林天祥

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊，黑龍江 哈爾濱 150040）

在深部地質(zhì)進(jìn)行智能勘查的過程中，若出現(xiàn)勘查控制偏度系數(shù)高的問題，會嚴(yán)重影響后續(xù)深部地質(zhì)鉆探工作的精準(zhǔn)性，進(jìn)而形成安全隱患。在我國，針對自動控制系統(tǒng)的研究中，盡管研究起步較早，但對基數(shù)較大且大部分被分散存儲的勘察信息進(jìn)行精準(zhǔn)控制具有很高的難度系數(shù)，導(dǎo)致研究普遍存在局限性，很難在真正意義上實現(xiàn)自動精準(zhǔn)控制[1，2]。提高智能勘查信息的精準(zhǔn)度一直是深部地質(zhì)鉆探中的重點，因此，智能勘查自動控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。智能勘查自動控制系統(tǒng)作為對智能勘查進(jìn)行自動控制的重要手段，已經(jīng)成為了有關(guān)部門的調(diào)研重點。為解決深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制精度低的問題，本文通過對深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，致力于提高深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制精度。

1 深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)硬件部分

綜合深部地質(zhì)鉆探區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場環(huán)境，在系統(tǒng)硬件方面設(shè)計了工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡以及顯示器。同時，配備硬盤、鍵盤、鼠標(biāo)等一些基本硬件，但這些基本硬件不作為此次研究重點，以下將對上文提出的三個核心硬件進(jìn)行詳細(xì)描述。具體研究內(nèi)容，如下文所述。

1.1 工控機(jī)

將主控制芯片作為工控機(jī)設(shè)計的核心部分，對系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計。工控機(jī)的主要組成包括：主控制芯片、CPU、傳感器以及顯卡等[3]。在對主控制芯片的型號進(jìn)行選擇時，應(yīng)根據(jù)主控制芯片的功能需要、接口處資源、深部地質(zhì)鉆探的工業(yè)性、尺寸大小以及功率消耗等相關(guān)因素選擇。針對上述要求，本文選擇將型號為ZW245V25-27 的主控制芯片引入到工控機(jī)設(shè)計當(dāng)中。ZW245V25-27 主控制芯片各項參數(shù)配置要求，如表1 所示。

表1 ZW245V25-27 主控制芯片各項參數(shù)配置要求

結(jié)合表1 所示，ZW245V25-27 主控制芯片可以使工控機(jī)的各項性能達(dá)到最佳，并且在一定程度上節(jié)省系統(tǒng)匯總硬件的運行時間，同時節(jié)約成本。ZW245V25-27 主控制芯片主要控制多個電路的通斷以及對智能配電的速度調(diào)節(jié)，因此具有更高的控制能力。工控機(jī)主要用于為深部地質(zhì)鉆探提供驅(qū)動，其主要電路是由MOSFET 金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和高速光耦共同構(gòu)成，驅(qū)動形式為脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動，從而讓深部地質(zhì)鉆探獲得自由的智能勘查調(diào)速。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集板卡主要是為智能勘查自動控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，對工控機(jī)中得到的智能勘查自動控制數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合采集。根據(jù)智能勘查自動控制系統(tǒng)設(shè)計需求，采用型號為HYVJ-KIBI152 數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該數(shù)據(jù)采集辦卡性能高，且數(shù)據(jù)采集速度較快，通過一個2 路六位模擬量輸入模塊，對智能勘查自動控制數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過ISA總線使服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集板卡互聯(lián)，即可控制數(shù)據(jù)采集板卡運行。

1.3 顯示器

設(shè)計顯示器作為智能勘查自動控制系統(tǒng)運行結(jié)果的展示界面，將數(shù)據(jù)采集板卡采集到的智能勘查自動控制數(shù)據(jù)以及深部地質(zhì)鉆探工程監(jiān)控參數(shù)在顯示器上顯示。本文共設(shè)計2 臺顯示器，型號均為CFR2548，尺寸為32 寸。每臺顯示器共有20 路，通過串口通訊能夠直接獲得智能勘查自動控制數(shù)據(jù)。通過Sucount K 網(wǎng)絡(luò)與下層控制主機(jī)相聯(lián)。顯示器的硬件環(huán)境配置，包括： 2Mbpspc 端各類型瀏覽器及移動端各類型瀏覽器，類型為帶寬可支持瀏覽器。

