要振國(guó)

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤炭作為重要的基礎(chǔ)能源，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的位置[1-2]。煤礦井下鉆機(jī)主要用于煤礦開采階段的瓦斯抽排放、水探放等方面，是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯防治與水害預(yù)防的重要設(shè)備，因此，井下鉆機(jī)的安全可靠運(yùn)行與煤礦生產(chǎn)安全緊密相關(guān)[3-5]。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，井下工作環(huán)境較為復(fù)雜，存在瓦斯、水害、煤塵等多種干擾，工作人員跟機(jī)操作較為危險(xiǎn)，容易造成人員損傷，需要保持一個(gè)安全距離，同時(shí)煤礦生產(chǎn)對(duì)鉆機(jī)控制的穩(wěn)定性、可靠性要求較高，目前已有的控制系統(tǒng)已不能滿足生產(chǎn)需要[6-8]。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出設(shè)計(jì)一種主要用于礦井鉆機(jī)的電液遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的遠(yuǎn)程穩(wěn)定控制，保障生產(chǎn)安全，提高煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體方案

井下鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)一般包括支承結(jié)構(gòu)、行動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)裝置、給進(jìn)裝置、泵站、控制臺(tái)、鉆桿裝卸結(jié)構(gòu)等。工作過(guò)程中利用液壓油缸實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)給進(jìn)與起拔，通過(guò)馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)并提供一定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)破碎巖石的目的，卸扣結(jié)構(gòu)以及夾緊器搭配共同完成鉆桿的自動(dòng)裝卸工作?？刂葡到y(tǒng)是其中最重要的部分，過(guò)去主要通過(guò)全液壓控制，控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，利用液壓控制閥控制一般需要跟機(jī)控制，穩(wěn)定性、可靠性不足，存在故障率高、安全性差的特點(diǎn)。本文參考相關(guān)資料并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，利用目前較為先進(jìn)的電液控制技術(shù)，對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行程序化設(shè)計(jì)，采用微控制器、電磁閥等控制元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下鉆機(jī)的安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行控制，可完成遠(yuǎn)程控制操作，保證安全距離，保護(hù)工人的安全。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦井下鉆機(jī)工作環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)安全性、可靠性要求較高，結(jié)合開發(fā)成本以及實(shí)際生產(chǎn)要求等多方面情況，本文選用了工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的微控制器作為鉆機(jī)控制臺(tái)以及遠(yuǎn)程控制器的核心元件?？刂葡到y(tǒng)選用的硬件設(shè)備包括微控制器、顯示觸摸屏、通訊網(wǎng)絡(luò)、電磁閥等。經(jīng)過(guò)比較，微控制器選用意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的STM32F103 型號(hào)，該產(chǎn)品具有豐富的I/O模塊，且功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境；微處理器通過(guò)與電磁閥搭配可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)的安全穩(wěn)定控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 液壓控制模塊

遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)主要分為3 部分：液壓控制部分、電氣控制部分、狀態(tài)監(jiān)測(cè)部分。液壓控制部分利用液壓泵為進(jìn)給結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)及自動(dòng)裝卸結(jié)構(gòu)供油，同時(shí)借助電磁閥的調(diào)整完成對(duì)執(zhí)行元件的控制。其中，使用的電磁閥包括開關(guān)電磁閥以及比例電磁閥，具有穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，有效的提高了控制的準(zhǔn)確性。

2.2 電氣控制模塊

微控制器是鉆機(jī)遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)核心設(shè)備，控制過(guò)程中主要通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器分別采集壓力、溫度、位移等模擬量狀態(tài)信號(hào)，而后進(jìn)入模擬量輸入模塊，經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大、A/D轉(zhuǎn)換，傳遞給控制器。開關(guān)量等數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字量輸入模塊進(jìn)入控制器，由控制器程序運(yùn)算得出控制指令，經(jīng)過(guò)D/A 轉(zhuǎn)化，控制電磁閥，實(shí)現(xiàn)控制策略的及時(shí)調(diào)整。在此過(guò)程中，可利用顯示觸摸屏完成數(shù)據(jù)的可視化，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成控制指令的輸入以及調(diào)整。開關(guān)量輸入電路如圖3所示。

