CN104847412A - 一种井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，包括信号采集、数据传输和分析计算，信号采集通过监测装置对硐室底板位移信息进行监测，数据传输通过有线或者无线的方式将位移信息发送至上位机进行计算分析，判断大型选煤设备基础是否倾斜，完成对井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测，监测装置包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。本发明能够很好的监测井下选煤厂设备硐室设备基础是否倾斜，实现对硐室底板位移的监测，保证硐室内设备的高效、安全运行；采用的陀螺仪和加速度计体积小，质量轻、功耗低、测量精确,适用于井下恶劣环境。

Description

一种井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法

技术领域

本发明涉及井下选煤厂硐室位移监测技术领域，具体涉及一种井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，约占一次能源的70%，伴随煤炭生产过程中产生的固体废物矸石在15~25%。我国目前大多采用在井上建设选煤厂对矸石进行处理，但是随着矿井大型化和煤矿开采机械化程度的不断提高，大量洗选后排放的矸石堆放在地面，不仅占用大量的土地资源，而且矸石容易自燃，对周边环境造成威胁，生产中产生的粉尘、噪音和污水也严重污染生态环境，因此，如何有效的解决矸石问题成为学者研究的目标。针对这一问题，国家在“十二五”期间，将对原煤的井下洗选、井下排矸技术和设备进行开发和利用。在井下建立选煤厂，实现原煤井下分选和充填一体化，减少原煤运输以及吨煤能耗。目前，井下选煤厂已经在我国得到了成功构建和运行，在原煤升井前通过选煤设备将其中的矸石排出，直接用于井下喷浆或采空区回填材料，实现了原煤井下分选和充填一体化，实现了原煤的绿色开采。

随着井下选煤的实现，符合井下选煤厂设备硐室的安全监测和控制系统也有待于进一步的开发和研究。这是因为井下选煤厂设备硐室的特点和巷道存在着一定的区别，其监测方法也不同。首先，传统的巷道底板位移测量方法无法适用于井下选煤厂设备硐室。井下选煤采用的选煤设备体积较大，占据了硐室内相当一部分的空间，而根据理论研究，硐室底板围岩的应力集中点位于底板的中心位置，这样就不利于监测点位置的选择。其次，为了选煤设备的安全运行，通常会在硐室内浇筑设备基础，底臌的作用表现在设备基础上，但是在设备基础上打孔安装测量设备的话，极易破坏设备基础的整体性，影响井下安全生产。再者，目前对井下底板位移的监测方法极其有限，且仍局限于机械测量。

在矿山压力作用下，井下选煤厂设备硐室底板岩石会产生底臌，导致硐室内大型选煤设备基础局部受力不均而产生倾斜、位移现象，严重影响选煤设备的安全运行和工作人员的人身安全。因此，很有必要对井下选煤厂设备硐室底板位移进行监测，保证生产安全。但是，目前还没有针对井下选煤厂设备硐室底板位移监测的相关研究报道。

现有的光纤光栅锚杆测力装置及监测锚杆应力变化的方法（专利号CN101358886A）中的锚杆测力装置包括压力表1、T字型油管2，水平管和液压油缸4连接，垂直管与光纤光栅3连接。通过在岩石或土层内安装锚杆，在锚杆的外露端嵌入垫板和液压油缸，并用螺母连接。光纤光栅传感器将锚杆受力变化量通过其纤芯连接到外部的光纤光栅网络分析仪进行数据的处理。但是该发明不能适用于选煤厂设备硐室底板位移的监测，其原因主要表现在以下三个方面：首先，现有技术体积较大，其安装会影响选煤厂设备硐室内设备的运行和操作人员的正常通行；  其次，现有技术不能安装在选煤设备基础上，通过在设备基础上钻孔安装，不仅会破坏设备基础的整体性和稳定性，而且会影响选煤设备运行；最后，现有技术成本较高，采用的光纤光栅网络分析仪价格昂贵，不适合在井下推广使用。

