松软煤层坑道钻机钻进参数测量系统设计_翁寅生.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY CAN bus; drill rig; drilling parameters 瓦斯事故是我国煤矿生产中最严重的灾害之一， 钻孔抽采是瓦斯灾害治理的有效方法。松软煤层成孔 困难、 渗透性差， 其在我国所采煤层中占有很大比例。 在这样的煤层中钻进成为亟需解决的难题[1]。 全液压坑道钻机是目前我国延煤层钻孔消除瓦 斯灾害的主要钻探机具[2]。煤矿安全制约了钻探机 具向电控智能化方向的发展，虽然钻探机具的测量 或电控系统研究已有所涉及[3]，但距离实际应用还 有一段距离，进展缓慢。特别是针对松软煤层的钻 进技术、装备和监测仪器还都不够完善。因此，研 制与突出煤层钻进装备配套的钻进参数测量系统对 进一步研究松软煤层钻探工艺、 保证快速有效的施工 瓦斯抽放钻孔、提高瓦斯抽采效率等具有现实意义。 目前， 我国煤矿井下钻孔施工主要以全液压动力 头式钻机为主[2]，所测量参数目前多为直接参数[4]， 无法测量扭矩、输出功率、给进/起拔速度等间接参 数[5]，而且有的测量仪表无法集中显示，给施工人 员施钻带来不便。现有的参数测量系统大多只适用 于地面钻机[5-6]。由于坑道钻机工作环境振动频繁， 施工现场干扰大，以往参数测量系统多以单片机为 核心并采用自主设计电路板的设计思想[3,7]，其抗振 动冲击和抗干扰能力差，容易影响参数测量的准确 性和系统的可靠性。 CANController Area Network，控制器局域网 是一种汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域 网的标准总线，由于其可靠性高、实时性强和错误 检测能力强的优点， 使得 CAN 总线广泛应用于多种 工业领域[8]。 基于此， 本文以松软煤层坑道钻机为研究对象， 采用车用可编程控制器Programmable logic Contr- oller，简称 PLC为控制核心，通过 CAN 总线将采 集器采集到的钻进参数传给计算机实时显示出来。 ChaoXing 第 5 期 翁寅生等 松软煤层坑道钻机钻进参数测量系统设计 101 1 测量系统要求 测量系统要求对煤矿坑道钻机的转速、扭矩、 输出功率、给进/起拔速度、绞车投放起拔速度、孔 深、液压系统压力、风压、风量、油液温度、油箱 液位、瓦斯浓度等参数进行测量，并能通过显示设 备实时将这些参数集中显示，人机界面友好，具有 显示、存储和设置的功能。 2 测量系统硬件设计 2.1 测量系统硬件组成 根据测量需求，转速、给进/起拔速度、绞车投 放起拔速度、孔深等采用编码器测量，风压和风量 采用风流量计测量，扭矩、输出功率可由压力传感 器、流量传感器测量，油液温度用铂电阻 PT100 测 量，油箱液位用液位元件测量，瓦斯浓度用瓦斯传 感器测量。根据这些传感器的接口形式，设计合适 的硬件电路接口与之匹配。 测量系统由计算机、 采集器和传感器组件组成， 组成框图如图 1 所示。测量系统的测量原理是采集 器通过各个信号接口与传感器组件匹配和连接，将 各个传感器的信号调理、采集、计算，并根据通信 协议打包后通过 CAN 总线发送给计算机， 计算机接 收到数据包后进行解析，并通过上位机软件控制界 面实时显示。 图 1 测量系统组成框图 Fig.1 Block diagram of measurement system 2.2 采集器硬件电路 测量系统的核心在于采集器。采集器由 PLC、 非安 24 V 电源、本安 12 V 电源以及本安信号调理 电路板组成，其电路原理框图如图 2 所示。 由于测量系统在煤矿井下工作，采集器的结构 和电气都应满足煤矿安全使用要求。采集器的外壳 采用隔爆结构设计，内部电路采用本安设计。外部 图 2 采集器硬件电路原理框图 Fig.2 Schematic diagram of collector circuit 传感器组件的传感器信号经过本安信号调理电路板 调理后送往 PLC 实时采集。 AC127V 给非安 24 V 电源和本安 12 V 电源供 电，非安电源 24 V 用于给 PLC 供电，本安 12 V 电源 用于给外部传感器以及本安信号调理电路板供电。 可编程控制器PLC是采集器的核心， 是一种专 门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的可编 程控制器。它采用可以编制程序的存储器，用来在 其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数 和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式 的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 车用 PLC 以可靠性高的优点被广泛应用于工程机 械、煤矿、船舶和农业机械等工业中。 本安信号调理电路板用于连接本安信号和非安 信号。有的传感器是 CAN 总线接口。CAN 总线接 口的本安信号经过CAN信号调理电路1变成非安的 差分信号给 PLC。PLC 直接对传感器的 CAN 信号 解析而得到所要测量参数。对于 RS485 接口的传感 器，本安信号调理电路板将 RS485 的本安信号通过 232 转 485 电路送给 PLC 的串口。编码器输出的信 号为 AB 两相相差为 90的差分脉冲， 此信号通过编 码器调理电路测量频率和计数。接近开关等开关量 输入信号通过电平转换电路输入给PLC的开关量输 入通道进行测量。对于温度传感器为铂电阻，液位 传感器为电阻输入信号，还有其它 420 mA 信号输 入的模块量信号，通过模拟量调理电路调理成合适 的电压信号输入给 PLC 的模拟量输入通道进行采 集。