基于嵌入式技术的全液压钻机参数监测软件设计.pdf

第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. School of Electronics Engineering and Computer Science Peking University, Beijing 100871, China Abstract In order to reduce the development cost of the coal mine hydraulic drilling rig monitoring and diagnosis system, realize the versatility and portability of the monitoring and diagnosis system, and simplify the operation process, an embedded parameter monitoring software for the domestic mainstream full hydraulic drilling rig was designed. The software took STM32F407 microprocessor as the running environment and was developed in the en- vironment of Visual Studio 2013 with C language. After completing GUI simulation on emWin Simulation, the software function verification experiment was carried out on the ZDY4000LR drilling rig. The experiment shows that the software ran stably and reliably, and the software can monitor the parameters of multiple drilling rig in real time and has the function of data access. The software is flexible in software configuration, convenient to transplant, and is controllable in cost. It is suitable for all hydraulic drilling machines with different types and different moni- toring requirements. Keywords full hydraulic drilling rig; parameter monitoring; embedded software; interface design 近年来， 随着自动化技术的进步和社会的发展， 煤矿企业对井下钻机数字化钻进、自动化钻进的需 求越来越迫切1-7。为实现井下钻机装备数字化，提 高钻孔施工效率，国内相关企业和机构针对煤矿井 下全液压钻机已设计出多款配套的钻机参数监测诊 断系统5-7。这些监测诊断系统可以实现钻机参数的 监测、显示和存储等功能，但在使用过程中存在以 下问题系统集成在防爆计算机中，不仅价格昂贵 而且大大增加了系统体积；操作较复杂，对工作人 员素质要求较高；固化在钻机上，移植性较差。为 解决上述问题，设计了一款嵌入式参数监测软件， 该软件面向国内主流全液压钻机，采用开放式模块 化设计。用户可根据钻机的不同监测需求，自行选 择和配置相对应的传感器， 以实现预期的监测功能。 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 14 煤田地质与勘探 第 47 卷 由于采用轻量化设计思路， 该软件对环境依赖较小， 只需搭载在嵌入式显示屏即可正常使用，因此，有 效解决了钻机参数监测系统体积大、移植性差、成 本较高等问题。 1 软件总体设计 1.1 软件功能分析 根据全液压钻机实际工作特点及钻孔施工工艺 要求进行分析，软件需满足如下功能 a. 钻进参数监测显示功能 为了量化钻孔施工 参数，实现钻机装备的数字化，软件需具备钻进参 数监测和显示功能。同时为了方便操纵人员直观、 精确观察参数变化，软件人机交互界面将以数字显 示为主，图形显示为辅。 b. 位姿参数监测显示功能 钻孔施工前需调整 钻机姿态，钻孔施工开始后钻机姿态保持不变，钻 机姿态是否调整到位直接影响成孔是否符合设计预 期目标8。因此，软件除了需具有施工过程的参数 监测功能外，还需具有钻孔施工前钻机姿态参数的 监测功能。 c. 