煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY electronic-hydraulic control technology; automation technology 2019 年，国家煤矿安监总局发布煤矿机器人 重点研发目录 ，鼓励支持煤矿相关企业大力研发应 用煤矿自动化装备， 推进煤炭工业高质量发展。 坑道 钻机作为煤矿安全领域的关键装备， 其自动化程度的 提升， 可减少人工操作， 从本质上防范和遏制重特大 事故，对于煤矿安全发展起积极推动作用[1-6]。 国内煤矿井下坑道钻机经过多年的发展，形成 了以 ZDY 系列为代表的分体式、 履带式全液压坑道 钻机，在煤矿井下瓦斯防治、探放水、防突卸压等 煤矿安全保障领域起着举足轻重的作用[7-11]。目前， 煤矿井下坑道钻机以全液压传动为主，司钻人员通 过固定在钻机车体的操纵台对其动作进行控制，钻 万方数据 220 煤田地质与勘探 第 48 卷 机操作比较复杂，工人劳动强度较大；钻机行走时 司钻人员不能远离履带车体，施工时不能远离孔口 等危险位置，存在一定的安全隐患；另外，非电控 钻机自动化程度低，不具备一键联动、自动装卸钻 杆、钻进参数监测诊断、自适应钻进，孔内事故预 警与处理等自动化功能[12-15]。 因此，随着国内装备制造业竞争的加剧和市场 对工业产品要求的不断提升，为顺应井下钻探装备 自动化、智能化发展方向，针对煤矿井下坑道钻机 的特点，研制煤矿井下钻机电液控制系统，实现了 煤矿井下坑道钻机可视距离遥控操作、参数监测、 工况逻辑判断和安全互锁等功能。同时在电控系统 的基础上，研究自动化施工技术，实现钻机自动调 平，自动化钻进、起钻等功能。 1 电液控制系统硬件开发 煤矿井下坑道钻机电液控制系统由系统硬件和 系统软件两部分组成。系统硬件主要实现信号的采 集、处理，控制指令的输入/输出，控制动作的执行。 系统软件主要实现数据的通信、解析，控制逻辑的 运算，各种自动化、智能化控制算法的集成。 1.1 系统硬件组成 针对煤矿井下全液压坑道钻机的功能特点及钻 孔工艺施工要求，结合液压系统的控制特点，设计 了煤矿井下坑道钻机电液控制系统，如图 1 所示， 系统从设备布局上分为车载端和移动端两部分。 图 1 电液控制系统硬件 Fig.1 Hardware composition of electronic-hydraulic control system 车载端主要由钻机控制器、电磁阀组、传感器 组、供电模块、收发器、声光报警设备组成，其中， 钻机控制器通过 I/O 接口连接以上设备，是整个电 控系统的运算和控制核心，起到数据流指令流计算 交互的作用。 钻机控制器由供电模块供电，通过读取收发器 收到的无线遥控指令，经控制程序计算后，控制电 磁比例阀开度以及电磁开关阀的开关状态，实现若 干电磁阀的组合逻辑以及时序逻辑动作，从而控制 钻机实现自动钻进、自动起钻等钻孔施工动作。同 时传感器组中的各类传感器实时监测钻机油路压 力、油路流量、油箱液位及温度、动力头转速及位 移等物理量，完成钻机动作的闭环控制以及钻机状 态量的采集。 移动端即遥控器， 主要功能是以 100 ms 为定时 周期，循环执行按键采集、逻辑判断、无线收发以 及显示存储任务。通过按键采集任务采集遥控器面 板上的手柄以及拨钮开关状态，逻辑判断任务进行 操作逻辑的判断与安全互锁，在操作逻辑正确的前 提下， 由无线收发任务在可视距离内遥控操作钻机， 并通过显示存储任务观察钻机的状态信息。 1.2 钻机控制器设计 钻机控制器为坑道钻机电控系统的核心部件， 其功能多样性、可靠性及稳定性的优劣直接影响钻 机电控系统整体性能[16]，钻机控制器如图 2 所示。 钻机控制器主要作用是完成对各类传感器信息 的采集、解码、计算；输出控制信号完成对执行机 构的控制；同时为其他加挂在控制器的本安设备供 电。按组成结构划分，钻机控制器主要由本安电源 板、隔离采集板以及 PLC 控制器组成。其中，本安 电源板用于实现电源转换，将输入端 DC24 V 非安 电源转换为 DC12 V 本质安全电源输出，为隔离采 集板和其他本安设备供电；隔离采集板用于实现本 安、 非安电路隔离， 可承受 AC2 500 V 的工频耐压， 具备 1.3 A 过流保护、过压保护、过热保护功能； PLC 控制器内嵌钻机控制程序，用于实现数据包解 码计算、钻机控制逻辑判断、执行机构控制信号的 输出。 