劉鑄，栗林波，杜建榮，張宇翔，宋建成

(1.太原理工大學(xué) 礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室， 山西 太原 030024；2.山西金鼎高寶鉆探有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000)

0 引言

礦用水平定向鉆機(jī)是進(jìn)行煤礦井下瓦斯抽放、井下高壓探放水、煤層厚度探測、地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測、礦井水害治理等過程中重要的鉆進(jìn)工具[1-4]，能夠?qū)崿F(xiàn)長鉆孔定向鉆進(jìn)和鉆孔軌跡精確控制，提高瓦斯抽采效率[5]。與鉆機(jī)配套的智能化電控系統(tǒng)既能夠有效保障生產(chǎn)安全，又可以充分發(fā)揮鉆機(jī)鉆探優(yōu)勢，對井下高效生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。閆毅等[6]設(shè)計了一種基于PLC的礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運用PID控制算法對液壓泵驅(qū)動電動機(jī)、液壓泵及動力頭進(jìn)行控制，實現(xiàn)了礦井鉆機(jī)的自動控制。趙良[7]設(shè)計了一種煤層氣車載鉆機(jī)電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)和分布式控制架構(gòu)，實現(xiàn)了參數(shù)在線監(jiān)測和鉆進(jìn)控制功能，硬件集成度高。王賀劍等[8]設(shè)計了一種煤礦坑道鉆機(jī)電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于鉆進(jìn)控制策略，實現(xiàn)了鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制和自動鉆進(jìn)。目前礦用水平定向鉆機(jī)已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但與之配套的電控系統(tǒng)智能化程度低、功能單一、安全性差，滿足不了智慧礦山的發(fā)展需求[9-10]。針對上述問題，開發(fā)了一套礦用水平定向鉆機(jī)智能化電控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

礦用水平定向鉆機(jī)智能化電控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，包括自動感知單元、智能控制單元、人機(jī)界面單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元。自動感知單元包括信號安全柵模塊、先導(dǎo)模塊、漏電流檢測模塊、漏電閉鎖模塊和電壓電流檢測模塊，采集傳感器信號并傳輸至智能控制單元。智能控制單元主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲計算、故障智能分析和智能控制輸出，將處理后的信息通過通信接口送至人機(jī)界面單元，并按照故障智能分析結(jié)果控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元動作。人機(jī)界面單元主要實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)在線監(jiān)測、故障類型報警及歷史數(shù)據(jù)查詢功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元由一次側(cè)主電路繼電器和接觸器組成，實現(xiàn)電動機(jī)驅(qū)動功能。

圖1 礦用水平定向鉆機(jī)智能化電控系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall structure of intelligent electric control system for mine horizontal directional drilling rig

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

礦用水平定向鉆機(jī)智能化電控系統(tǒng)硬件主要由微處理器、電壓電流檢測模塊、安全柵采集模塊、漏電閉鎖模塊、漏電流檢測模塊和先導(dǎo)模塊組成。

(1) 微處理器。STM32F407系列微處理器芯片具有168 MHz高速主頻、浮點運算模塊及數(shù)字信號處理單元，可實現(xiàn)各種復(fù)雜算法計算[11]。

(2) 電壓電流檢測模塊。電壓和電流是電控系統(tǒng)的2個關(guān)鍵故障參數(shù)，通過對其可靠檢測，可以精準(zhǔn)定位故障類型。電壓電流檢測模塊采用交流采樣法，以保持原始參數(shù)的完整性，確保故障信息不丟失，為智能識別和快速切除系統(tǒng)故障提供可靠保障[12]。

(3) 安全柵采集模塊。由于井下特殊的瓦斯工作環(huán)境，電氣設(shè)備微弱的電火花也會造成嚴(yán)重的后果。為避免該類事故的發(fā)生，并保障信號采集的精度，設(shè)計了安全柵采集電路。安全柵是本安系統(tǒng)的重要組成單元，可將電氣設(shè)備的能量隔離開，在信號采集過程中起到限壓限流和故障隔離的作用[13]。根據(jù)傳感器信號類型，選用開關(guān)量安全柵、模擬量安全柵和熱電阻安全柵，具體連接如圖2所示。電動機(jī)前后端急停按鈕和瓦斯超限變送器信號經(jīng)過開關(guān)量安全柵隔離，油位變送器和行走壓力變送器信號經(jīng)過模擬量安全柵隔離，3個測量溫度的PT100傳感器信號經(jīng)過熱電阻安全柵隔離，隔離后的信號送至安全側(cè)控制器中。供電側(cè)采用DC/DC隔離供電模塊為系統(tǒng)供電。隔離芯片隔離信號采集通道，實現(xiàn)供電側(cè)、安全側(cè)和危險側(cè)之間的隔離，提升信號采集過程中的安全系數(shù)。

