SIMBA H1354潛孔鉆控制系統的優化設計

王士鑫 繆志農 任小花

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

SIMBA H1354潛孔鉆控制系統的優化設計

王士鑫1繆志農2任小花1

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

介紹了SIMBA H1354潛孔鉆無線控制技術系統優化的基本原理、裝置組成及應用情況，并設計了一套結構簡單、維修方便、靈活可靠的符合我國礦山條件的無線控制裝置和軟件控制系統。實驗和現場運行表明了優化的系統實現了對SIMBA H1354潛孔鉆車的可靠、高效的無線控制。此設計思路和優化方案不僅對提高礦山井下鉆孔工作的安全以及改善工作環境有著重要意義，同時對現行的潛孔鉆車控制系統的改造具有重要的參考價值。

潛孔鉆車 優化 控制系統 CAN總線

隨著地上礦業資源的減少，礦產開采逐漸轉移到了地下，地下采礦工藝技術得到了飛速發展，與其配套的鉆孔設備水平也不斷地提高。全球采礦設備總的發展和趨勢是將地上的設備引用到地下。由于我國制造業的鉆孔工具技術與西方發達國家還有較大差距，因此，應用于各種地下工程的鉆孔設備大部分還是依靠進口[1-2]。我國很多鐵礦引進的是阿特拉斯公司的SIMBA H1354[3]潛孔鉆設備。對比于其他設備，SIMBA H1354不僅在性能和結構上占有優勢，而更重要的莫過于適合我國礦業的地下開采環境。但從安全事故上，還存在一定的缺陷：

(1)機車在工作過程中常移動，傳輸電纜會在地面拖動，不僅導致移動不方便，還容易出現磨損,諸如鉆孔落石和移動拖拽對電纜的破壞，影響控制信號傳輸，甚至設備停運。

(2)現有SIMBA H1354操作中,操作人員和操作臺直接暴露在井下環境中,井下作業環境惡劣,潮濕、噪音大、落石等不利因素都直接影響操作人員和設備的健康和安全,也不利于操作人員集中精力完成作業。長期以來，我國有些企業在引進吸收消化國外先進技術和設備的同時大膽創新，獨立自主地改進和開發適合國內地下采礦環境現狀的鉆孔技術，逐漸提高礦業地下開采的操作舒適性和安全性。本研究在攀鋼礦業的需求和協作下，對潛孔鉆SIMBA H1354的控制系統進行了優化設計。

1 系統總體設計概況及原理

對于SIMBA H1354潛孔鉆控制系統的優化主要是改進操作信號的傳輸方式，將原來電纜信號傳輸轉換成無線信號傳輸，以減少設備因電纜被砸而停運維修的次數，同時減少運行拖拉對電纜的磨損，提高設備的使用壽命。總體設計思路如圖1所示。對于操作過程中的數字信號、模擬信號、CAN總線信號可通過單片機、CAN總線控制器、無線收發模塊等元件構成的處理系統來完成，通過一定的軟件控制設計來實現數據的無線傳輸。為了減少安全事故，改善鉆孔技術人員的操作環境，設計了一款獨特的移動式密封小車，操作臺置于小車內，車體具備良好的防砸、除塵換氣、隔音防噪、溫度控制等功能。因小車部分另行加工，下面僅對信息傳輸優化進行分析。

圖1 總體設計思路Fig.1 The overall design idea

依據設計的實施計劃，將系統總體設計分2個部分：機車端設計和操作端設計，分別如圖2、圖3所示。

圖2 機車端設計Fig.2 The design of locomotive end

圖3 操作端設計Fig.3 The design of operation end

系統優化設計的原理是操作端的操作信號經信號采集模塊獲取，然后將其送入單片機系統；分析和處理后將需要傳送的數據送至無線數傳模塊發送器，將信號無線發送至機車端；經機車端的無線數傳模塊接收，經單片機系統還原處理將控制信號送入控制機構進行驅動，完成設備操作。但CAN總線信號通過總線控制器、驅動器以及無線數傳模塊來實現總線信號的實時交互傳遞。

2 系統的硬件設計

依據系統優化目標方向，對SIMBA H1354潛孔鉆車的控制原理、運作方式及作業環境進行了科學性的分析對比，確定了性價比高且功能實現簡單的適合鉆車工作環境的系統設計方案。包含有主控單元模塊、CAN總線通信模塊、無線通信模塊。