存储功能 为实现钻孔完孔后数据溯源，进 行历史数据分析，软件需配备存储功能。 d. 参数设置功能 为实现软件的可移植性，软 件需具备参数设置功能。通过参数设置将软件接口 与各个传感器进行匹配，从而在不同型号、不同监 测需求的钻机上均可正常工作。 e. 通信功能 通讯功能的目的是实现底层传感 器发送的信号能被软件接收。 软件选择 CAN 总线进 行通讯。 f. 报警功能 钻进过程中若发生孔内异常情 况，可能使某些钻进参数发生突变9。从安全施工 的角度考虑，软件需具备报警功能。 1.2 监测参数选取 全液压钻机是以液压油为动力源的复杂工程机 械10。 本软件既要监测钻孔施工过程中的钻机状态， 又要监测施工前钻机的位姿状态。在钻孔施工的过 程中，钻机运行参数体现在压力、流量、转速等方面； 而钻机位姿的调整主要依据于机身倾角、钻孔方位角 和开孔高度 3 个方面。具体的监测参数选择如下 a. 液压压力 液压压力直接反映钻机的运行情 况。在钻孔施工作业时，操作人员需时刻观察液压 压力变化以掌握钻机状态，因此将钻机液压压力作 为重点监测对象。根据钻机工作流程，结合钻孔施 工工艺特点，软件选取了主泵压力、副泵压力、给 进压力、起拔压力、正转压力、反转压力和回油压 力共 7 项参数作为监测对象。 b. 流量 钻机液压系统中，流量的大小反映了 钻机执行机构运行的快慢。流量太小可能导致机构 运行不到位，而流量过大可能使机构运行过快导致 失稳。软件最终选取了主泵流量和泥浆泵流量作为 监测参数。 c. 其他钻机运行参数 包括对油箱液位、油温、 动力头转速、转矩、钻进速度和钻进深度的监测。 液位和油温的监测保证不会因为液压油过少或黏度 异常而导致液压系统无法正常工作。不同钻孔工艺 下对转速和转矩有不同的要求11，转速和转矩的监 测有助于操作人员掌握钻机当前运行情况。钻进速 度和钻孔深度的监测是把控施工进度的依据。 d. 位姿参数 包括对机身倾角、方位角和开孔 高度的监测。机身倾角、方位角和开孔高度共同决 定了钻机的姿态，而钻机姿态是否到位直接决定实 际成孔是否符合设计预期。 2 软件开发 2.1 开发思路 依据上述软件功能分析， 本软件需实现实时监测 显示功能、存储功能、参数设置功能、CAN 通讯功 能和报警功能。为此，将软件分为驱动层、中间层、 应用层并行开发，首先通过 emWin Simulation 在 PC 上仿真，测试软件基本功能，之后将源码下载至 STM32F407 开发板，在 ZDY4000LR 钻机上进行功 能验证实验。软件的结构功能拓扑图如图 1 所示。 图 1 软件结构功能拓扑图 Fig.1 The topology diagram of software structure and function 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 第 2 期 廖姜男等 基于嵌入式技术的全液压钻机参数监测软件设计 15 通过驱动层的搭载、中间层的移植配置，进而 开发应用层各个程序模块，经由这些程序模块的相 互配合，即可实现预期的各项软件功能。其中，驱 动层是以 STM32F407 单片机为核心的物理硬件支 持，主要包括 SD 驱动、CAN 驱动、LCD 驱动和 RTOS 驱动。中间层主要为软件开发提供中间支持， 主要包括 FATFS 文件管理系统、 ST 固件库、 emWin 界面开发软件包和 UCOS-II 实时操作内核的移植与 配置。在中间层的基础上进行了应用层模块任务的 开发，主要包括存储模块、通讯模块、显示模块和 调度模块，其中调度模块通过其消息队列功能实现 存储、通讯、显示模块间的通信，并进行各模块任 务间的调度。软件主程序流程如图 2 所示。 图 2 主程序流程图 Fig.2 The flow chart of main program 由软件结构及主程序框架可知，本软件采用模 块化的设计思路，开发出的各个子模块由实时操作 系统完成相互通信和调度工作。根据用户需求，各 功能模块可进行增减，因此，软件在功能上是可扩 展、可裁剪的。 2.2 利用 UCOS-II 实现内部通信与调度 为了实现软件内部的通信与调度功能，并贴合 模块化的设计理念，需要在软件中移植操作系统。 基于对软件快速响应性要求、开发成本控制等因素 的考虑，经过对市面上各类型操作系统的比较，最 终选择 UCOS-II 作为软件的嵌入式实时操作系统。 UCOS-II 是一款源码开放的轻量型操作系统，不仅 移植性好，而且可固化、可裁剪、实时响应性好， 在工业控制领域得到了广泛的应用12。 在使用 UCOS-II 前，需将其移植到单片机上并 加以配置，其过程比较简单，此处不再赘述。使用 UCOS-II 时，首先在主函数中创建开始任务，之后 在开始任务中创建其他任务，包括空闲、时钟节 拍、统计、定时器、中断、存储、通讯和显示等共 8 个任务。其中存储、通讯和显示任务分别位于存 储模块、通讯模块和显示模块中，并分别作为该模 块的逻辑主程序。 