных . В первом приближении можно взять avT Su5p , где SoSp - доля обрушающихся площадей или объектов контроля по отношению ко всем контролируемым. Например, для .условий Джезказганского месторождения известно, что примерно за годовой интвал наблюдения около 1,8% обнажений кровли и около 1% целиков обрушаются. Эти данные можно использовать как значения Sa, . Найдя из О) Kcj, и зная S a.f, , можно найти максимальное число точек контроля К , которое может обслужить один частотный канал приеморегистратора с надежностью, близкой к заданной при равномерной плотности контроля

у- 2)

sl Чтобы при этом уровень внутрисистемных помех в месте приема прак тически не отличался от уровня внутрисистемных помех при работе только Кд активньгх радиодатчиков со скважностью Q. , можно потребовать, чтобы -вероятность сбоя в месте приема от спокойных радиодатчиков Pj.g была бы много меньше

PCS,

10

О)

P.S, PCS,Тогда, учитывая С1),С2) и (.3) и тот факт, что как правило , можно записать

Рс5-1о /-517:г

JOK

« .

(4)

Учитывая вышесказанное можно показать, что при постоянном числе точек контроля, обслуживаемых одним частотным каналом приеморегистратора 14 (К cpnst),. отношение вероятностей сбоя в месте приема для системы-прототипа nf предлагаемой . будет

.системы Р

Д

rciS пр

J- - 50 - 100- СЗУ

-i cS а.а

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

Джезказганского месторождения по Зли), I .... . При постоянной вероятности сбоя Р const, отношение числа точек контроля, обслуживаемых одним частот.ным каналом приеморегистратора предлагаемой системы, к числу точек контроля, обслуживаемых системой-прототипом из С 2) будет

К

1

(6)

- я; 50 - 100,

f(u,

т.е. лежит в тех же пределах, что выигрыш по надежности при К const«

Предлагаемая система контроля мо- же т быть легко реализована на доступных и дешевых полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах, В частности,все узлы и блоки УАВ 6 и счетчика 4 циклов реализуются на базовых и специализированных ., ментах КМДП интегральной серии микросхем типа 561 и 188.

В качестве блока управления можно например, использовать программируё:Мый таймер КР580 ВН 53. При этом ЗУП 5 (матрица памяти 188 РУ-2) и счетчик 4 циклов (двоичный счетчик 561 ИЕ10;) , непосредственно подключенные к источнику питания 3 is статическом режиме, т.е. в момент паузы в течение времени, потребляют очень незначительный ток Св 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 приеморегист- 5 ратора, что дает возможность перейти от локального контроля к более.эффективному повсеместному и тем самым повысить безопасность ведения горных работ.

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.

Ь-п

L. /4

4

25

26

Ы

27

28 29 30 31

th й

-ff

(риг. 3