王士鑫 繆志農(nóng) 任小花

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.攀枝花學(xué)院電氣信息學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

SIMBA H1354潛孔鉆控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王士鑫1繆志農(nóng)2任小花1

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.攀枝花學(xué)院電氣信息學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

介紹了SIMBA H1354潛孔鉆無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化的基本原理、裝置組成及應(yīng)用情況，并設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、靈活可靠的符合我國(guó)礦山條件的無(wú)線(xiàn)控制裝置和軟件控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明了優(yōu)化的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)SIMBA H1354潛孔鉆車(chē)的可靠、高效的無(wú)線(xiàn)控制。此設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化方案不僅對(duì)提高礦山井下鉆孔工作的安全以及改善工作環(huán)境有著重要意義，同時(shí)對(duì)現(xiàn)行的潛孔鉆車(chē)控制系統(tǒng)的改造具有重要的參考價(jià)值。

潛孔鉆車(chē) 優(yōu)化 控制系統(tǒng) CAN總線(xiàn)

隨著地上礦業(yè)資源的減少，礦產(chǎn)開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)移到了地下，地下采礦工藝技術(shù)得到了飛速發(fā)展，與其配套的鉆孔設(shè)備水平也不斷地提高。全球采礦設(shè)備總的發(fā)展和趨勢(shì)是將地上的設(shè)備引用到地下。由于我國(guó)制造業(yè)的鉆孔工具技術(shù)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，因此，應(yīng)用于各種地下工程的鉆孔設(shè)備大部分還是依靠進(jìn)口[1-2]。我國(guó)很多鐵礦引進(jìn)的是阿特拉斯公司的SIMBA H1354[3]潛孔鉆設(shè)備。對(duì)比于其他設(shè)備，SIMBA H1354不僅在性能和結(jié)構(gòu)上占有優(yōu)勢(shì)，而更重要的莫過(guò)于適合我國(guó)礦業(yè)的地下開(kāi)采環(huán)境。但從安全事故上，還存在一定的缺陷：

(1)機(jī)車(chē)在工作過(guò)程中常移動(dòng)，傳輸電纜會(huì)在地面拖動(dòng)，不僅導(dǎo)致移動(dòng)不方便，還容易出現(xiàn)磨損,諸如鉆孔落石和移動(dòng)拖拽對(duì)電纜的破壞，影響控制信號(hào)傳輸，甚至設(shè)備停運(yùn)。

(2)現(xiàn)有SIMBA H1354操作中,操作人員和操作臺(tái)直接暴露在井下環(huán)境中,井下作業(yè)環(huán)境惡劣,潮濕、噪音大、落石等不利因素都直接影響操作人員和設(shè)備的健康和安全,也不利于操作人員集中精力完成作業(yè)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)有些企業(yè)在引進(jìn)吸收消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的同時(shí)大膽創(chuàng)新，獨(dú)立自主地改進(jìn)和開(kāi)發(fā)適合國(guó)內(nèi)地下采礦環(huán)境現(xiàn)狀的鉆孔技術(shù)，逐漸提高礦業(yè)地下開(kāi)采的操作舒適性和安全性。本研究在攀鋼礦業(yè)的需求和協(xié)作下，對(duì)潛孔鉆SIMBA H1354的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概況及原理

對(duì)于SIMBA H1354潛孔鉆控制系統(tǒng)的優(yōu)化主要是改進(jìn)操作信號(hào)的傳輸方式，將原來(lái)電纜信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換成無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，以減少設(shè)備因電纜被砸而停運(yùn)維修的次數(shù)，同時(shí)減少運(yùn)行拖拉對(duì)電纜的磨損，提高設(shè)備的使用壽命?？傮w設(shè)計(jì)思路如圖1所示。對(duì)于操作過(guò)程中的數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、CAN總線(xiàn)信號(hào)可通過(guò)單片機(jī)、CAN總線(xiàn)控制器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊等元件構(gòu)成的處理系統(tǒng)來(lái)完成，通過(guò)一定的軟件控制設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。為了減少安全事故，改善鉆孔技術(shù)人員的操作環(huán)境，設(shè)計(jì)了一款獨(dú)特的移動(dòng)式密封小車(chē)，操作臺(tái)置于小車(chē)內(nèi)，車(chē)體具備良好的防砸、除塵換氣、隔音防噪、溫度控制等功能。因小車(chē)部分另行加工，下面僅對(duì)信息傳輸優(yōu)化進(jìn)行分析。