2 深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)軟件部分

根據(jù)智能勘查自動控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境，為實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制功能，將系統(tǒng)軟件部分分為三步進(jìn)行設(shè)計，以下將對系統(tǒng)涉及軟件部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 控制數(shù)據(jù)自動采樣處理

利用計算機(jī)自動獲取每一個端口當(dāng)中的智能勘查自動控制數(shù)據(jù)信息，完成對控制數(shù)據(jù)的自動化采樣。在深部地質(zhì)鉆探過程中，必然會存在一部分無效的數(shù)據(jù)樣本，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)無效控制，采用虛擬專網(wǎng)技術(shù)與集控中心連接，對遠(yuǎn)程智能勘查自動控制命令進(jìn)行數(shù)字簽名，由配電室CHub-68 通訊管理的方式確保遠(yuǎn)程操作安全可靠。

2.2 智能勘查控制當(dāng)量計算

獲取深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制數(shù)據(jù)后，計算智能勘查控制當(dāng)量。計算時，首先給工控機(jī)一個已知的數(shù)值，利用該數(shù)值，自動給出系統(tǒng)一個原始恒定的運行速度，待工控機(jī)運行一段時間后，通過改變這一定值，計算相關(guān)當(dāng)量自動控制智能勘查的速度。設(shè)智能勘查控制當(dāng)量為W，可得公式（1）：

公式（1）中，K 指的是工控機(jī)在實際運行過程中的比例系數(shù)；x 指的是系統(tǒng)自動采樣次數(shù)，為實數(shù)；f(x)指的是當(dāng)系統(tǒng)第x 次自動采樣時與實際定量之間的偏差；j 指的是控制誤差比例系數(shù)。利用上述公式計算出智能勘查控制當(dāng)量，為控制當(dāng)量映射提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 智能勘查控制當(dāng)量映射

得到智能勘查的控制當(dāng)量后，利用計算機(jī)接口實現(xiàn)控制當(dāng)量的映射，映射出兩個4 位數(shù)的8 進(jìn)制數(shù)，最終獲得在每個控制點位上的自動控制數(shù)據(jù)，再利用特定的變量數(shù)據(jù)對深部地質(zhì)鉆探中智能勘查控制數(shù)據(jù)映射，形成區(qū)域性的映射?？刂飘?dāng)量映射是將用戶在系統(tǒng)當(dāng)中輸入的智能勘查控制信息轉(zhuǎn)換為具體的參數(shù)控制，用戶只需事先將規(guī)定的智能勘查控制限制輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，通過系統(tǒng)自動檢測是否進(jìn)行控制參數(shù)的改變。

3 實例分析

3.1 實驗條件

本次實驗選擇某礦山作為實驗對象，該礦山正處于深部地質(zhì)鉆探工程開展中，鉆探施工區(qū)域地下深度最深可達(dá)1500m，巖層傾向156°～186°，傾角在56°～69°左右，線路沿線沒有斷層通過，巖體受應(yīng)力作用相對微弱，且?guī)r體層面層間結(jié)合較差，存在薄層狀泥化現(xiàn)象。本次實驗將控制偏度系數(shù)作為實驗測試指標(biāo)，控制偏度系數(shù)越低證明該控制系統(tǒng)的控制精度越高。分別使用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)以及本文設(shè)計控制系統(tǒng)進(jìn)行實驗，設(shè)置傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)為對照組，本文設(shè)計控制系統(tǒng)為實驗組。在此次的實驗中，設(shè)置實驗時間為7小時，記錄實驗結(jié)果。

3.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)實驗結(jié)果得出兩種控制系統(tǒng)的控制偏度系數(shù)，具體結(jié)果如圖1 所示。

圖1 控制偏度系數(shù)對比圖

通過圖1 可得出如下的結(jié)論：本文設(shè)計的控制系統(tǒng)在相同的測試時間中控制偏度系數(shù)相較于對照組更低，控制精度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)深部地質(zhì)鉆探中智能勘查精準(zhǔn)自動控制。

4 結(jié)語

通過深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)設(shè)計，能夠取得一定程度上的研究成果。通過實驗證明設(shè)計控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，同時控制偏度系數(shù)得到有效降低。通過對控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計能夠提高智能勘查精度，為深部地質(zhì)鉆探中的智能勘查帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诤罄m(xù)的研究中還將加大設(shè)計控制系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用力度，從而實現(xiàn)深部地質(zhì)鉆探中智能勘查的高精度自動控制。