圖2 安全柵連接Fig.2 Safety barrier connection

(4) 漏電閉鎖模塊。漏電閉鎖模塊用于在電動機(jī)啟動前對供電線路的絕緣狀態(tài)(通過電動機(jī)對地等效絕緣電阻值的大小體現(xiàn))進(jìn)行檢測[14]，以保障電動機(jī)安全啟動。漏電閉鎖電路如圖3所示，采用外加直流電的方法檢測電動機(jī)對地等效絕緣電阻。通過測量R2左側(cè)電壓即可推算出電動機(jī)對地等效絕緣電阻。將推算出的電阻值與漏電閉鎖動作電阻的整定值比較，實現(xiàn)電動機(jī)漏電閉鎖故障的切除。

圖3 漏電閉鎖電路Fig.3 Leakage blocking circuit

(5) 漏電流檢測模塊。漏電是礦井供電系統(tǒng)的主要故障形式之一，會導(dǎo)致人身觸電等重大安全事故。漏電故障數(shù)量約占電氣故障總數(shù)的50%。漏電流檢測模塊采用外加零序電流互感器的方法，在線檢測回路中的漏電流。零序電流互感器輸出的0～2.5 mA電流信號經(jīng)過調(diào)理電路處理后輸出0～3 V電壓信號，再由處理器采集、濾波和判斷，最后通過繼電器隔離輸出，達(dá)到快速切除漏電故障的目的。

(6) 先導(dǎo)模塊。遠(yuǎn)程控制是保障井下工人生命安全的有效途徑，但由于井下長距離線纜鋪設(shè)的要求，在實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制時極易因線纜短路、碰撞、摩擦等原因產(chǎn)生誤動作信號，造成生命財產(chǎn)的損失。為解決該問題，設(shè)計了先導(dǎo)模塊。先導(dǎo)模塊除了可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能外，還可在滿足本質(zhì)安全性能的基礎(chǔ)上對故障信號進(jìn)行采集，有效減少誤動作。先導(dǎo)模塊如圖4所示。模塊由555定時器芯片產(chǎn)生±5 V方波信號，通過遠(yuǎn)程按鈕盒中2個檢測二極管后傳輸至光耦檢測電路，光耦檢測電路隔離輸出4路開關(guān)量信號，經(jīng)組合邏輯門電路判斷后，由繼電器驅(qū)動輸出正確的電動機(jī)啟動或停止信號。當(dāng)信號線路出現(xiàn)短路或斷路故障時，繼電器輸出閉鎖，電動機(jī)停機(jī)。

圖4 先導(dǎo)模塊Fig.4 Pilot module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

礦用水平定向鉆機(jī)智能化電控系統(tǒng)軟件由主程序和各功能子程序組成。其中子程序主要包括無載保護(hù)程序、帶載保護(hù)程序和顯示程序。

3.1 主程序

主程序采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，實現(xiàn)參數(shù)主動獲取、電動機(jī)智能控制、故障快速切除等功能，流程如圖5所示。微處理器上電后依次執(zhí)行系統(tǒng)初始化、參數(shù)感知和存儲、無載保護(hù)程序，完成電動機(jī)啟動前的準(zhǔn)備。判斷系統(tǒng)是否滿足電動機(jī)啟動條件，若滿足則運行電動機(jī)智能控制和帶載保護(hù)程序；若不滿足則啟動故障報警程序。實時顯示運行參數(shù)和故障報警信息。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow

3.2 無載保護(hù)程序

無載保護(hù)程序用于電動機(jī)啟動條件判斷，防止啟動瞬間對設(shè)備和人員造成傷害，是系統(tǒng)實現(xiàn)智能化控制的前提條件。對電動機(jī)對地絕緣狀態(tài)、供電系統(tǒng)故障、瓦斯超限故障、油箱油位故障、行走壓力故障等進(jìn)行系統(tǒng)智能化檢測診斷。若存在故障，則禁止電動機(jī)啟動，系統(tǒng)快速動作切除故障。只有將所有故障都排除，故障標(biāo)志位清零，系統(tǒng)才可正常啟動。

3.3 帶載保護(hù)程序

帶載保護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)故障診斷和動作保護(hù)功能，具體流程如圖6所示。當(dāng)電動機(jī)啟動后，系統(tǒng)先進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)計算，分析系統(tǒng)運行狀態(tài)；然后判斷負(fù)序電流是否超出設(shè)定閾值，若超出設(shè)定閾值則電動機(jī)停機(jī)，再根據(jù)三相電流計算出三相不對稱故障類型,并完成故障報警；若未超出設(shè)定閾值則判斷電動機(jī)是否存在過載故障，若存在則運行分段過載保護(hù)程序并完成故障報警；若不存在則判斷系統(tǒng)是否存在漏電故障，若存在則電動機(jī)停機(jī)并完成故障報警。