软件通过各任务的优先级确定其执行的先后次 序，在 UCOS-II 中允许存在 64 个任务优先级，且 要求每个优先级仅对应唯一的任务。在本软件中上 述 8 个任务按照配置的优先级由高到低依次为中 断任务、时钟节拍任务、定时器任务、通讯任务、 显示任务、存储任务、统计任务、空闲任务。参照 软件主程序流程，当有数据接收时，由于通讯任务 的优先级最高，故此时先执行通讯任务完成数据译 码工作，之后通讯任务进入等待状态；随后显示任 务与存储任务均需要访问译码后的数据，译码后的 数据被发送到消息队列中，根据优先级高低判断， 先由显示任务读取消息队列中的消息，再由存储任 务读取，之后 2 个任务进入等待状态；此后的一段 时间里，若有新的数据被接收，则进入下一循环， 若无数据被接收， 则此 3 个任务一直处于等待状态。 这 3 个任务调度过程如图 3 所示。 图 3 任务调度简图 Fig.3 The diagram of task scheduling 由于软件需实时监测各参数，故应将最新接收 的数据进行显示。为防止消息队列被占满而使得最 新接收的消息被溢出， 软件创建的消息队列是“先入 先出”模式，即在消息队列占满时，新接收的消息会 将之前接收的消息替换， 从而保证了软件的实时性。 2.3 通讯模块设计 煤矿井下有多种电磁干扰源， 如大功率变压器、 高频无线放电通信设备等等，这些设备会影响其他 电气元件的性能。CAN 总线通讯具备高的位速率和 抗电磁干扰特性，能够满足煤矿井下恶劣工作环境 下的数据通讯需求13。且 CAN 总线传输距离远、 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 16 煤田地质与勘探 第 47 卷 效率高，部分节点的故障不会影响到整个总线通讯 系统，拥有一定的容错率，故软件采用 CAN 总线进 行信号传输。 软件通过 CAN 总线接收其他传感器采集到的 数据信息。由于监测参数较多，负责数据采集的各 个传感器输出的信号可能有电流量、频率量等，这 些信号需要先经一块信号采集卡统一转换为标准 CAN 信号之后才可被软件接收。CAN 通讯功能实 现的原理是首先从外置 FLASH 里读取各传感器 的 ID 及计算参数；之后监听 CAN 总线上接收到的 数据帧，并根据数据帧仲裁段的 ID，将 CAN 数据 帧与传感器 ID 相对应；再将 CAN 数据帧上的数据 存储到相对应的各传感器计算变量中；最后将计算 后的各参数数据以消息队列的形式发送给应用层中 的其他模块。因此在使用软件时，只需将要用到的 传感器根据对应参数变量 ID 进行设置后即可。 软件的数据传递流程如图 4 所示。 图 4 软件数据传递流程图 Fig.4 Data transmitting flow of software 2.4 显示模块设计 人机交互界面是钻机操作人员直接接触并获取 钻机参数信息的部分。界面的友好程度、信息的直 观性、全面性很大程度上影响工作人员对钻机运行 状态的判断和分析。根据软件功能分析，软件人机 交互界面分为钻进界面和位姿界面。人机交互界面 的设计通过 emWin 实现。 监测数据的显示分为图形显示和数字显示两 种，其显示原理是在软件显示模块接收到数据后， 首先将数据解析，图形显示中需将数据转换为指针 旋转的弧度值，数字显示直接转换为浮点数即可。 钻进界面中包括主泵压力、副泵压力、给进压力、 起拔压力、回油压力、正转压力、反转压力、主泵 流量、泥浆泵流量、油箱液位、油箱温度、转矩、 转速、钻进速度和钻进深度共 15 项参数。钻进界面 包含大量信息显示，需要用户在同一时间内处理大 规模信息，用户在执行过程中认知难度高，容易出 现遗忘和误读误判14。为减小界面认知难度，根据 实际钻进施工经验，将最能体现钻机工况的 3 个参 数主泵压力、副泵压力和给进压力以仪表控件的 形式放置在最醒目的位置，以方便操作人员直观便 捷、有主次地获取到钻机钻进参数。位姿界面则包 括机身倾角、方位角和开孔高度 3 个参数。位姿界 面参数较少，只通过数字显示进行参数监测。 在软件运行过程中，每次接收到数据进行显示 时，实际需更新的画面仅占界面的一小部分。如果 将整个界面进行更新， 不仅会过多地占用芯片内存， 增加芯片运行负担，而且会使得画面闪烁，影响软 件用户体验。 因此在设计中使用 emWin 中自动设备 对象以实现界面中多个小区域实时更新的功能，其 工作原理 在初次上电后进行整个界面的更新显示， 之后每次接收到数据，将根据 CAN 数据 ID 将对应 的小区域进行更新显示，而不会更新整个界面，且 画面更新小区域时不会出现闪烁，从而大大减少芯 片计算时间、提高软件运行的稳定性。 综上所述，界面模块运行的原理是将需根据测 量值而实时更新显示的部分作为前景，如表盘指针 控件、测量数值等等，将除此以外的其他部分作为 背景。在首次绘制时，绘制所有的项目，之后则保 留背景不变，运用自动设备对象实现前景项目的更 新显示。