礦用錨桿鉆車鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

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摘要：針對CMM2-12型礦用錨桿鉆車鉆孔過程中缺少監(jiān)控情況，在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，通過對鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)進行硬件選型和軟件開發(fā)設(shè)計了一套可視化錨桿鉆車鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)，最后經(jīng)仿真模擬運行后，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控鉆孔運行狀態(tài)。本次設(shè)計有利于提高鉆具的安全性能，降低操作人員的工作強度，提高鉆孔質(zhì)量，進而提升鉆孔工作效率。

關(guān)鍵詞：錨桿鉆車；鉆孔；監(jiān)控；PLC

液壓錨桿鉆車作為煤礦開采中關(guān)鍵設(shè)備之一，是一種優(yōu)良的打孔設(shè)備，主要應(yīng)用在巷道回采工作面頂板鉆孔和支護作業(yè)。傳統(tǒng)的鉆孔設(shè)備自動化程度不高，由于操作人員技術(shù)熟練程度的不同往往導(dǎo)致嚴(yán)重的“超挖”或“欠挖”情況，對工程項目的質(zhì)量和效率都會產(chǎn)生不利影響。因此設(shè)計一套可視化監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)精確監(jiān)控鉆孔深度、傾斜角度和速度等功能，減少錨桿鉆車鉆孔過程的超挖與欠挖，在提高鉆孔質(zhì)量和鉆孔過程中的設(shè)備安全性，降低工作人員勞動強度等方面具有重要的意義。

1監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

通過對CMM2-12型礦用錨桿鉆車鉆孔的工作原理進行分析，利用PLC的控制功能，提出了一種基于PLC的自動監(jiān)控鉆孔過程中的方案，在鉆孔過程中對鉆孔的狀態(tài)實時監(jiān)控并由人機交互界面顯示，顯示的界面方便操作人員對鉆孔運行狀況監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框圖，如圖1所示。在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計整體方案中，監(jiān)測模塊所監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸給PLC，PLC的數(shù)據(jù)與觸摸屏進行互相傳輸。觸摸屏與PLC之間的通信，需要通過RS485通信接口連接起來，通過觸摸屏的設(shè)置實現(xiàn)PLC對執(zhí)行模塊的控制。

2監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

錨桿鉆車鉆孔監(jiān)控硬件系統(tǒng)主要包括監(jiān)測傳感器、PLC和觸摸屏3部分。觸摸屏作為上位機主要用來對整個監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面進行處理和顯示，傳感器用來接收和傳輸所采集的數(shù)據(jù)信息并輸入給PLC，PLC作為下位機實時監(jiān)測傳感器輸入的數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行器輸出，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。（1）PLC介紹及選型PLC作為鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，其選型對整個監(jiān)控系統(tǒng)十分重要。在監(jiān)控系統(tǒng)中，有鉆進控制、鉆孔深度監(jiān)測、油壓監(jiān)控、實時曲線顯示、故障報警等。PLC發(fā)出相關(guān)的執(zhí)行命令，需使每個執(zhí)行器按照編寫好的程序進行動作，經(jīng)過對比選型，同時根據(jù)錨桿鉆車的實際應(yīng)用工作條件，本次設(shè)計選用西門子S7-200SmartPLC，其具有4個優(yōu)點：①工作可靠性高，抗震性和抗電磁干擾能力好；②實時通信能力強；③擴展模塊豐富實用，單體I/O點數(shù)最多有60點；④采用STEP7-Micro/WINSMART配套編程軟件更簡便化，包含各類指令集。（2）主要傳感器的選取整個鉆孔硬件安裝主要包括監(jiān)測模塊，執(zhí)行模塊和觸摸屏，監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)采集錨桿鉆車在鉆孔過程中的信息，并把處理得到的數(shù)據(jù)傳輸給PLC。根據(jù)上述設(shè)計要求對監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器選取，主要傳感器選型如表1所示。表1傳感器選型表（3）觸摸屏介紹由于PLC不能單獨與操作人員進行人機交互，需要借助屏幕將測量的數(shù)據(jù)實時顯示出并接受操作人員對設(shè)備的控制信息。經(jīng)過選型使用昆侖通態(tài)科技公司的TPC7062TD型號觸摸屏作為系統(tǒng)主要的顯示終端，操作人員用手指即可對控制面板進行操作，無需物理按鍵，并適合用于錨桿鉆機惡劣施工環(huán)境中。同時該觸摸屏配套組態(tài)軟件內(nèi)置的操作和管理功能，可供設(shè)計人員簡單并有效的進行界面組態(tài)，應(yīng)用于多種自動化解決方案之中。

