CN112684755A - 一种集成式可编程多参量数据采集分析装置 - Google Patents

Abstract

本公开关于一种集成式可编程多参量数据采集分析装置。所述装置包括用于采集标准煤粉重量、实际煤粉重量、煤粉温度、煤粉湿度、位移、扭力、转速、风压、推力、噪声等的数据采集模块。所述装置还包括用于实时地自动对排出的煤粉进行收集称重，并与标准煤粉量进行比较以计算得出煤粉率指数，并且根据由数据采集通道采集的参数确定当前的打钻深度以便确定孔深巷高比的计算和确定模块。所述装置还包括比较和判断模块以及存储和显示模块。根据本公开，能够实现煤粉参量的自动采集、检测及判别。并且，当判断出冲击危险性较高时，系统可及时发出警报，提醒操作者撤离危险区域。

Description

一种集成式可编程多参量数据采集分析装置

技术领域

本公开涉及煤炭数据采集领域，尤其涉及一种集成式可编程多参量数据采集分析装置。

背景技术

目前，国内在应用钻屑法进行冲击危险性检验时，主要是通过人工实现，即打钻工人用手持钻机，每钻进一米，就把该米钻进过程中出现的顶钻、卡钻、吸钻、异响和孔内冲击等动力效应的次数记录在统计表内，并且每一米钻杆钻进结束，就把煤粉用称称量，把称量结果记录在统计表内。继续钻进，工人重复上面方法进行数据统计。该方法进行冲击危险性评判的缺点是实施过程中操作人员的危险性大、需要后期对数据进行分析不能及时判断出该工作地点的冲击危险性、因人而异的操作误差，从而导致评判结果的不准确性，不可靠性和不科学性。

发明内容

本发明的技术方案是这样实现的：该装置采用高度集成式设计。可通过上位机软件对系统进行编程，系统根据程序要求进行数据采集分析。数据采集通道包含：标准煤粉重量、实际煤粉重量、煤粉温度、煤粉湿度、位移、扭力、转速、风压、推力、噪音等。通过系统编程，可根据程序预设参数确定孔深巷高比及煤粉率指数。并根据传感器采集的参数判断当前的打钻深度，可以实时地自动对排出的煤粉进行收集称重，并与标准煤粉量进行比较计算得出煤粉率指数，进而由系统自动判断该工作地点冲击危险性，并对各项参数进行记录保存。实现煤粉参量的自动采集、检测及判别。当判断出冲击危险性较高时，系统可及时发出警报，提醒操作者撤离危险区域。

根据本公开的第一方面，提供一种集成式可编程多参量数据采集分析装置，其特征在于，包括：数据采集模块，用于采集标准煤粉重量、实际煤粉重量、煤粉温度、煤粉湿度、位移、扭力、转速、风压、推力、噪声等；计算和确定模块，用于实时地自动对排出的煤粉进行收集称重，并与标准煤粉量进行比较以计算得出煤粉率指数，并且根据由数据采集通道采集的参数确定当前的打钻深度以便确定孔深巷高比；比较和判断模块，用于将所述煤粉率指数和所述孔深巷高比与预设值进行比较，以便判断是否存在冲击危险性；以及显示和传输模块，用于对计算和确定的结果以及判断结果进行显示和传输，其中，所述装置被实现为智能本安型数采分站，所述数据采集模块、所述计算和确定模块、所述比较和判断模块以及所述存储和显示模块被包含在所述智能本安型数采分站中。

根据本公开的一个实施例，使用高精度传感器将温度、湿度、风压、转速、推力、扭力、位移、气体流量等指标接入本安型PLC采集单元；使用智能电子秤完成煤粉自动收集、称量并将重量数据传送到PLC监控单元；使用音视频采集卡将音频、视频信号接入PC智能控制系统。

根据本公开的一个实施例，所述装置具有手动/自动选择按钮以及急停按钮，用于由用户选择是手动操作还是自动操作，并且在发生紧急情况，所述装置可以被一键急停。

根据本公开的一个实施例，所述数据采集模块连接到钻机主体，所述钻机主体采用高强度合金材料制作，采用前后四腿支撑，前后支撑在两个方向均能调整一定角度，配套导轨长度1.8米。