公开号为102926808A的发明也公开了一种基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法，在通讯光纤上连接四个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器，四个光纤光栅传感器布置在设备周围的设备基础的四个角部，通讯光纤的接入端或引出端连接光纤光栅网络分析仪，光纤光栅网络分析仪与计算机连接。通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点出的应力变化，读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。该发明装置较为复杂，占用场地较多，且光栅的价格昂贵，虽然能对井下选煤厂硐室底板进行监测，但是实用性以及推广性并不高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，通过监测大型选煤设备基础是否倾斜，来实现对选煤厂设备硐室底板位移的监测。本发明体积小、价格低，可以安装在设备基础上，不破坏设备基础的稳定性，不影响选煤设备的安全运行和工作人员通行，可用于监测设备基础倾斜、位移监测，适用于各种煤矿井下设备硐室的底板位移监测。

一种井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，包括信号采集、数据传输和分析计算，信号采集通过监测装置对硐室底板位移信息进行监测，数据传输通过有线或者无线的方式将位移信息发送至上位机进行计算分析，判断大型选煤设备基础是否倾斜，完成对井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测。

进一步的，监测装置包括陀螺仪、加速度计和单片机，所述单片机的模数转换端口接收来自所述的陀螺仪和加速度计的监测结果，所述上位机与所述单片机通过串口通信电路进行连接。

进一步的，所述串口通信电路采用RS-485接口电路，所述RS-485接口电路设置串口转wifi模块，实现上位机与单片机的无线信号连接。

进一步的，所述陀螺仪采用三轴陀螺仪，所述加速度计采用三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计监测到的信号采用卡尔曼滤波进行数据融合，消除所述三轴陀螺仪的漂移误差和所述三轴加速度计的噪声干扰。

进一步的，采用卡尔曼滤波器进行信号数据融合，首先建立系统的状态程和测量方程，基于倾角和倾角角速度存在倒数关系，系统倾斜角度作为一个状态向量，采用三轴加速度得到三轴陀螺仪常值偏差b，以此作为状态向量得到相应的状态方程和观测方程：

其中，为包含固定偏差的陀螺仪输出加速度，为加速度计经处理后得到的角度值，为陀螺仪测量噪声，为加速度计测量噪声，为陀螺仪漂移误差，与相互独立，此处假设二者为满足正态分布的白色噪声，令为系统采样周期，得到离散系统的状态方程和测量方程：

通过系统过程噪声协方差阵Q以及测量误差的协方差矩阵R，对卡尔曼滤波器进行校正；Q和R矩阵的形式如下：

，

其中，和分布是加速度计和陀螺仪测量的协方差，取的值小于的值，此时：

                                                  式1

式中，，，是利用预测的结果，是时刻的最优结果，

则对应于的协方差为：

                                                       式2

是系统过程的协方差，式1和式2即对系统的状态更新，此时状态的最优化估算值为：

                                        式3

其中，为卡尔曼增益，且            式4

状态下的协方差进行更新：

                                                      式5

其中，是单位矩阵，当系统进入状态时，就是式2的，式3、式4和式5是卡尔曼滤波器状态更新方程，计算时间更新方程和测量更新方程结束后，再次重复上一次计算得到的后验估计，作为下一次计算的先验估计，进行循环反复的运算直到找到最优结果。

上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，通过串口通信电路与单片机相连接，单片机在这里作为一个下位机的概念，对陀螺仪和加速度计进行控制，串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线 、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式，这种通信方式所使用的线路较少，因为井下选煤厂硐室设备较大，现场人员较多情况复杂，采用串口通信可以减少数据线的使用数量，使得硐室的排线布局更加方便合理，减少误碰通信线路的概率。