除了传感器用的一通道 CAN 接口CAN2以外， 采集器还设计了另一通道 CAN 接口CAN1，通信 速率分别采用 20 kbps 和 250 kbps。 CAN1 不仅用于 与采集器通信，还用于给采集器下载程序；CAN2 只用于测量传感器的参数。 ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 42 卷 3 测量系统软件设计 测量系统的软件由两部分组成，即采集器的底 层软件设计和计算机的上位机软件，前者用于完成 参数采集、 处理以及 CAN 报文的发送功能；后者主 要完成 CAN 报文的接收、参数解析和显示功能。 3.1 采集器底层软件设计 CoDeSysControlled Development System是德 国 3S 软件公司的一个市场占有率较高的通用 PLC 和人机的编程平台，主要针对自动化及嵌入式系统 领域向客户提供一个基于 IEC61131-3 国际标准的 开发环境。 同时基于微软 Microsoft.NET 技术进行构 建，不仅结构先进，功能强大，而且易于学习和掌握。 用户可以在同一项目中选择不同的 IEC61131-3 语言 编辑子程序和功能模块等，另外还同时支持 C 语言 等高级编程语言。 在编程时， CoDeSys 为强大的 IEC 语言提供了一个简单的方法，其编辑器和调试器的 功能是建立在高级编程语言基础之上，不仅可用于 PLC 编程，还可用于显示器界面编程。用户编程上 手容易，编程简单，能方便地实现逻辑控制、运动 控制、Soft-MotionCNC 和人机界面的控制[9]。 测量系统中采集器软件在 CoDeSys 2.3 开发环 境中编写和编译， 再通过 WinFlash 软件将目标文件烧 写进 PLC 中。所设计的采集器底层软件如图 3 所示。 图 3 底层软件程序流程图 Fig.3 Program flow chart of underlying software 采集器启动后，首先进行系统的初始化，包括 定时器、CAN、串口的初始化，再进行输入输出口 的配置，使各端口具有与传感器相匹配的功能。之 后程序进行主循环，依次读取各模拟量、开关量、 编码器、 RS485 数据及 CAN 报文， 并分别对其解析、 计算和处理得到所测的各参数值，再将此参数值按 规定的通信协议和算法进行封装， 最后发往 CAN 总 线供计算机实时显示。 3.2 上位机软件设计 上位机软件的开发，既要能达到测量目的，其 开发周期又不要过长，这就需要选择一个合适的上 位机开发工具，而 LabVIEW 恰好能满足快速开发 和设计要求[10]。 本系统开发方案就是基于 LabVIEW 软件和 USBCAN 协议转换器。控制器的 USBCAN 协 议 转 换 器是 德 国 PEAK 公 司 的产 品 ， 而 非 LabVIEW 所属 NI 公司的产品，因此需要通过调用 硬件的库函数来设计该模块的 LabVIEW 驱动[10]。 上位机软件功能模块如图 4 所示。上位机软件 功能模块由登录管理模块、系统设置模块、数据通 信与管理模块、参数显示模块、任务调度模块和在 线帮助模块。 图 4 上位机软件功能模块 Fig. 4 Functional module of PC software 登录管理模块用于用户管理模块，授权用户 输入正确的密码后进行登录，防止末授权人员使 用。用户可通过管理模块删除、增加和更改。系 统设置模块用作设置 CAN 通信参数、数据存储的 格式内容和保存路径、各测量参数的报警范围、 参数显示范围以及图形显示等。数据通信与管理模 块通过 CAN 通信模块获取采集器的数据， 并将获取 的参数进行计算和处理，实时显示在计算机后台。 参数显示模块具有数据显示、图形绘制和图形保存 功能。软件通过任务调度模块来实现各任务的相互 调度和数据共享。用户还可以通过在线帮助模块来 获取软件使用的相关帮助。上位机软件首先通过用 户登录与授权进入系统，然后加载框架和显示界 面，再调用设置模块进行系统配置。除了工作主 界面外，通过页切换可以切换到曲线观察界面显 示曲线。 采用 LabVIEW2012 开发工具编写的软件工作 主界面如图 5 所示。 登录后默认进入工作主界面，实时显示钻进参 数、泥浆泵参数、绞车参数、油液温度、油箱液位 和甲烷浓度。当有参数超过其设定的预警值时，在 上位机软件底部进行报警。 ChaoXing 第 5 期 翁寅生等 松软煤层坑道钻机钻进参数测量系统设计 103 图 5 上位机软件主界面 Fig.5 Main interface of PC software 所设计的上位机软件前面板根据各参数含义对 各参数进行分组，并根据功能分页显示。为了使系 统能适应不同冲洗液介质钻孔施工，上位机软件中 专门设置了冲洗液介质选择界面，并根据用户需求 实现用户对显示参数范围和小数点位置自由配置和 更改， 在循环中解析 CAN 报文的数据并驱动控件进 行显示。 4 结 论 a. 以防爆计算机为人机交互界面，采用 CAN 总线的通讯方案构建坑道钻机钻进参数测量系统。 b. 以车用 PLC 为控制核心，详细设计了硬件 组成和硬件电路，针对煤矿使用要求对电路进行了 重点设计。 c. 针对车用 PLC， 利用 CoDeSys 开发工具进行 了底层软件设计， 并以 PEAK 公司的 USBCAN 协议 转换器开发了基于 LabVIEW 的上位机软件界面。 d. 实际应用结果表明 所开发的钻进参数测量系 统应用于松软煤层施工，能准确获取钻进参数，具有 实时性强、 准确性和可靠性高、 人机交互友好等优点， 这为进一步研究坑道钻机的控制系统奠定了基础。 参考文献 [1] 冀前辉. 松软煤层中风压空气钻进供风参数研究及除尘装置 研制[D]. 北京煤炭科学研究总院，2009. 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