万方数据 第 3 期 董洪波等 煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究 221 按功能划分，钻机控制器可分为输入端和输出 端两大模块。其中，输入端包括 1 路 DC24 V 非安 电源；2 路本安 CAN 总线通讯电路，其中 CAN1 用 来连接收发器，CAN2 用来连接压力传感器；8 路 05 V 本安电压量输入电路，用来连接位移传感器； 8 路 420 mA 本安电流量输入电路， 用来连接流量、 温度传感器；8 路本安开关量输入DI，用来连接位 置传感器以及转速传感器。输出端包括 12 路非安 PWM 输出接口，可输出 24 V，02 A 可调电流，可 驱动电磁比例阀；16 路非安开关量输出接口，可驱 动电磁开关阀；1 路 DC12 V 本安电源输出，为系统 中的本安设备供电。 图 2 钻机控制器原理 Fig.2 Schematic diagram of drilling rig controller 2 电液控制系统软件开发 2.1 控制器主程序设计 系统控制器主程序是在 CODESYS V3.5 开发环境 下使用ST语言编写的， 控制器主程序流程如图3所示。 主程序主要包括逻辑主程序和通信主程序两大 程序模块。 逻辑主程序主要实现外部数据读取解包、 钻机工况判断、输出控制信号功能。① 首先，外部 数据解包， 读取的数据除了 CAN 总线接收到的遥控 器数据、 CAN 总线传感器数据， 还包括其他非 CAN 信号传感器数据；② 接着进行钻机工况判断，根据 按键组合完成工况逻辑判断后，调用该工况对应的 子控制程序模块；③ 最后，根据子控制程序模块处 理结果输出电磁阀控制信号。 通信主程序主要实现了对 CAN1、CAN2 模块 的数据收发功能。 ① 从 CAN1 上接收遥控器按键数 据，解码后赋值给各按键状态变量；② 从 CAN2 上接收 CAN 总线传感器数据，根据传感器 ID 将数 据解码后赋值给对应的传感器变量； ③ 根据逻辑主 程序处理结果，将打包后的钻机信息发送至 CAN1， 供遥控器接收处理。 2.2 自动化钻孔施工算法 为实现钻机自动化钻孔施工功能，需在给进起 拔油缸内部布置磁致伸缩位移传感器辅助判断动力 头位置，同时需布置两个夹持器和一个卸扣器以实 现钻杆自动装卸。图 4a 为钻机机身布置，为实现钻 机自动化钻孔施工，在动力头导轨上标定了 4 个动 力头位置Z1、Z2、Z3、Z4，分别用于自动程序起 始点、第一根钻杆上/卸扣点、第二根钻杆上/卸扣点 和结束点的判定。 设计的自动钻进程序流程如图 4b 所示① 检测 钻机状态动力头位置， 主动钻杆与钻杆连接状态， 将钻机状态恢复至主动钻杆与钻杆分离， 前夹持器 夹紧钻杆，后夹持器张开，动力头在最末端 Z4位 置；② 将待加载钻杆放在中轴线上，后夹持器夹 紧待加载钻杆，动力头给进至 Z3位置；③ 回转器 带动主动钻杆正转， 上待加载钻杆后端丝扣； ④ 上 扣完成后，后夹持器打开，动力头给进至 Z2位置； ⑤ 回转器正转，开始上待加载钻杆前端扣；⑥上 扣完成后，前夹持装置张开，全速回转钻进，动力 头移动至最前端 Z1位置；⑦ 前夹持器夹紧，回转 器反转卸待加载钻杆后端扣；⑧ 卸扣完成后，动 力头后退至最末端 Z4位置，加载一根钻杆动作完 成；⑨ 反复重复上述步骤，即实现钻机自动钻进 功能。 万方数据 222 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 3 钻机控制器主程序流程 Fig.3 Main program flowchart of drilling rig controller 图 4 自动钻孔施工流程 Fig.4 Process description of automatic drilling 万方数据 第 3 期 董洪波等 煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究 223 