串口通信电路采用RS-485接口电路，其传输速率较高、距离较远，采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，且这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点，使用特制的485芯片可以挂接更多的节点。采用这种电路可以在硐室内放置多个监测装置（陀螺仪、加速度计和单片机），通过多个监测装置可以对硐室内多个地区进行监测，防止硐室中心起伏时一个监测点可能出现误差的情况发生，对硐室内的位移变化监测的更为详细。RS-485接口电路设置串口转wifi模块，此模块是新一代嵌入式WiFi模块，体积小，功耗低，采用UART接口，内置IEEE802.11 协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口到无线网络之间的转换，本发明中采用TLN13UA06，支持串口透明数据传输模式并且具有安全多模能力，使传统串口设备更好的加入无线网络，可以让单片机与上位机之间不需要使用线路连接，可以对监测装置的放置位置和方式进行改变，将监测装置埋入设备基础内，将串口转wifi模块的天线裸露设备基础表面，防止监测装置在外侧落灰以及人员走动误碰导致损坏。

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，在监测装置内设置三个陀螺仪或者一个三轴陀螺仪与加速度计配合使用，实现三维空间三个轴向的加速度和角度率监测，并将监测到的数据经模数转换传入单片机内。监测装置采用MPU-6050陀螺仪，ADIS16354加速度计和ARM单片机，ARM单片机较51系列单片机性能提升较大，运行处理的速度快，满足对陀螺仪和加速度计的数据处理和发送至上位机。

三轴陀螺仪可以提供瞬间的动态角度变化，但是由于其本身的固有特性、温度及积分过程的影响，会产生漂移误差，且随着工作时间的延长而累加变大；而三轴加速度计能够提供静态的角度，但是却容易受到噪声的干扰，使得数据变化较大。为了克服上述问题，在本申请中采用卡尔曼滤波对信号进行数据融合。卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。如果要计算K时刻的实际角度值，首先要根据K-1时刻的角度值来预测K时刻的角度。根据预测得到的K时刻的角度值得到该时刻的高斯噪声的方差，然后卡尔曼滤波器不断的进行方差递归，从而估算出最优的角度值。

本发明的有益效果：

1、能够很好的监测井下选煤厂设备硐室设备基础是否倾斜，实现对硐室底板位移的监测，保证硐室内设备的高效、安全运行；

2、采用的陀螺仪和加速度计体积小，质量轻、功耗低、测量精确,适用于井下恶劣环境；

3、监测方法的安装不破坏设备基础的整体行，不影响选煤设备的运行和工作人员的通行；

4、该方法适用面广，可用于煤矿井下硐室各种机电设备基础的平稳监测。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1是本发明井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法的系统结构图；

图2是本发明监测系统的结构示意图；

图3是本发明加速度计和陀螺仪信号的波形图；

图4是本发明卡尔曼滤波融合曲线和加速度计信号的波形图；

图5是本发明卡尔曼滤波融合曲线的波形图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

如图1和图2所示：本发明提供了一种井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，包括信号采集、数据传输和分析计算，信号采集通过监测装置对硐室底板位移信息进行监测，数据传输通过有线或者无线的方式（可以采用串口通信电路）将位移信息发送至上位机4进行计算分析，判断大型选煤设备基础是否倾斜，完成对井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测。监测装置包括陀螺仪1、加速度计2和单片机3，所述单片机3的模数转换端口接收来自所述的陀螺仪1和加速度计2的监测结果，所述上位机4与所述单片机3通过串口通信电路5进行连接。上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，通过串口通信电路与单片机相连接，单片机在这里作为一个下位机的概念，对陀螺仪和加速度计进行控制，串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线 、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式，这种通信方式所使用的线路较少，因为井下选煤厂硐室设备较大，现场人员较多情况复杂，采用串口通信可以减少数据线的使用数量，使得硐室的排线布局更加方便合理，减少误碰通信线路的概率。