圖1 總體設(shè)計(jì)思路Fig.1 The overall design idea

依據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)施計(jì)劃，將系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分2個(gè)部分：機(jī)車(chē)端設(shè)計(jì)和操作端設(shè)計(jì)，分別如圖2、圖3所示。

圖2 機(jī)車(chē)端設(shè)計(jì)Fig.2 The design of locomotive end

圖3 操作端設(shè)計(jì)Fig.3 The design of operation end

系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理是操作端的操作信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集模塊獲取，然后將其送入單片機(jī)系統(tǒng)；分析和處理后將需要傳送的數(shù)據(jù)送至無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊發(fā)送器，將信號(hào)無(wú)線(xiàn)發(fā)送至機(jī)車(chē)端；經(jīng)機(jī)車(chē)端的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊接收，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)還原處理將控制信號(hào)送入控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成設(shè)備操作。但CAN總線(xiàn)信號(hào)通過(guò)總線(xiàn)控制器、驅(qū)動(dòng)器以及無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)交互傳遞。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)方向，對(duì)SIMBA H1354潛孔鉆車(chē)的控制原理、運(yùn)作方式及作業(yè)環(huán)境進(jìn)行了科學(xué)性的分析對(duì)比，確定了性?xún)r(jià)比高且功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的適合鉆車(chē)工作環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。包含有主控單元模塊、CAN總線(xiàn)通信模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊。

2.1 主控單元模塊

基于單片機(jī)技術(shù)、CAN總線(xiàn)通信技術(shù)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為控制核心，輔以CAN總線(xiàn)控制及驅(qū)動(dòng)和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)SIMBA H1354潛孔鉆車(chē)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信。主控單元除負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理外，還要觸發(fā)無(wú)線(xiàn)通信模塊和CAN總線(xiàn)通信模塊工作，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，在整個(gè)系統(tǒng)中起著主導(dǎo)作用。無(wú)線(xiàn)通信模塊采用nRF24L01通信芯片[3]，而CAN總線(xiàn)通信模塊采用MCP2515控制器和MCP2551驅(qū)動(dòng)器[4-6]，運(yùn)用單片機(jī)MSP430f5438進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[7-9]。

2.2 CAN總線(xiàn)通信模塊

CAN是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種串行數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)，為現(xiàn)在工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一[7]。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)完成了CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與顯示屏之間的無(wú)線(xiàn)通信，為功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)核心。為了滿(mǎn)足操作臺(tái)顯示器實(shí)時(shí)顯示機(jī)車(chē)鉆頭傾角及打孔深度的要求，本部分作為獨(dú)立的模塊，系統(tǒng)上電即工作。硬件采用獨(dú)立式的MCP2515總線(xiàn)控制器及MCP2551總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)對(duì)控制器編寫(xiě)入控制器芯片的發(fā)送緩沖區(qū)里發(fā)送出去，通過(guò)nRF24L01通信芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信，而目的節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)里，運(yùn)用單片機(jī)控制各器件的觸發(fā)。CAN總線(xiàn)通信硬件原理圖如圖4所示。

圖4 CAN總線(xiàn)通信硬件原理圖Fig.4 The hardware principle diagram of CAN bus communication

2.3 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用nRF24L01通信芯片，該芯片具有內(nèi)置地址解碼器、選入現(xiàn)出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等功能模塊，只需要很少的外圍元件，使用非常方便。同時(shí)，此芯片的通信頻段為2.4～2.5 GHz世界通用的ISM頻段的芯片，省去了申請(qǐng)使用特定頻段的麻煩。單片機(jī)MSP430f5438的串口與nRF24L01通信芯片相連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。操作端發(fā)送與機(jī)車(chē)端接收的硬件設(shè)計(jì)具有映射關(guān)系，具有通用性。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，為了保證CAN總線(xiàn)信號(hào)的連續(xù)性，分別進(jìn)行2部分的數(shù)據(jù)通信，即數(shù)字、模擬信號(hào)通信和CAN總線(xiàn)通信各用1個(gè)無(wú)線(xiàn)通信芯片。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。但是，對(duì)于系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)將分為發(fā)送程序和接收程序設(shè)計(jì)。

圖5 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)Fig.5 The software design of achievement of system functions