圖6 帶載保護(hù)流程Fig.6 With load protection process

3.4 顯示程序

智能化監(jiān)測監(jiān)控平臺可降低設(shè)備操作的復(fù)雜程度，提高電控系統(tǒng)智能化水平。現(xiàn)場操作人員根據(jù)實時參數(shù)獲取設(shè)備運行狀態(tài)，根據(jù)故障類型精準(zhǔn)定位故障發(fā)生位置，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)設(shè)備壽命管理。系統(tǒng)采用DOP-100系列觸摸屏，通過DOPSoft V4.0編程軟件實現(xiàn)界面編程[15]。編程畫面分為主界面和子界面，主界面用于系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測，子界面負(fù)責(zé)故障類型提示和歷史數(shù)據(jù)查詢顯示任務(wù)。其中，監(jiān)測主界面如圖7所示，該界面可在線監(jiān)測2臺電動機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的變化。

圖7 監(jiān)測主界面Fig.7 Monitoring main interface

4 測試分析

為了檢驗礦用水平定向鉆機(jī)電控系統(tǒng)是否滿足井下設(shè)備智能化的應(yīng)用要求，分別對系統(tǒng)的基本功能、信號采集精度及故障保護(hù)性能進(jìn)行測試。

4.1 基本功能測試

對電動機(jī)遠(yuǎn)程和就地啟?？刂萍斑h(yuǎn)程先導(dǎo)保護(hù)功能進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，電動機(jī)遠(yuǎn)程和就地啟?？刂贫寄軌蚩煽客瓿?，不存在誤動作；人為制造信號傳輸線路短路和斷路故障，先導(dǎo)保護(hù)能及時檢測到故障并完成電動機(jī)保護(hù)。

4.2 電流采集精度測試

電流采集精度是系統(tǒng)開發(fā)需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，也是系統(tǒng)進(jìn)行故障類型精準(zhǔn)識別的前提條件。現(xiàn)場測試時，通過電流發(fā)生器產(chǎn)生0～1 800 A電流，共完成16組電流值的測試，測試結(jié)果如圖8所示。可看出在測量范圍內(nèi)，電流誤差始終小于2%，滿足電控系統(tǒng)應(yīng)用要求。

圖8 電流采集測試Fig.8 Current acquisition test

4.3 漏電閉鎖測試

電動機(jī)啟動前的漏電閉鎖保護(hù)是系統(tǒng)安全啟動的可靠保證。以660 V工作電壓為例，為確保人體觸電電流和作用時間的乘積小于30 mA·h，要求系統(tǒng)在電動機(jī)對地絕緣電阻值為22 kΩ時動作閉鎖，在33 kΩ時恢復(fù)。實際測試時，在電動機(jī)與大地間接入滑動變阻器，調(diào)節(jié)滑動變阻器大小，觀察漏電閉鎖保護(hù)是否動作。漏電閉鎖測試結(jié)果見表1?？煽闯鲭妱訖C(jī)在絕緣電阻小于22 kΩ時不動作，在22 kΩ時開始閉鎖保護(hù)動作，直至33 kΩ時解除閉鎖保護(hù)動作。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)故障識別準(zhǔn)確，漏電閉鎖保護(hù)動作可靠性高。

表1 漏電閉鎖測試Table 1 Leakage blocking test

4.4 過載保護(hù)測試

過載故障是智能化電控系統(tǒng)最常發(fā)生的故障之一，根據(jù)過載倍數(shù)延時動作實現(xiàn)過載保護(hù)，是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的保障。以200 A的電動機(jī)額定電流為例，模擬產(chǎn)生各種倍數(shù)過載電流，觀察過載保護(hù)動作時間，測試結(jié)果見表2?？煽闯鲞^載倍數(shù)越大，系統(tǒng)延時完成保護(hù)動作的時間越短。測試結(jié)果滿足《煤礦安全規(guī)程》過載故障保護(hù)要求。

表2 過載保護(hù)測試Table 2 Overload protection test

5 結(jié)論

(1) 基本功能測試結(jié)果表明，礦用水平定向鉆機(jī)電控系統(tǒng)實現(xiàn)了電動機(jī)遠(yuǎn)程和就地啟?？刂萍斑h(yuǎn)程先導(dǎo)保護(hù)功能，不存在誤動作，可靠性高。

(2) 電流采集精度測試結(jié)果表明，在0～1 800 A測量范圍內(nèi)，電流誤差小于2%，滿足電控系統(tǒng)應(yīng)用要求。

(3) 漏電閉鎖測試結(jié)果表明，系統(tǒng)故障識別準(zhǔn)確，漏電閉鎖保護(hù)動作可靠性高。

(4) 過載保護(hù)測試結(jié)果表明，過載倍數(shù)越大，系統(tǒng)延時完成保護(hù)動作的時間越短，測試結(jié)果滿足《煤礦安全規(guī)程》過載故障保護(hù)要求。