2.1 主控單元模塊

基于單片機技術、CAN總線通信技術、無線數據通信技術，本系統設計了以單片機為控制核心，輔以CAN總線控制及驅動和無線數據傳輸來實現SIMBA H1354潛孔鉆車的無線數據通信。主控單元除負責數據處理外，還要觸發無線通信模塊和CAN總線通信模塊工作，以便實現數據的無線傳輸，在整個系統中起著主導作用。無線通信模塊采用nRF24L01通信芯片[3]，而CAN總線通信模塊采用MCP2515控制器和MCP2551驅動器[4-6]，運用單片機MSP430f5438進行控制，實現系統的無線數據傳輸[7-9]。

2.2 CAN總線通信模塊

CAN是控制器局域網的簡稱，是一種串行數據通信總線，為現在工業數據通信的主流技術之一[7]。系統優化設計完成了CAN總線數據節點與顯示屏之間的無線通信，為功能實現的設計核心。為了滿足操作臺顯示器實時顯示機車鉆頭傾角及打孔深度的要求，本部分作為獨立的模塊，系統上電即工作。硬件采用獨立式的MCP2515總線控制器及MCP2551總線驅動器，所要傳輸的數據通過對控制器編寫入控制器芯片的發送緩沖區里發送出去，通過nRF24L01通信芯片實現無線通信，而目的節點則負責把數據接收到數據接收緩沖區里，運用單片機控制各器件的觸發。CAN總線通信硬件原理圖如圖4所示。

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

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用nRF24L01通信芯片，該芯片具有內置地址解碼器、選入現出堆棧區、解調處理器、時鐘處理器、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，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，省去了申請使用特定頻段的麻煩。單片機MSP430f5438的串口與nRF24L01通信芯片相連接，實現信號的傳輸。操作端發送與機車端接收的硬件設計具有映射關系，具有通用性。

3 系統的軟件設計

根據系統設計分析，為了保證CAN總線信號的連續性，分別進行2部分的數據通信，即數字、模擬信號通信和CAN總線通信各用1個無線通信芯片。系統功能實現的軟件設計如圖5所示。但是，對于系統程序的設計將分為發送程序和接收程序設計。

圖5 系統功能實現的軟件設計Fig.5 The software design of achievement of system functions

3.1 發送程序結構設計

一般情況下，程序設計首先編寫的就是初始化程序，再者就是功能性程序。對于本系統的發送程序，主要是單片機的初始化程序、nRF24L01的初始化程序、MCP2515的初始化程序、數據編碼發送程序。主程序開始將先調用單片機初始化程序，來完成工作參數設置，然后依據采集的操作信號的改變，調用數據發送函數，向機車端發送控制信號。發送程序結構設計的程序流程如圖6所示。

圖6 發送程序設計的程序流程Fig.6 The program flow chart of design to send program

3.2 接收程序結構設計

相對于發送程序，機車端的接收程序設計可視為其反過程。同樣，具有單片機初始化程序、nRF24L01的初始化程序、MCP2515的初始化程序、數據解碼接收程序。其主程序開始調用完初始化程序后，設置工作參數，根據操作端的操作信號的改變，調用數據接收函數，通過解碼操作還原操作信號，實現對設備的控制。

4 系統設計中的抗干擾措施

本系統硬件設計中出現的干擾有過渡干擾、地線干擾、模擬開關帶來的各種環境噪聲干擾、電源中的噪聲干擾等。對于數?；旌想娐分械倪^渡干擾，設計時用鐵氧磁珠將模擬5 V和其他數字電路隔離來消除。地線干擾可將模擬地和數字地分開走線，為確保模擬信號的穩定，可用1個電感將模擬地和信號地連接于1點。模擬開關帶來的干擾采用軟件延時加以消除。

對于無線電等外界的干擾，因礦井下具有天然屏蔽環境，有利于消除此干擾。

對于井下其他無線通信的干擾，本設計工作頻段選擇在2.4～2.5 GHz世界通用的ISM頻段，與其他通信頻段進行區分避免干擾產生。

通信過程中，不同巷道工作的設備之間可能出現的誤操作，在軟件設計過程中對不同的設備進行編號，采用設備配對的原則進行設計，排除誤操作的可能性。

5 結 論

通過工業試驗結果表明，本系統的設計能很好地實現無線數據通信，達到了工業控制的安全性、可靠性和實時性的要求。本設計為插拔式外接模塊，便于此系統的推廣。我們應正視國內鉆孔設備技術現狀，未來的鉆井工具的發展應積極借鑒國外先進技術的同時還應注重技術的自主創新性，本項目的實施為今后的鉆車進行改進積累了經驗。

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(責任編輯 徐志宏)

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

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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