礦用鉆機鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)設計分析
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摘要：以ZLJ1200L型煤礦用履帶式坑道鉆機為研究對象，為了對鉆機鉆孔機構(gòu)進行有效監(jiān)測，設計了基于MCGS的鉆機鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)。通過仿真實驗，證明了該系統(tǒng)在鉆孔監(jiān)測中滿足期望要求，實現(xiàn)了對鉆孔作業(yè)的精準監(jiān)測，從而保證鉆機能夠安全、平穩(wěn)、可靠的工作。
關(guān)鍵詞：煤礦鉆機；鉆孔監(jiān)測；PLC；MCGS
引言
鉆機在鉆進工作過程中，其鉆孔軌跡時常會出現(xiàn)偏差情況，從而會對鉆孔產(chǎn)生不利的影響，如鉆孔傾角過大、鉆孔軌跡不符合預期要求等。因此鉆機的鉆孔機構(gòu)起著至關(guān)重要的作用。然而有關(guān)履帶式坑道鉆機鉆孔機構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)為數(shù)不多，不能通過鉆桿工作狀況的改變及時調(diào)節(jié)鉆孔軌跡。當前，ZLJ1200L型煤礦用履帶式坑道鉆機沒有直接讀取鉆孔信息的顯示設備，監(jiān)測水平有待提高，操作人員只能憑借操作工作臺上的儀表顯示讀取工況信息。因此，針對該型號的鉆機開發(fā)一款可視化鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要。
1鉆孔機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計
ZLJ1200L型煤礦用履帶式坑道鉆機鉆孔機構(gòu)的改進結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，工作人員操作鉆機控制鉆桿主軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、推進力和鉆進速度實現(xiàn)鉆進作業(yè)，螺旋鉆桿鉆入巖石，傳感器安裝在鉆頭上，用來實時接收鉆孔軌跡參數(shù)。電機和監(jiān)測裝置安裝在底座上，通過數(shù)據(jù)傳輸線傳遞鉆孔頭部接收的測量信號。
2鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)設計
（1）監(jiān)測系統(tǒng)設計在實際鉆進作業(yè)中，由于各種不可預期的因素影響，容易出現(xiàn)實際鉆孔軌跡與規(guī)劃的理想鉆孔軌跡偏離很大的情況。當這種差別較小時，不會影響鉆孔的正常使用，但是當鉆孔軌跡偏移較大時，鉆孔的利用價值就很小，甚至無任何價值。因此，對于鉆孔軌跡實時監(jiān)測有利于評價鉆孔價值，減少打孔誤差率，提高鉆機工作效率。鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與人機界面顯示系統(tǒng)是鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)的兩大主要部分。鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過安裝在設定位置的傳感器收集鉆孔傾角、方位角等參數(shù)信息，然后將數(shù)據(jù)信息傳遞到CPU，CPU讀取到數(shù)據(jù)后會將信息進行分類和預處理。人機界面顯示系統(tǒng)能與鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步互聯(lián)，實現(xiàn)對鉆孔工作狀態(tài)監(jiān)測。鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)主要的2個參數(shù)指標：①鉆孔的傾角鉆孔所在位置的水平面與切線之間的最小夾角。鉆桿大部分是水平鉆進，鉆孔傾角越大時，說明在參考水平面方向上鉆孔的偏離程度越大；反之，則鉆孔偏離程度越小。②鉆孔的方位角從正北方向開始，順時針至鉆孔軸線在水平面上的投影的夾角。鉆桿在鉆進過程中碰到硬度較高的矸石時，容易使鉆頭側(cè)滑，使鉆孔在水平方向上出現(xiàn)偏離。鉆孔方位角越大時，鉆孔在水平面上出現(xiàn)左右偏離程度越大；反之，則鉆孔偏離程度越小。（2）傳感器安裝位置傳感器的安裝位置應在滿足系統(tǒng)正常工作的基礎上盡量布置得相對集中，從而不影響鉆機外觀結(jié)構(gòu)的安裝位置，同時布置應方便工程人員進行定期檢修、測量等工作。所以合理選擇傳感器的布點是獲取鉆孔參數(shù)的一項關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器安裝位置：①1路轉(zhuǎn)速測點測量鉆機主軸轉(zhuǎn)速；②1路接近開關(guān)測點確定推進油缸結(jié)束點；③2路角度測點獲取鉆頭端傾角和方位角。