根据本公开的一个实施例，所述钻机主体包括煤粉收集装置，所述煤粉收集装置包括用透明塑料板加工的上盖、用薄铁板加工的下底、位于下端的内径不小于100mm的出粉口。

根据本公开的一个实施例，当单米煤粉量超过指标值时，进行声光预警。

根据本公开的一个实施例，所述智能本安型数采分站采用2mm拉丝不锈钢板，配7寸高清显示屏，上方钢化玻璃防护，实时显示相关数据。

根据本公开的一个实施例，采用基于Java、C++、C#等编程语言来实现智能控制软件和实时冲击危险预警软件。

根据本公开的一个实施例，其特征在于，所述装置与上位机进行通信，远程通信采取有线和无线双通道，有线控制距离不小于100m，并且无线控制距离不小于500m。

根据本公开的一个实施例，其特征在于，所述本安型数采分站利用12V备用电池。

根据本公开的技术方案，能够实现煤粉参量的自动采集、检测及判别，并且当判断出冲击危险性较高时，系统可及时发出警报，提醒操作者撤离危险区域。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理，并不构成对本公开的不当限定。

图1示出了根据本公开一示例性实施例的钻屑法智能检测装备整体框架图。

图2(a)和2(b)是根据一示例性实施例示出的数采分站的示意图。

图3示出了根据本公开实施例的数采分站的系统框图。

图4示出了根据本公开实施例针对单米煤粉量的数字化评判示意图；

图5和图6分别示出了根据本公开实施例的数采系统的屏幕显示。

图7示出了根据本公开实施例的数采机械执行流程图。

图8示出了根据本公开实施例的危险评估流程图。

图9示出了根据本公开实施例的集成式可编程多参量数据采集分析装置的方框图。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本公开的技术方案，下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

为加快冲击地压钻屑法智能检测技术与装备的研发，将整体研究内容拆分为钻机主体加工、数据采集分站设计加工、智控软件编制及模块化设计、实时冲击危险预警软件编制、构建远控系统等几部分工作，同步推进。

(1)钻屑法智能检测装备框架及参数设计

钻屑法智能检测系统装备由钻机主体、传感器、控制器、操控按钮、嵌入式智能控制软件、显示单元、通讯单元及上位机数据管理软件等组成。采用现场控制器与后台主机相结合的设计，实现现场智能操控与显示，全部数据可在后续上位机上统计分析。实现智能判断、自动采样。

参照图1，示出了根据本公开的钻屑法智能检测装备整体框架图。钻机主体采用高强度合金材料制作，采用前后四腿支撑代替以往的人力推进或者单住支撑，前后支撑在两个方向均能调整一定角度，配套导轨长度1.8米。

在图1中，煤粉收集装置1的上盖用透明塑料板加工，下底用薄铁板加工，下端有出粉口，内径不小于100mm，侧边有挂帮勾2个、导向槽1个，导向槽长度不小于200mm、外径不小于60mm。钻杆拆卸装置2使用高强度合金材料加工。钻头及钻杆3是φ38mm螺旋钻杆(带卡位)配套φ42mm煤粉钻头。回转系统4可以正反转，风力回转，齿轮传动。推进系统5可以前进/后退，风力推进，齿条传动。前部辅助张紧装置6是软体结构，可拆卸，张紧力不小于300公斤。前部支撑7的长度为1000～1800mm，可伸缩，可旋转角度。后部支撑8的长度为1000～1800mm，可伸缩，可旋转角度，后部支撑各安置底座1个，底座上设置有固定针。数字显示系统9包括高清大屏显示器。远程操作系统10具有有线、无线双通道，有线控制距离不小于100m、无线控制距离不小于500m。

表1示出了钻屑法智能检测装备参数表。在表1中，装备参数分为基本性能和智能组件两大类。例如，在表1中，在基本性能类别中，工作气压的参数值可以是0.4、0.5和0.63MPa的值，额定转速可以是270、245和260r/min的值，推进力可以是8KN，并且主机重为120kg。另外，在表1的智能组件类别中，没分自动称量的范围为0-30kg，并且精度为0.01，没分温度测量的范围为0-100℃，并且精度为0.1，等等。根据示例，本宫宽度钻屑法智能检测装备可以实现动力现象判别、数字显示及预警、修改权限设置以及一键急停等功能。

表1 钻屑法智能检测装备参数表

(2)数据采集分站设计加工方案

图2(a)和2(b)分别示出了根据本公开实施例的数采分站的示意图。在根据本公开的实施例中，运用32位单片机针对现场实际需求设计加工数采分站。参见图2(a)，使用高精度传感器将温度、湿度、风压、转速、推力、扭力、位移、气体流量等指标接入本安型PLC采集单元；使用智能电子秤完成煤粉自动收集、称量并将重量数据传送到PLC监控单元；使用音视频采集卡将音频、视频信号接入PC智能控制系统。机箱采用2mm拉丝不锈钢板，配7寸高清显示屏，上方钢化玻璃防护，实时显示相关数据。