显示模块程序流程如图 5 所示。 3 软件功能实验验证 在完成了软件的全部开发后，首先用 emWin Simulation 在 PC 端上进行了界面仿真， 对软件数字 显示、图形显示、前景刷新等基本功能进行了测试。 之后将程序下载到 STM32F407 开发板， 并将其安置 在 ZDY 4000LR 钻机上进行软件功能验证实验。验 证实验步骤如下 a. 硬件连接 在验证实验中， 以 STM32F407 开 发板作为软件的硬件载体，以 ZDY4000LR 钻机作 为监测对象。虽然软件可监测多达 18 项参数，但由 于其他参数在 ZDY4000LR 钻机上无测量硬件，故 实验只对 7 个压力参数、油箱温度、转速和机身倾 角 10 项参数进行监测显示。 其中 7 个压力传感器型 号均为 GPD50， 倾角传感器型号为 GUD75， 均可输 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 第 2 期 廖姜男等 基于嵌入式技术的全液压钻机参数监测软件设计 17 图 5 显示模块流程图 Fig.5 The flow chart of display module 出标准 CAN 信号，直接搭载在 CAN 总线上；温度 传感器型号为 WZPK-241，输出电压信号，转速传 感器型号为 YE0.3/24.4，输出频率量，故温度传感 器和转速传感器需先经一块数据采集卡将输出信号 转换为标准 CAN 信号后再搭载到 CAN 总线上。 b. 参数设置 将各传感器 ID 设置为与软件各 个参数接口的 ID 一一对应， 其中主泵压力 ID 为 53， 副泵压力 ID 为 56，给进压力 ID 为 59，起拔压力 ID 为 62，回油压力 ID 为 65，正转压力 ID 为 68， 反转压力 ID 为 71，机身倾角 ID 为 74，油箱温度 ID 为 86，转速 ID 为 92。CAN 总线波特率设置为 250 kbps，压力参数发送间隔为 50 ms，其他参数发 送间隔为 500 ms。 c. 软件功能验证实验 操作钻机动作，观察软 件各个参数更新显示。记录某一时刻下软件压力数 据与对应机械式压力表数据，共包括主泵压力、副 泵压力、给进压力、起拔压力、回油压力共 5 组数 据；记录某一时刻下软件油箱温度数据与油箱表面 温度计数据，共记录 20 次。 d. 历史数据分析 取出 SD 卡，查看生成的数 据文件，是否有参数存在数据丢包、数据溢出等情 况。确定无数据丢包后，分析和比对上一步骤中记 录的几组软件测得参数数据与原 ZDY4000LR 钻机 测量方式测得数据。数据比对分析如表 1 所示，软 件功能验证实验如图 6 所示。 表 1 2 种监测方式所测参数数据对比 Table 1 Comparison of measured data of two monitoring s 主泵压力/MPa 副泵压力/MPa 给进压力/MPa 起拔压力/MPa 回油压力/MPa 油箱温度/ 次数 软件 压力表 软件 压力表 软件 压力表 软件 压力表 软件 压力表 软件 温度计 1 0.7 1 1.6 2 1.1 1 0.2 0 0 0 16 16 2 1.3 1 2.3 2 1.2 1 0.4 1 0.1 0.1 16 16 3 1.7 2 2.8 3 1.2 1 0.5 1 0.1 0.2 17 17 4 1.8 2 4.2 4 1.7 2 1.4 2 0.2 0.2 18 19 5 2.3 2 5.3 5 2.3 2 1.9 2 0.2 0.2 19 20 6 8.0 8 7.1 7 2.7 3 5.2 5 0.2 0.2 20 20 7 9.6 10 7.8 8 4.2 4 5.4 5 0.2 0.2 22 22 8 10.3 10 7.9 8 7.0 7 7.4 7 0.3 0.2 25 26 9 11.7 12 8.7 9 8.3 8 8.2 8 0.3 0.3 25 25 10 13.3 13 10.1 10 9.3 9 8.5 9 0.3 0.3 26 26 11 13.9 14 10.7 11 10.2 10 10.8 11 0.3 0.3 27 27 12 15.6 16 10.9 11 10.6 11 11.3 11 0.3 0.3 28 29 13 17.2 17 11.0 11 13.9 14 11.9 12 0.3 0.3 32 32 14 17.7 18 11.7 12 14.4 14 12.4 12 0.3 0.3 32 33 15 19.7 20 11.8 12 15.1 15 13.7 14 0.3 0.3 34 35 16 20.6 21 13.2 13 15.4 15 14.7 15 0.3 0.3 40 40 17 20.8 21 13.2 13 15.5 16 16.3 16 0.3 0.4 45 45 18 21.9 22 13.5 14 17.3 17 16.6 17 0.4 0.4 47 48 19 23.3 23 18.7 19 18.3 18 18.9 19 0.4 0.4 51 53 20 24.2 24 19.4 19 19.7 20 19.6 20 0.4 0.4 53 54 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 18 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 6 软件验证实验 Fig.6 The verification experiment of software 相比于传统的机械式压力表和温度计，软件拥 有更高的分辨率。