所述串口通信电路5采用RS-485接口电路，所述RS-485接口电路设置串口转wifi模块，实现上位机4与单片机3的无线信号连接。串口通信电路采用RS-485接口电路，其传输速率较高、距离较远，采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，且这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点，使用特制的485芯片可以挂接更多的节点。采用这种电路可以在硐室内放置多个监测装置（陀螺仪、加速度计和单片机），通过多个监测装置可以对硐室内多个地区进行监测，防止硐室中心起伏时一个监测点可能出现误差的情况发生，对硐室内的位移变化监测的更为详细。RS-485接口电路设置串口转wifi模块，此模块是新一代嵌入式WiFi模块，体积小，功耗低，采用UART接口，内置IEEE802.11 协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口到无线网络之间的转换，本发明中采用TLN13UA06，支持串口透明数据传输模式并且具有安全多模能力，使传统串口设备更好的加入无线网络，可以让单片机与上位机之间不需要使用线路连接，可以对监测装置的放置位置和方式进行改变，将监测装置埋入设备基础内，将串口转wifi模块的天线裸露设备基础表面，防止监测装置在外侧落灰以及人员走动误碰导致损坏。

所述陀螺仪1采用三轴陀螺仪，所述加速度计2采用三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计监测到的信号采用卡尔曼滤波进行数据融合，消除所述三轴陀螺仪的漂移误差和所述三轴加速度计的噪声干扰。

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，在监测装置内设置三个陀螺仪或者一个三轴陀螺仪与加速度计配合使用，实现三维空间三个轴向的加速度和角度率监测，并将监测到的数据经模数转换传入单片机内。监测装置采用MPU-6050陀螺仪，ADIS16354加速度计和ARM单片机，ARM单片机较51系列单片机性能提升较大，运行处理的速度快，满足对陀螺仪和加速度计的数据处理和发送至上位机。

三轴陀螺仪可以提供瞬间的动态角度变化，但是由于其本身的固有特性、温度及积分过程的影响，会产生漂移误差，且随着工作时间的延长而累加变大；而三轴加速度计能够提供静态的角度，但是却容易受到噪声的干扰，使得数据变化较大。为了克服上述问题，在本申请中采用卡尔曼滤波对信号进行数据融合。卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。如果要计算K时刻的实际角度值，首先要根据K-1时刻的角度值来预测K时刻的角度。根据预测得到的K时刻的角度值得到该时刻的高斯噪声的方差，然后卡尔曼滤波器不断的进行方差递归，从而估算出最优的角度值。

本发明采用卡尔曼滤波器进行信号数据融合，首先建立系统的状态程和测量方程，基于倾角和倾角角速度存在倒数关系，系统倾斜角度作为一个状态向量，采用三轴加速度得到三轴陀螺仪常值偏差b，以此作为状态向量得到相应的状态方程和观测方程：

其中，为包含固定偏差的陀螺仪输出加速度，为加速度计经处理后得到的角度值，为陀螺仪测量噪声，为加速度计测量噪声，为陀螺仪漂移误差，与相互独立，此处假设二者为满足正态分布的白色噪声，令为系统采样周期，得到离散系统的状态方程和测量方程：

通过系统过程噪声协方差阵Q以及测量误差的协方差矩阵R，对卡尔曼滤波器进行校正；Q和R矩阵的形式如下：

，

其中，和分布是加速度计和陀螺仪测量的协方差，取的值小于的值，此时：

                                                  式1

式中，，，是利用预测的结果，是时刻的最优结果，

则对应于的协方差为：

                                                       式2

是系统过程的协方差，式1和式2即对系统的状态更新，此时状态的最优化估算值为：

                                        式3

其中，为卡尔曼增益，且            式4

状态下的协方差进行更新：

                                                      式5

其中，是单位矩阵，当系统进入状态时，就是式2的，式3、式4和式5是卡尔曼滤波器状态更新方程，计算时间更新方程和测量更新方程结束后，再次重复上一次计算得到的后验估计，作为下一次计算的先验估计，进行循环反复的运算直到找到最优结果。

图3、图4和图5是在实验室搭建模型进行实验，室温恒定，搭建长方体混凝土基础，水平放置，长方形表面长度为83.9cm，采用MPU-6050陀螺仪，ADIS16354加速度计，连同ARM单片机沿平行于基础长度方向粘贴在基础侧帮，首先进行测试振动对监测的影响，在混凝土基础上安放三相电机模拟振动，分别测量在基础无倾斜和基础倾斜两种情况，