图2(b)示出了根据本公开另一实施例的数采分站的示意图。参见图2(b)中，在当前示例中，除了包含图2(a)中示出的各个组成部分外，图2(b)示出的数采分站还包含急停以及手动/自动按钮，以便在遇到突发情况时选择急停按钮实现紧急停止，并且可以根据需要选择手动或者自动。

图3示出了根据本公开实施例的数采分站的系统框图。参见图3，根据本公开的实施例，数采分站为智能本安型，该数采分站具有嵌入式智能控制软件，本地操作按钮或者无线遥控。数采分站可以通过外接交流电源经由变压器供电，也可以通过12V后备电池供电。该数采分站与各种传感器连接以便获得装备参数，这些传感器包括但不局限于温度传感器、湿度传感器、称重传感器、位移传感器、速度传感器、扭力传感器、风压传感器和流量传感器等等。由这些传感器收集的数据可以经由根据本公开的智能本安型数采分站传送到上位机，以便上位机对上传的数据进行统计分析及报表处理。同时，上位机还可以对安能本安型数采分站进行软件升级。另外，根据当前示例，智能本安型数采分站可以连接电磁阀，该电磁阀驱动钻机来进行钻孔取样，以便获得煤粉重量信息。可选地，根据本公开的智能本安型数采分站可以配置有井下高压风，并且可以根据特定标准对采集的数据进行弃样或者存样。例如，如果采集的数据存在奇异值，则可以进行弃样处理。

(3)智控软件编制及模块化设计方案

编制基于Java、C++、C#等编程语言的智能控制软件，本地运转控制，具有自动、手动、急停等多种操作方式。

借鉴电子领域芯片技术改造升级传感器，提高元器件的灵敏度和可靠性，通过数据量、数据库及算法的提升，实现温度、湿度、重量、转速等的精确测量，并通过集成工艺完成智能检测组件的模块化设计。

①温度传感器：检测范围0-100℃，分辨率0.1℃，误差±0.1℃；

②湿度传感器：检测范围10-80％，分辨率0.1％，误差±0.1％；

③重量传感器：检测范围0-30Kg，分辨率0.01kg，误差±0.01kg；

④风压传感器：检测范围0～2MPa，分辨率0.01MPa，误差±0.01MPa；

⑤转速传感器：检测范围0-1000r/min，分辨率0.1r/min，误差±0.1r/min；

⑥推力传感器：检测范围0-20KN，分辨率0.1N，误差±0.1N；

⑦扭力传感器：检测范围0-500N.m，分辨率0.1N.m，误差±0.1N.m；

⑧位移传感器：检测范围0-1.5m，分辨率0.01m，误差±0.02m。

(4)实时冲击危险预警软件编制方案

构建数字化评判模型，应用Java、C++、C#等编程语言完成实时冲击危险预警软件的编制工作，根据PLC监控单元实时采集的风压、转速、推力、扭力、位移、煤粉重量音频等各类数据信息，通过内部运算或比较分析实时评判单米煤粉量是否超标、是否出现卡钻吸钻等动力现象，确定冲击危险等级，并在显示器上数字化显示评判结果，及时作出响应对策。

图4示出了根据本公开实施例针对单米煤粉量的数字化评判示意图。

参见图4，横轴代表钻进深度，单位为米，纵轴代表单米煤粉量，重量为公斤。图4中黑实线代表指标值，两条灰色实线别代表两种情况下的检测值。从图4的两个圈出区域可以看出，当单米煤粉量超过指标值时，进行声光预警。

根据本公开的另一方，提供一种动力现象判别设计。动力现象判别方法见下面的表2所示。具体地，参见表2，如果钻机运行过程中，风压传感器监测数据正常，推力传感器监测数据有所增加，转速传感器监测数据突降为“0”，则可以判断为“卡钻”，采取的响应对策为“反转退钻”；如果钻机运行过程中，风压传感器与推力传感器监测数据正常，位移传感器监测数据正向突增20％及以上，则可以判断为“吸钻”，采取的响应对策为“断风停钻”；如果钻机运行过程中，风压传感器监测数据正常，推力传感器监测数据有所增加，位移传感器监测数据突降为“0”，则可以判断为“顶钻”，采取的响应对策为“反转退钻”；如果钻机运行过程中，风压传感器监测数据正常，推力传感器监测数据有所增加，位移传感器监测数据反向突增20％及以上，则可以判断为“孔内冲击”，采取的响应对策为“断风停钻”，并且如果通过音频数据判断或手动增加，则判断结果为“煤炮”，采取的响应对策为“视现场实际情况手动响应”。

