井下鉆機電液遠程控制系統設計

要振國

（大同煤礦集團鐵峰煤業有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤炭作為重要的基礎能源，在我國能源結構中占有舉足輕重的位置[1-2]。煤礦井下鉆機主要用于煤礦開采階段的瓦斯抽排放、水探放等方面，是煤礦生產過程中瓦斯防治與水害預防的重要設備，因此，井下鉆機的安全可靠運行與煤礦生產安全緊密相關[3-5]。但在實際生產過程中，井下工作環境較為復雜，存在瓦斯、水害、煤塵等多種干擾，工作人員跟機操作較為危險，容易造成人員損傷，需要保持一個安全距離，同時煤礦生產對鉆機控制的穩定性、可靠性要求較高，目前已有的控制系統已不能滿足生產需要[6-8]。本文針對這一現狀，提出設計一種主要用于礦井鉆機的電液遠程控制系統，用于實現鉆機的遠程穩定控制，保障生產安全，提高煤礦生產的自動化水平，為企業增加經濟效益。

1 總體方案

井下鉆機的主要結構一般包括支承結構、行動裝置、回轉裝置、給進裝置、泵站、控制臺、鉆桿裝卸結構等。工作過程中利用液壓油缸實現鉆機給進與起拔，通過馬達直接驅動帶動鉆頭旋轉并提供一定轉矩和轉速，實現破碎巖石的目的，卸扣結構以及夾緊器搭配共同完成鉆桿的自動裝卸工作。控制系統是其中最重要的部分，過去主要通過全液壓控制，控制方式相對簡單，利用液壓控制閥控制一般需要跟機控制，穩定性、可靠性不足，存在故障率高、安全性差的特點。本文參考相關資料并結合生產實際，利用目前較為先進的電液控制技術，對控制過程進行程序化設計，采用微控制器、電磁閥等控制元件，實現對井下鉆機的安全、穩定、可靠的運行控制，可完成遠程控制操作，保證安全距離，保護工人的安全。系統的整體結構如圖1所示。

圖1 系統的整體結構

2 系統總體設計

煤礦井下鉆機工作環境較為復雜，對安全性、可靠性要求較高，結合開發成本以及實際生產要求等多方面情況，本文選用了工業生產中應用較為廣泛的微控制器作為鉆機控制臺以及遠程控制器的核心元件。控制系統選用的硬件設備包括微控制器、顯示觸摸屏、通訊網絡、電磁閥等。經過比較，微控制器選用意法半導體公司設計生產的STM32F103 型號，該產品具有豐富的I/O模塊，且功能強大、穩定性好，廣泛應用于各種工業環境；微處理器通過與電磁閥搭配可以實現對鉆機的安全穩定控制。遠程控制系統結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖

2.1 液壓控制模塊

遠程電液控制系統主要分為3 部分：液壓控制部分、電氣控制部分、狀態監測部分。液壓控制部分利用液壓泵為進給結構、支撐結構及自動裝卸結構供油，同時借助電磁閥的調整完成對執行元件的控制。其中，使用的電磁閥包括開關電磁閥以及比例電磁閥，具有穩定性好、可靠性高的特點，有效的提高了控制的準確性。

2.2 電氣控制模塊

微控制器是鉆機遠程電液控制系統核心設備，控制過程中主要通過轉速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器分別采集壓力、溫度、位移等模擬量狀態信號，而后進入模擬量輸入模塊，經過調理、放大、A/D轉換，傳遞給控制器。開關量等數字信號通過數字量輸入模塊進入控制器，由控制器程序運算得出控制指令，經過D/A 轉化，控制電磁閥，實現控制策略的及時調整。在此過程中，可利用顯示觸摸屏完成數據的可視化，實現人機交互，完成控制指令的輸入以及調整。開關量輸入電路如圖3所示。

圖3 開關量輸入電路圖

2.3 狀態監測模塊

狀態監測模塊包括對鉆機工作環境、控制過程以及鉆機本身情況的監測與預警，以保障設備穩定運行。其中，環境監測包括對瓦斯濃度、溫度的監測；設備本身情況監測包括對馬達溫度與電流監測、液壓油泵壓力監測；控制過程監測主要是對電機轉速、電流情況、各個回路的電流電壓監測，液壓系統壓力、溫度情況的監測。狀態監測通過傳感器檢測各設備測點位置的溫度和電流等相應信號后，經過數據預處理與調理模塊處理傳輸給微控制器、監測模塊據此判斷設備的運行狀況，并將監測情況可視化，顯示給工作人員，故障情況下還可通過聲光報警器裝置實現自動報警。

3 網絡通信設計

系統以微控制器作為運算處理核心設備，通過現場總線技術實現與其他設備的連接與通訊。設備操作臺微控制器與遠程控制站微控制器的2 臺微控制器STM32 通過串行通訊實現連接，簡單易操作。狀態監測模塊對各監測點相應傳感器模擬量信號進行采集輸入、初步預處理與信號調理，由外電路輸入到預處理模塊處理，后送至運算程序，報警保護裝置也通過外電路實現與微控制器的連接。顯示觸摸屏通過modbus通信協議實現與STM32的連接通訊。

4 軟件設計

系統軟件的軟件設計分為鉆機控制臺程序和遠程控制站程序2個部分。鉆機控制臺主要為現場控制，用于實現對各部位傳感器數據的采集預處理，以及對電磁比例閥以及電磁開關閥的控制，同時與遠程控制臺進行通訊，將采集數據傳輸給遠程控制臺，并接受遠程控制臺的控制指令。兩部分控制程序都包括主程序、信號輸出程序以及通訊模塊程序3 個部分，主程序可完成對系統上電、初始化復位、通訊以及信號輸入輸出模塊子程序調用、數據的讀取、運算、命令執行等一系列操作，通訊子程序與數據輸入輸出子程序完成連接通訊以及數據轉換傳輸工作。

為了保障系統軟件的可靠性，軟件程序在Keil系統的集成開發環境μVision 開發平臺中進行了C語言編程的實現以及仿真調試工作，該系統基于Windows操作系統，具有豐富的庫函數，同時囊括了連接器、調試器等功能，具有強大的嵌入式開發能力，應用廣泛。調試測試結果表明，系統程序運行效果良好，可實現預期目標。遠程控制站主程序流程如圖4所示。

圖4 遠程控制站主程序流程圖

5 結束語

本文設計的煤礦井下鉆機的電液遠程控制系統，可實現對井下鉆機的電液遠距離控制，保證了工人安全操作距離，同時滿足了跟機操作的要求。系統采用較為先進的電液控制技術，具有穩定性好，可靠性高的特點，能夠有效保障煤礦企業生產安全的要求。系統同時具有自我監測功能，能夠實現監測與預警功能，保障井下鉆機的穩定高效運行，提高鉆機的自動化程度。