3監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

（1）PLCI/O點分配在整個鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計之中，旋轉(zhuǎn)編碼器、壓力傳感器、電磁閥、觸摸屏等都是作為輸入輸出裝置連接在PLC輸入輸出口處，將傳感器的I/O接口進行分配。其中鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)部分I/O點的分配清單如表2所示。（2）主要鉆進參數(shù)監(jiān)測方法本次設(shè)計計算鉆車鉆孔速度和深度的方法：將錨桿鉆車鉆孔動力頭的滑動位移轉(zhuǎn)換為滑輪軸上的角位移，在滑輪上固定有大齒輪，實現(xiàn)與滑輪同步轉(zhuǎn)動，大齒輪嚙合小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪與旋轉(zhuǎn)編碼器連接在一起，帶動旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)進行鉆孔作業(yè)時，根據(jù)測量旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)動角度，可計算出動力頭的位移，即鉆孔的深度。PLC通過讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的PWM信號計算單位時間脈沖信號的量即可得出鉆孔速度。鉆孔深度H=πDz2θ/（360z1）（1）式中z1———大齒輪齒數(shù);z2———小齒輪齒數(shù);D———滑輪公稱直徑，m;θ———編碼器的旋轉(zhuǎn)角度，（°）。鉆孔速度v=ΔNL/Δt（2）式中Δt———時間間隔，s；ΔN———編碼器在時間Δt內(nèi)轉(zhuǎn)過的光柵數(shù)；L———單位時間內(nèi)動力頭的位移量，m。（3）PLC程序設(shè)計PLC程序設(shè)計主要分為初始化程序、控制程序，其中初始化程序主要為系統(tǒng)設(shè)置一些基本參數(shù)，使得各個部件處于能夠正常運行狀態(tài)。如程序第1次運行的過程中，編碼器初始的角度與之前儲存的數(shù)據(jù)相同，需要對PLC中存儲的角度初始化。控制程序為錨桿鉆車在鉆孔中需要運行的主程序，主程序中鉆孔壓力監(jiān)測程序總體流程圖，如圖3所示。鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)在實際運行過程中，當(dāng)鉆頭在巖石中負(fù)載過高時，鉆頭超過額定承受工作力，會導(dǎo)致鉆頭損壞，通過安裝壓力傳感器，若鉆壓超過設(shè)定值或某鉆頭部件發(fā)生故障導(dǎo)致輸送油液壓力過大時，PLC將發(fā)出報警信號，系統(tǒng)則中斷工作，待工作人員采取措施解決故障后監(jiān)控系統(tǒng)恢復(fù)正常。設(shè)計的壓力報警程序如圖4所示，PLC對傳感器輸入的模擬量數(shù)據(jù)讀取后在程序中進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)比較器中，VD2000寄存的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)進行對比。若傳輸數(shù)據(jù)大于數(shù)據(jù)比較器的設(shè)定值，則會觸發(fā)線圈進行報警。

4監(jiān)控系統(tǒng)模擬仿真

為實時監(jiān)控錨桿鉆車鉆孔的運行狀態(tài)，設(shè)計鉆孔監(jiān)控界面窗口并仿真模擬運行，如圖5所示。其劃分為4個區(qū)域：運行狀態(tài)顯示、實時數(shù)據(jù)值、控制菜單和實時鉆孔壓力曲線變化圖。運行狀態(tài)顯示部分實時顯示當(dāng)前的運行狀態(tài)。實時數(shù)據(jù)值顯示各個傳感器所測的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)通過PLC的模擬量程序轉(zhuǎn)換而來。當(dāng)監(jiān)控界面實時數(shù)據(jù)值超過設(shè)定閾值時，PLC會下發(fā)報警指令。在控制菜單部分設(shè)計了工作模式切換、鉆孔推進/后退和急停用戶操控按鈕，方便操作人員作業(yè)，曲線表格實現(xiàn)鉆孔實時壓力的變化演示。

5結(jié)語

通過對CMM2-12型礦用錨桿鉆車進行改進，根據(jù)鉆孔控制需求對系統(tǒng)的硬件選型和程序開發(fā)，使用MCGS7.7軟件進行人機界面設(shè)計。使傳感器所測的數(shù)據(jù)實時在組態(tài)界面中顯示并實現(xiàn)鉆孔過程實時監(jiān)控、參數(shù)匹配和超限報警功能。該設(shè)計方便操作人員對錨桿鉆車鉆孔運行狀況實時監(jiān)控，保證鉆孔的質(zhì)量，提高設(shè)備的鉆孔性能，為其他鉆孔設(shè)備提供參考，具有廣闊的實際工程應(yīng)用前景。

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作者：賈琛 單位：應(yīng)急管理部機關(guān)服務(wù)中心