表2 动力现象判别准则及响应对策

(5)构建远控系统

远程操控中设计两种方式：有线传输与无线传输，且两种传输方式均可并形成有效的切换，其中有线传输距离不小于100m，传输信号线为可拆卸部件，尽可能减小其重量及粗细程度，以方便携带为准，响应时间不超过0.5s；无线传输距离不小于50m，抗干扰能力强，稳定，响应时间不超过0.5s。

(6)工作环境需求

冲击地压钻屑法智能检测技术与装备主要应用于煤矿采掘工作面及掘进巷道等区域的监测施工作业，现场作业空间、温度、湿度、光线等作业环境恶略，各类元器件满足以下基础现场要求：

①温度-设备运行环境温度为-20～+50℃；

②湿度-煤矿井下湿度较大，大部分情况有淋水，电子元件部件及相关接头除了做好防爆处理后，还需要做好防水、防潮处理；

③粉尘-井下回风顺槽粉尘较大，电子元件部件及相关接头需要做好防尘处理；

④光线-很多井下施工区域无光线，光源仅为施工人员佩戴矿灯，光线较弱；

⑤干扰-很多施工区域附近存在运转的大型矿山机电设备，干扰较大。

根据本公开的实施例，将先进、成熟的单片机技术、机械设计、控制器、嵌入式软件、网络通讯、工业过程控制等技术集成应用于冲击地压钻屑法智能检测技术与装备的研制之中。设备由钻机、传感器、控制器、操控按钮、嵌入式智能控制软件、显示单元、通讯单元及上位机数据管理软件等组成。采用现场控制器与后台上位机相结合的设计，实现现场智能操控与显示，全部数据可在后续上位机上统计分析。实现智能判断、自动运转，解决现有人工采样等诸多问题。

根据本公开的数采装置采用高度集成式设计，显示、控制、供电、数据处理及存储单元均集成到一个箱体内。显示屏采用触摸操作，内置软键盘。并配备机械控制手柄、急停按钮、自动/手动切换旋钮。并且，根据本公开的判定方法，能够根据编程要求的判定条件，对各采集数据进行分析，判断当前工作状态及各种动力现象。

图5和图6分别示出了根据本公开实施例的数采系统的屏幕显示。具体地，图5是数据采集记录屏，共有四大分区。第一分区记录了标准煤粉量，第二分区记录了实际煤粉量，第三分区为系统判断出孔内异响及冲击后的记录区域，并且第四分区实时记录了各传感器的原始数据。图6是数据分析屏，其中通过曲线形式实时显示数据分析结果，并实时显示钻机当前工作状态。屏幕上部提供了施工地点、时间等基础信息。

下面描述根据本公开实施例的操作流程图。

图7示出了根据本公开实施例的数采机械执行流程图。

参照图7，在刷卡开机之后，系统判断是手动还是自动。如果判断为手动，则等待并执行人工摇杆指令。如果超过预定时间没有接收到人工摇杆指令，则关机。如果判断为自动，则系统判断是否是初始位置。如果是初始位置，则需要安装钻杆，然后按下启动按钮以便启动。如果不是初始位置，则流程直接跳到启动。之后，系统判断是否为急停，如果是急停，则等待取消，并且流程返回到是否是初始位置的判断。如果不是急停，则分两种情况工作：第一，反转后退，并且然后通过限位开关1判断是否到达限位；第二，正转前进，并且然后通过限位开关2判断是否到达限位。在图7所示的数采机械执行流程图中，包含手动还是自动的判断，也包含是否急停的判断。从而能够根据情况进行多种选择。

图8示出了根据本公开实施例的危险评估流程图。

参照图8，基于孔深巷高比和煤粉率，能够确定危险评估是否超出指标，如果超出指标，则判断是否是标准煤样，如果是标准煤样，则进行弃样处理。如果不是标准煤样，则通过屏幕进行显示，并且将相关数据进行存储。另外，基于压力传感器和速度传感器的测量结果，进行压力速度判断以便根据压力速度判断结果进行判定。如果回转转速突然降至零，则判断为卡钻；如果推进速度突然增加，则判断为吸钻，并且如果推进压力增加且推进转速大幅降低，则判断为顶钻。最后，无论是判断的卡钻、吸钻、顶钻还是孔内异响或者孔内冲击，都经过是否为标准煤样的判断，如果是标准煤样，则弃样；否则将相关信息进行显示和存储。