软件数据中压力参数的分辨率为 0.1 MPa，温度参数的分辨率为 1；钻机上回油压 力表分辨率为0.1 MPa，其他压力表的分辨率为2 MPa， 温度计的分辨率为 2。从表 1 数据比对可以看出， 每组压力数据的误差不超过 0.5 MPa，温度数据的 误差不超过 2。经分析，上述误差主要是由于机 械式压力表和温度计分辨率较低造成的，软件测得 参数数据比传统测量方式所得数据理论上更接近真 实值。 实验验证表明软件实现了多个钻机参数的 实时监测显示，参数数据的准确率和实时性满足 要求，且经发送、接收数据比对，数据未出现丢 包或溢出。软件实现了数据存储功能，可进行施 工后历史数据分析。软件实现了与多个传感器的 通讯功能，可根据实际需要通过参数设置功能决 定启用某几个传感器，从而使软件只实时监测所 需参数。在实验过程中软件运行稳定，界面更新 时无明显闪烁。 4 结 论 a. 设计了一款全液压钻机通用的嵌入式参数 监测软件。软件选取了 18 项钻机参数作为监测对 象，拥有参数监测显示、存储、参数设置、CAN 总 线通讯和报警功能。 b. 在 ZDY4000LR 钻机上的功能验证实验表 明软件实现了预期设计功能，使用简便，运行稳 定，配置灵活，移植性好，对环境依赖较小，实时 性满足使用要求。 c. 软件只进行了地面功能验证实验， 下一步需搭 载到矿用嵌入式显示屏上，以进行现场工业性试验。 参考文献 1 廖姜男，姚宁平，董洪波，等. 矿用全液压钻机虚拟仪表技术J. 煤矿安全，2017，483103109. LIAO Jiangnan，YAO Ningping，DONG Hongbo，et al. Virtual instrument technology of mine full-hydraulic drilling rigJ. Safety in Coal Mines，2017，483103109. 2 董洪波. 煤矿井下随钻测量及钻孔数据处理软件开发与应用J. 煤炭科学技术，2018，466195199. DONG Hongbo. Development and application of software for measurement while drilling and borehole data processing in coal mineJ. Coal Science and Technology，2018，466 195199. 3 王国庆， 许红盛， 王恺睿. 煤矿机器人研究现状与发展趋势J. 煤炭科学技术，2014，4227377. WANG Guoqing，XU Hongsheng，WANG Kairui. Research status and development trend of coal mining robotsJ. Coal Sci- ence and Technology，2014，4227377. 4 张建明，刘桂芹，刘庆修. 煤矿井下坑道钻机数字化设计 技术J. 煤田地质与勘探，2012，4018992. ZHANG Jianming，LIU Guiqin，LIU Qingxiu. Digital de- signing technologies for tunnel drilling rigs for underground coal minesJ. Coal Geology Exploration，2012，401 8992. 5 方俊，鄢泰宁，卢春华，等. 全液压深孔钻机适用的钻探参数 监测系统J. 煤田地质与勘探，2013，4118488. FANG Jun， YAN Taining， LU Chunhua， et al. Drilling parameter monitoring system suitable to fully hydraulic drill rigJ. Coal Geology Exploration，2013，4118488. 