从图3和图4可以看到，在振动和没有产生倾斜的情况下，卡尔曼滤波融合曲线在测量时间内非常平稳，在不确定的时间内会由于振动出现大小相同、方向相反的波动；而加速度信号曲线和陀螺仪信号曲线则无法正常显示出基础的位移情况，因为受到其它因素的干扰波动较大。

在基础倾斜试验中，假定基础一端沿长度方向水平抬高10.3cm，此时抬高角度为，在振动情况下测量结果如图5所示。可以看到，从基础抬高直至平稳状态过程中，卡尔曼滤波融合曲线呈阶梯状上升直至基础稳定，继续保持平稳状态，且随着振动而产生大小相同方向相反的波动；根据（示波器上的数值变化由10变到17）读数，基础抬高7度。利用公式计算进行验证，即：，而，读数值和计算值误差接近于零。振动对测试结果没有影响，采用陀螺仪和加速度计可以真实的反映出基础是否倾斜。因此本发明的效果和理论基本符合，可以有效的实现预期的测量目的。

Claims (6)

1.一种井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，其特征在于：包括信号采集、数据传输和分析计算，信号采集通过监测装置对硐室底板位移信息进行监测，数据传输通过有线或者无线的方式将位移信息发送至上位机进行计算分析，判断大型选煤设备基础是否倾斜，完成对井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测。

2.如权利要求1所述的井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，其特征在于：监测装置包括陀螺仪、加速度计和单片机，所述单片机的模数转换端口接收来自所述的陀螺仪和加速度计的监测结果，所述上位机与所述单片机通过串口通信电路进行连接。

3.如权利要求2所述的井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，其特征在于：所述串口通信电路采用RS-485接口电路，所述RS-485接口电路设置串口转wifi模块，实现上位机与单片机的无线信号连接。

4.如权利要求2所述的井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，其特征在于：所述陀螺仪采用三轴陀螺仪，所述加速度计采用三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计监测到的信号采用卡尔曼滤波进行数据融合，消除所述三轴陀螺仪的漂移误差和所述三轴加速度计的噪声干扰。

5.如权利要求4所述的井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，其特征在于：采用卡尔曼滤波器进行信号数据融合，首先建立系统的状态程和测量方程，基于倾角和倾角角速度存在倒数关系，系统倾斜角度作为一个状态向量，采用三轴加速度得到三轴陀螺仪常值偏差b，以此作为状态向量得到相应的状态方程和观测方程：

其中，为包含固定偏差的陀螺仪输出加速度，为加速度计经处理后得到的角度值，为陀螺仪测量噪声，为加速度计测量噪声，为陀螺仪漂移误差，与相互独立，此处假设二者为满足正态分布的白色噪声，令为系统采样周期，得到离散系统的状态方程和测量方程：

通过系统过程噪声协方差阵Q以及测量误差的协方差矩阵R，对卡尔曼滤波器进行校正；Q和R矩阵的形式如下：

，

其中，和分布是加速度计和陀螺仪测量的协方差，取的值小于的值，此时：

                                                  式1

式中，，，是利用预测的结果，是时刻的最优结果，

则对应于的协方差为：

                                                       式2

是系统过程的协方差，式1和式2即对系统的状态更新，此时状态的最优化估算值为：

                                        式3

其中，为卡尔曼增益，且            式4

状态下的协方差进行更新：

                                                      式5

其中，是单位矩阵，当系统进入状态时，就是式2的，式3、式4和式5是卡尔曼滤波器状态更新方程，计算时间更新方程和测量更新方程结束后，再次重复上一次计算得到的后验估计，作为下一次计算的先验估计，进行循环反复的运算直到找到最优结果。

6.如权利要求5所述的井下选煤厂设备硐室底板位移动态监测方法，其特征在于：所述上位机通过示波器对三轴加速度计信号曲线、三轴陀螺仪信号曲线和卡尔曼滤波融合曲线进行显示。