图9示出了根据本公开实施例的集成式可编程多参量数据采集分析装置的方框图。

参照图9，根据本公开的集成式可编程多参量数据采集分析装置包括：数据采集模块910，用于采集标准煤粉重量、实际煤粉重量、煤粉温度、煤粉湿度、位移、扭力、转速、风压、推力、噪声等；计算和确定模块920，用于实时地自动对排出的煤粉进行收集称重，并与标准煤粉量进行比较以计算得出煤粉率指数，并且根据由数据采集通道采集的参数确定当前的打钻深度以便确定孔深巷高比；比较和判断模块930，用于将所述煤粉率指数和所述孔深巷高比与预设值进行比较，以便判断是否存在冲击危险性；以及显示和传输模块940，用于对计算和确定的结果以及判断结果进行显示和传输。根据图9所示的装置安装上面描述的各种方法步骤进行操作。

需要说明的是，前述对计算快速评估地震作用下非饱和边坡永久变形的方法实施例的解释说明也适用于该实施例的用于对计算快速评估地震作用下非饱和边坡永久变形的装置实施例，此处不再赘述。

根据本公开的装置，基于转动平衡法进行了边坡在地震作用下的永久位移计算，并将地震作用下动孔隙水压力的影响代入永久位移计算式中，建立了在地震作用下考虑动孔隙水压力影响的边坡永久位移简便计算方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

在本公开的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本公开中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实时或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本公开中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种集成式可编程多参量数据采集分析装置，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于采集标准煤粉重量、实际煤粉重量、煤粉温度、煤粉湿度、位移、扭力、转速、风压、推力、噪声等；

计算和确定模块，用于实时地自动对排出的煤粉进行收集称重，并与标准煤粉量进行比较以计算得出煤粉率指数，并且根据由数据采集通道采集的参数确定当前的打钻深度以便确定孔深巷高比；

比较和判断模块，用于将所述煤粉率指数和所述孔深巷高比与预设值进行比较，以便判断是否存在冲击危险性；以及

显示和传输模块，用于对计算和确定的结果以及判断结果进行显示和传输，

其中，所述装置被实现为智能本安型数采分站，所述数据采集模块、所述计算和确定模块、所述比较和判断模块以及所述存储和显示模块被包含在所述智能本安型数采分站中，并且其中，所述数据采集模块连接到钻机主体，所述钻机主体采用高强度合金材料制作，采用四腿前部支撑和四腿后部支撑，所述前部支撑和所述后部支撑在两个方向均能调整角度，配套导轨长度1.8米。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，使用高精度传感器将温度、湿度、风压、转速、推力、扭力、位移、气体流量指标接入本安型PLC采集单元；使用智能电子秤完成煤粉自动收集、称量并将重量数据传送到PLC监控单元；使用音视频采集卡将音频、视频信号接入PC智能控制系统。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置具有手动/自动选择按钮以及急停按钮，用于由用户选择是手动操作还是自动操作，并且在发生紧急情况，所述装置能够被一键急停。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述前部支撑的长度为1000-1800mm，能够伸缩且能够旋转角度，并且所述后部支撑的长度为1000-1800mm，能够伸缩且能够旋转角度，且所述后部支撑安置有底座，所述底座上设置有固定针。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述钻机主体包括煤粉收集装置，所述煤粉收集装置包括用透明塑料板加工的上盖、用薄铁板加工的下底、位于下端的内径不小于100mm的出粉口。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当单米煤粉量超过指标值时，通过所述显示和传输模块进行声光预警。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述智能本安型数采分站采用2mm拉丝不锈钢板，配7寸高清显示屏，上方钢化玻璃防护，实时显示相关数据。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钻机主体还包括钻杆拆卸装置、钻头及钻杆、回转系统和推进系统，所述回转系统能够正反转、风力回转和齿轮传动，并且所述推进系统能够前进/后退、风力推进和齿条传动。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置经所述显示和传输模块与上位机进行通信，远程通信采取有线和无线双通道，有线控制距离不小于100m，响应时间不超过0.5s，并且无线控制距离不小于500m，响应时间不超过0.5s。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述本安型数采分站利用12V备用电池。

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