6 SHEN Zhongjie，DONG Hongbo，YAO Ningping，et al. Condition monitoring and fault diagnosis system of fully hydrau- lic drilling in coal mineC//Proceedings of 2016 3rd Interna- tional Conference on Mechanical， Industrial， and Manufacturing EngineeringMIME 2016，2016167170. 7 璟璟沈，乌效鸣，王鹏，等. 非开挖铺管钻机工况参数检测仪 的设计与实现J. 煤田地质与勘探，2009，3767780. SHEN Jingjing， WU Xiaoming， WANG Peng， et al. Design and 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 第 2 期 廖姜男等 基于嵌入式技术的全液压钻机参数监测软件设计 19 implementation of HDD rig condition data detectorJ. Coal Ge- ology Exploration，2009，3767780. 8 张春熹，林铁，高爽，等. 基于光纤陀螺的煤矿钻机定向仪设 计J. 煤炭学报，2013，381120612066. ZHANG Chunxi，LIN Tie，GAO Shuang，et al. The design of drilling rig directional instrument based on fiber optic gyro- scopeFOG in coal mineJ. Journal of China Coal Society， 2013，381120612066. 9 LIU Zhiqiang，MENG Yiping. Key technologies of drilling process with raise boring J. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2015，7385394. 10 翁寅生， 殷新胜， 赵良. 松软煤层坑道钻机钻进参数测量系统 设计J. 煤田地质与勘探，2014，425100103. WENG Yinsheng，YIN Xinsheng，ZHAO Liang. Design of drilling parameter measuring system of drill rig in soft coal seamJ. Coal Geology Exploration，2014，425100103. 11 田宏亮. 瓦斯抽采履带式坑道钻机的研制与应用J. 煤田地 质与勘探，2008，3657780. TIAN Hongliang. Manufacture and application on track-mounted rig for gas drainageJ. Coal Geology Exploration，2008， 3657780. 12 公鑫，潘金生，李仁辉，等. 基于 Adaboost 识别算法的电力 塔杆拉线防盗报警系统的研究J. 电测与仪表， 2017， 5416 3941. GONG Xin， PAN Jinsheng， LI Renhui， et al. Research on power pole line anti-theft alarm system based on Adaboost classification algorithmJ. Electrical Measurement Instrumentation，2017， 54163941. 13 汪佳彪，王忠宾，张霖，等. 基于以太网和 CAN 总线的液压 支架电液控制系统研究J. 煤炭学报， 2016， 416 15751581. WANG Jiabiao， WANG Zhongbin， ZHANG Lin， et al. Research on electro-hydraulic control system of hydraulic support based on Ethernet and CAN-BusJ. Journal of China Coal Society， 2016，41615751581. 14 吴晓莉，薛澄岐，王海燕，等. 复杂系统人机交互界面的 E-C 映射模型J. 机械工程学报，2014，5012206212. WU Xiaoli，XUE Chengqi，WANG Haiyan，et al. E-C mapping model based on human computer interaction interface of com- plex systemJ. Journal of Mechanical Engineering，2014， 5012206212. 责任编辑 聂爱兰 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et