自动起钻流程与自动钻进动作刚好相反，设计 的自动起钻程序流程如图 4c 所示① 检测钻机状 态动力头位置，主动钻杆与钻杆连接状态，将钻 机状态恢复至主动钻杆与钻杆分离，后夹持器张 开，前夹持器夹紧待拆卸钻杆；② 动力头给进至 最前端 Z1位置，回转器正转上待拆卸钻杆后端丝 扣；③ 上扣完毕后，前夹持器打开，动力头起拔 至 Z2位置；④ 前夹持器夹紧待拆卸钻杆前一根钻 杆，反转卸待拆卸钻杆前端丝扣；⑤ 卸扣完毕后， 后夹持器夹紧待拆卸钻杆， 反转卸待拆卸钻杆后端 丝扣；⑥ 卸扣完毕后，动力头后退至最末端 Z4位 置，后夹持器张开，取出待拆卸钻杆，拆卸一根钻 杆完成；⑦ 反复重复上述步骤，即实现钻机自动 起钻功能。 3 电液控制系统的集成与应用 为验证设计的电控系统和钻机自动施工技术的 功能和可靠性， 将电液控制系统集成在 ZDY4000LR 钻机上，进行地面验证试验，集成在 ZDY6500LQ 钻机上进行现场应用试验。 集成电液控制系统后的 ZDY4000LR 电控自动 化钻机具备远程控制、参数监测、工况逻辑判断、 安全互锁、自动调平、自动化钻孔施工等功能。经 功能性验证试验表明 ① 电液控制系统实时响应及 时，经信号监控软件 PCAN View 反复验证说明，遥 控器发出指令后 50 ms 内控制信号即可传递至电磁 阀执行机构；② 钻机远程控制平稳，通过遥控器可 实现 50 m 远距离控制钻机， 无明显迟滞现象； ③ 钻 机工况判断准确，控制器根据遥控器按键排列完 成工况判断，并将对应工况的监测界面返回至遥 控器屏幕显示；④ 具备安全互锁功能，控制器完 成钻机工况判断后会将其他工况条件下的电磁阀 控制权限锁死，防止误操作发生安全事故，如在 行走工况下，无论怎样拨动回转、钻进按钮，对 应执行机构都不会动作； ⑤ 钻机可在 10 s 内完成 自动调平，且水平度误差小于 0.2；⑥ 钻机自动 钻进和自动起钻过程中，可在 60 s 内完成单根钻 杆的加载或拆卸。 ZDY6500LQ 钻机是本套电液控制系统首次进 行井下现场工业性试验的钻机产品，具备远程单动 控制功能。 于 2019 年 7 月起先后有 7 台钻机在淮南 矿业集团顾桥煤矿、张集煤矿、谢桥煤矿进行井下 钻孔施工。截至完稿时，历时 4 个月，使用期间电 液控制系统运行稳定，操作方便，无故障。现场工 业性试验表明① 电液控制系统响应及时，满足井 下使用要求；② 电液控制系统可靠，在井下恶劣环 境下使用期间无软硬件故障；③ 实现了安全互锁， 保证了现场设备和人员安全；④ 实现远程控制功 能、工况逻辑判断功能和参数监测功能，现场工人 可远离钻机进行控制， 进一步保证了现场人员安全； ⑤ 电液控制系统操作方便， 现场工人仅需简单培训 即可进行控制施工。 图 5 ZDY6500LQ 钻机 Fig.5 ZDY6500LQ drilling rig 4 结 论 a. 根据钻机施工特点，结合钻进工艺要求，完 成了钻机电控系统硬件系统搭建和控制软件编写， 并设计了和自动钻进、自动起钻方案。所设计的电 控系统可配套在所有煤矿井下全液压钻机上。 b. 所设计的电控系统分别在 ZDY4000LR 钻 机、 ZDY6500LQ 钻机上进行了集成应用。 实现了对 两 款 钻 机 的 远 程 单 动 控 制 、 参 数 监 测 ； 在 ZDY4000LR 钻机进行了钻机自动钻进、 自动起钻功 能试验，实现了在 60 s 内完成单根钻杆的加载或拆 卸；在 ZDY4000LR 钻机上进行了钻机自动调平功 能试验，实现了 10 s 内钻机自动调平，且调平水平 度误差小于 0.2；对 ZDY6500LQ 钻机进行了现场 工业性试验，在使用期间运行平稳，控制稳定，尚 未出现故障，电控系统可靠性得到了验证。 c. 钻机配套电控系统是实现钻机自动化的基 础，目前对于自动施工技术的研究还较少，今后 可在此基础上进行更复杂、更智能的自动施工技 术研究。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 钱鸣高， 许家林， 王家臣. 再论煤炭的科学开采[J]. 煤炭学报， 2018，4311–13. 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