（3）主控制器選型在設計開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計的主要目標是減少操作人員的勞動強度，提高鉆孔工作效率，減少鉆機鉆進工作過程中機器運行的故障率，實現(xiàn)工作的高效性、穩(wěn)定性與安全性。下位機設計的重要部分是如何保證接收數(shù)據(jù)的傳感器與系統(tǒng)中央處理器之間的穩(wěn)定通信。鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)硬件設備的核心是主控制器，能夠確保實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。本文設計依據(jù)鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)的功能，結(jié)合工程大小、所需性能及工作特點等影響因素，選用CPU型號為ST20的S7-200SmartPLC主控器。（4）人機界面顯示設備選型人機交互界面顯示設備選用一款高性能、低耗能的嵌入式一體化人機接口TPC1262Hi組態(tài)屏，此款觸摸屏不需要額外增加物理按鍵，將操作人員的按鍵直接在屏幕上顯示，是一種智能人機界面交互顯示屏。操作人員只需用手指點擊屏幕顯示的按鈕或窗口，通過顯示屏可以方便地實現(xiàn)各種界面操作，同時操作界面更加人性化，實際工程應用效果良好，工作穩(wěn)定，可靠性高。
3鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)仿真
為了保證設計的系統(tǒng)能夠順利運行且達到預期的監(jiān)測功能，以監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計和通信控制原理作為基礎，通過檢測系統(tǒng)的MCGS組態(tài)軟件對檢測系統(tǒng)的檢測工作進行調(diào)試與仿真模擬，來驗證所設計的鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性。（1）PLCI/O資源分配S7-200SmartPLC主控器能自動分配資源地址，CPU模塊有一定量的內(nèi)部集成I/O口，其地址固定不變，其地址分配從0字節(jié)開始。鉆機監(jiān)測所涉及的主要參數(shù)信息在下位機PLC的輸入地址分配如表1所示。（2）監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試仿真鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)設計完成之后，通過仿真調(diào)試的方式來測試系統(tǒng)的檢測效果是否符合預期，以及系統(tǒng)運行是否平穩(wěn)可靠。由于下位機在系統(tǒng)中起著信號傳輸、處理的重要作用，因此首先搭建下位機，保證傳感器所檢測信號準確、快速的傳輸以及處理器對信號的及時處理，經(jīng)處理過的信號數(shù)據(jù)再傳輸至上位機，由MCGS組態(tài)軟件界面及時顯示出來，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測功能。在仿真的配置過程中，首先進入MCGS組態(tài)窗口，選擇工具菜單欄的下載配置，下載成功后顯示系統(tǒng)啟動界面。鉆機鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)開始啟動界面如圖2所示，鉆機工況監(jiān)測平臺主頁面如圖3所示。綜上所述，通過對上位機軟件的仿真，驗證各類參數(shù)的顯示是否正確，以驗證程序執(zhí)行、人機界面顯示的準確性、合理性。通過調(diào)試仿真，結(jié)果表明各類通信狀況良好，各段程序能夠執(zhí)行，人機界面能夠穩(wěn)定顯示。為后續(xù)的鉆機工況安全監(jiān)測設備安裝調(diào)試提供了理論支撐和可行性論證。
4結(jié)語
通過對ZLJ1200L型煤礦用履帶式坑道鉆機的結(jié)構(gòu)和性能特點進行研究分析，設計了一款可視化實時鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)，通過PLC程序編譯，并基于MCGS組態(tài)軟件作為人機界面，實現(xiàn)對鉆機鉆孔機構(gòu)的狀態(tài)實時檢測。通過仿真實驗證明該機構(gòu)能較好地通過鉆孔軌跡參數(shù)及時地判斷鉆進過程中的鉆孔軌跡是否符合預期規(guī)劃，進而評價鉆孔的質(zhì)量，減少人力物力資源的浪費，具有廣闊的市場應用前景。
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作者：焦峰 喬紅兵 翟博聞 劉粵 宋超超 單位：中國礦業(yè)大學