3.1 發(fā)送程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般情況下，程序設(shè)計(jì)首先編寫(xiě)的就是初始化程序，再者就是功能性程序。對(duì)于本系統(tǒng)的發(fā)送程序，主要是單片機(jī)的初始化程序、nRF24L01的初始化程序、MCP2515的初始化程序、數(shù)據(jù)編碼發(fā)送程序。主程序開(kāi)始將先調(diào)用單片機(jī)初始化程序，來(lái)完成工作參數(shù)設(shè)置，然后依據(jù)采集的操作信號(hào)的改變，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，向機(jī)車(chē)端發(fā)送控制信號(hào)。發(fā)送程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的程序流程如圖6所示。

圖6 發(fā)送程序設(shè)計(jì)的程序流程Fig.6 The program flow chart of design to send program

3.2 接收程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相對(duì)于發(fā)送程序，機(jī)車(chē)端的接收程序設(shè)計(jì)可視為其反過(guò)程。同樣，具有單片機(jī)初始化程序、nRF24L01的初始化程序、MCP2515的初始化程序、數(shù)據(jù)解碼接收程序。其主程序開(kāi)始調(diào)用完初始化程序后，設(shè)置工作參數(shù)，根據(jù)操作端的操作信號(hào)的改變，調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)，通過(guò)解碼操作還原操作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的抗干擾措施

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的干擾有過(guò)渡干擾、地線(xiàn)干擾、模擬開(kāi)關(guān)帶來(lái)的各種環(huán)境噪聲干擾、電源中的噪聲干擾等。對(duì)于數(shù)?；旌想娐分械倪^(guò)渡干擾，設(shè)計(jì)時(shí)用鐵氧磁珠將模擬5 V和其他數(shù)字電路隔離來(lái)消除。地線(xiàn)干擾可將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)走線(xiàn)，為確保模擬信號(hào)的穩(wěn)定，可用1個(gè)電感將模擬地和信號(hào)地連接于1點(diǎn)。模擬開(kāi)關(guān)帶來(lái)的干擾采用軟件延時(shí)加以消除。

對(duì)于無(wú)線(xiàn)電等外界的干擾，因礦井下具有天然屏蔽環(huán)境，有利于消除此干擾。

對(duì)于井下其他無(wú)線(xiàn)通信的干擾，本設(shè)計(jì)工作頻段選擇在2.4～2.5 GHz世界通用的ISM頻段，與其他通信頻段進(jìn)行區(qū)分避免干擾產(chǎn)生。

通信過(guò)程中，不同巷道工作的設(shè)備之間可能出現(xiàn)的誤操作，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行編號(hào)，采用設(shè)備配對(duì)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，排除誤操作的可能性。

5 結(jié) 論

通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能很好地實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信，達(dá)到了工業(yè)控制的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性的要求。本設(shè)計(jì)為插拔式外接模塊，便于此系統(tǒng)的推廣。我們應(yīng)正視國(guó)內(nèi)鉆孔設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀，未來(lái)的鉆井工具的發(fā)展應(yīng)積極借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)還應(yīng)注重技術(shù)的自主創(chuàng)新性，本項(xiàng)目的實(shí)施為今后的鉆車(chē)進(jìn)行改進(jìn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

·信 息·

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The Optimal Design of Control System of SIMBA H1354 DTH Drill

Wang Shixin1Miao Zhinong2Ren Xiaohua1

(1.SchoolofElectricalandInformationEngineering，XihuaUniversity,Chengdu610039,China; 2.SchoolofElectricalandInformationEngineering，PanzhihuaUniversity,Panzhihua617000,China)

The basic principles，device constitution and its application of the optimal scheme of the wireless control technology of the SIMBA H1354 DTH Drill are introduced.And a set of wireless control device and software control system with simple structure，easy maintenance，and flexible and reliable operation which is in line with our mining conditions are designed.The field performance and experiments showed that the optimized system made the realization of a reliable and efficient wireless control to the SIMBA H1354 DTH Drill.This design idea and optimized program improves the safety of the underground drilling work and the working environment.It also has important reference value to the transformation of existing DTH Drill control system.

DTH drill，Optimization，Control system，CAN bus

2013-11-22

王士鑫(1987—)，男，碩士研究生。

TD63+2.9

A

1001-1250(2014)-01-116-04