圖3 開關(guān)量輸入電路圖

2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊包括對(duì)鉆機(jī)工作環(huán)境、控制過(guò)程以及鉆機(jī)本身情況的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，以保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。其中，環(huán)境監(jiān)測(cè)包括對(duì)瓦斯?jié)舛?、溫度的監(jiān)測(cè)；設(shè)備本身情況監(jiān)測(cè)包括對(duì)馬達(dá)溫度與電流監(jiān)測(cè)、液壓油泵壓力監(jiān)測(cè)；控制過(guò)程監(jiān)測(cè)主要是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流情況、各個(gè)回路的電流電壓監(jiān)測(cè)，液壓系統(tǒng)壓力、溫度情況的監(jiān)測(cè)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)通過(guò)傳感器檢測(cè)各設(shè)備測(cè)點(diǎn)位置的溫度和電流等相應(yīng)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理與調(diào)理模塊處理傳輸給微控制器、監(jiān)測(cè)模塊據(jù)此判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，并將監(jiān)測(cè)情況可視化，顯示給工作人員，故障情況下還可通過(guò)聲光報(bào)警器裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。

3 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以微控制器作為運(yùn)算處理核心設(shè)備，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的連接與通訊。設(shè)備操作臺(tái)微控制器與遠(yuǎn)程控制站微控制器的2 臺(tái)微控制器STM32 通過(guò)串行通訊實(shí)現(xiàn)連接，簡(jiǎn)單易操作。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)傳感器模擬量信號(hào)進(jìn)行采集輸入、初步預(yù)處理與信號(hào)調(diào)理，由外電路輸入到預(yù)處理模塊處理，后送至運(yùn)算程序，報(bào)警保護(hù)裝置也通過(guò)外電路實(shí)現(xiàn)與微控制器的連接。顯示觸摸屏通過(guò)modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與STM32的連接通訊。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的軟件設(shè)計(jì)分為鉆機(jī)控制臺(tái)程序和遠(yuǎn)程控制站程序2個(gè)部分。鉆機(jī)控制臺(tái)主要為現(xiàn)場(chǎng)控制，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各部位傳感器數(shù)據(jù)的采集預(yù)處理，以及對(duì)電磁比例閥以及電磁開關(guān)閥的控制，同時(shí)與遠(yuǎn)程控制臺(tái)進(jìn)行通訊，將采集數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程控制臺(tái)，并接受遠(yuǎn)程控制臺(tái)的控制指令。兩部分控制程序都包括主程序、信號(hào)輸出程序以及通訊模塊程序3 個(gè)部分，主程序可完成對(duì)系統(tǒng)上電、初始化復(fù)位、通訊以及信號(hào)輸入輸出模塊子程序調(diào)用、數(shù)據(jù)的讀取、運(yùn)算、命令執(zhí)行等一系列操作，通訊子程序與數(shù)據(jù)輸入輸出子程序完成連接通訊以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸工作。

為了保障系統(tǒng)軟件的可靠性，軟件程序在Keil系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境μVision 開發(fā)平臺(tái)中進(jìn)行了C語(yǔ)言編程的實(shí)現(xiàn)以及仿真調(diào)試工作，該系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)，具有豐富的庫(kù)函數(shù)，同時(shí)囊括了連接器、調(diào)試器等功能，具有強(qiáng)大的嵌入式開發(fā)能力，應(yīng)用廣泛。調(diào)試測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)程序運(yùn)行效果良好，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。遠(yuǎn)程控制站主程序流程如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程控制站主程序流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的煤礦井下鉆機(jī)的電液遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下鉆機(jī)的電液遠(yuǎn)距離控制，保證了工人安全操作距離，同時(shí)滿足了跟機(jī)操作的要求。系統(tǒng)采用較為先進(jìn)的電液控制技術(shù)，具有穩(wěn)定性好，可靠性高的特點(diǎn)，能夠有效保障煤礦企業(yè)生產(chǎn)安全的要求。系統(tǒng)同時(shí)具有自我監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能，保障井下鉆機(jī)的穩(wěn)定高效運(yùn)行，提高鉆機(jī)的自動(dòng)化程度。