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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 Mechanical Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China Abstract In order to solve the influence of the dangerous conditions in the deep mine, such as large percus- sive ground pressure and high temperature and humidity of the roadways in deep mines on drilling operation, a remote control drilling rig control system is designed. The control system consists of local control terminal and remote control terminal, both communicating by CANController Area Network bus and optical fiber for data and image. Local control terminal core uses automobile PLCProgrammable Logic Controller as the control core to realize data acquisition and control, develops program in CoDeSys. The remote control terminal, based on MCU and PC104, realizes the remote command transmit-receive and display, and display interface of PC extending CAN interface, is developed by LabVIEW. The actual application results of the control system show that the control system has achieved remote 800 meters control, has the advantages of fast response, convenient operation, high reliability, friendly man-machine interaction and so on. Keywords control system; design; drilling rig; fiber; CAN bus 煤矿透水和瓦斯突出等问题严重制约着煤炭资 源的开采和利用， 钻孔施工是治理煤与瓦斯突出问题 的有效方法， 而煤矿井下钻机是一种消除该类危害的 主要钻探机具1-2。随着我国煤矿开采深度的逐年增 加， 矿井高温高湿的问题亦日益突出， 不仅严重危害 矿工的身心健康， 而且时刻威胁着煤矿安全生产的正 常进行3。另外煤矿深部和松软突出煤层等危险地层 的大直径钻孔施工4，以及未来的绿色矿山建设都迫 切需要煤矿井下钻机具备远程遥控的控制功能， 这也 将为无人或少人值守钻孔施工现场提供了可能。 煤矿井下要求远控端司钻者能根据钻机状态进 行施工，因此远控端需要能看到钻机的 4 路视频图 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 翁寅生等 煤矿井下钻机远程控制系统设计 21 像。另外，在远控端距钻机 800 m 远的指标要求下， 传输数据少且传输距离只有几十米的无线通信显然 无能为力。因此，如何将 4 路视频图像和数据传输 800 m 远并实现传感器采集量和控制指令的数据共 享是亟待解决的难题，这就需要一种具有高吞吐率 的有线通信作为主通信，另外还需要一种具有容错 能力强的工业控制总线构成局域网。光纤通信是一 种利用光与光纤传递信息的方式， 具有传输容量大、 传输距离远等优点，现在已经成为当今最主要的有 线通信方式5-6。而 CANController Area Network 总线由于其可靠性高、实时性强和错误检测能力强 的优点被广泛应用到汽车和工程机械等工业控制局 域网中7-8。因此，将光纤和 CAN 总线结合应用到 煤矿井下钻机的控制系统中，可以充分发挥两者的 优势，以光纤实现图像和数据的多路复用，以 CAN 总线通信实现传感器采集量和控制指令的数据共 享。 基于此， 采用可靠性高的车用 PLC 为控制核心， 通过光纤实现遥控器、显示器和控制台之间的远距 离800 m数据传输， 系统的现场通信总线采用 CAN 总线，一方面控制器将传感器的数据采集处理后 发送到显示器进行显示，另一方面控制台接收遥 控器的指令，并将指令转换成控制信号控制执行 机构运动。 1 控制系统功能及方案 该远控系统的功能主要包括检测压力、温度、 液位、转速、位移、开关量等物理量；控制各开关 电磁阀和比例电磁阀动作从而控制执行机构运动， 实现部分联合动作； 4 路视频和 1 路音频传输系统； 各监测物理量的动态显示；远程通信功能光纤， CAN，远控距离大于 800 m；防爆要求Exd I 或 Exdib I Mb。 根据以上功能和技术指标，可采用如图 1 所示 的控制系统方案。 如图 1 所示，按钻机的布局位置来分，可以将 控制系统分为钻机近端、远程控制端以下简称为远 控端。钻机近端位于钻机上，包括近控台和近端视 频系统，用于现场采集和执行机构控制；远控端位 于钻机之外，包括防爆计算机、本安远控箱或称遥 控器、通信电源箱、远端音视频系统，用于远程操 作和图像显示。钻机近端和远控端之间通过光纤连 接，系统中的音频和视频、传感器采集的数据以及 遥控器的指令在光纤上进行复用并传输，远控端和 钻机近端以 CAN 总线为通信， 实现远控端和钻机近 端的数据共享。 图 1 控制系统方案 Fig.1 Control system scheme 钻机近端控制系统采用隔爆兼本安设计，其中 钻机近端外壳和电磁阀等采用隔爆设计，传感器选 用本安型，其接口部分采用隔离和本安设计。 2 控制系统硬件设计 2.1 控制系统硬件总体设计 将系统的控制方案进行细化，可以得到控制系 统的硬件组成，如图 2 所示。 远控端中防爆计算机用于实时显示要采集的物 理量并显示遥控器执行后阀的动作状态， 采用 12 寸 液晶显示屏， 外扩的本安电路板用于计算机 CAN 通 信接口与通信电源箱内电路板的 CAN 通信接口进 行隔离，采用 USB 接口的一体式键盘和鼠标简称 “键鼠”。本安远控箱内远控板以 STM32 单片机为 核心，面板上设置有指示灯、开关、手柄和旋钮， 单片机将面板上的这些元器件采集后变成动作指 令， 再将这些动作指令通过 CAN 接口发送出去。 通 信电源箱包括本安电源和通信电路板，本安电源为 12 V 输出，通信电路板用于本安远控箱的 CAN 信 号和隔爆型音视频箱 2 的 CAN 信号之间进行隔离。 音视频箱 2 位于远控端，内部以光端机 2 为核心设 备，光端机 2 用于将钻机近端的光纤信号转换成视 频图像信号和 CAN 信号， 与光端机 2 相连接的显示 器用于实时显示 4 路视频图像，音频系统包含的音 频喇叭用于实时还原钻场声音。 钻机近端的近控箱完成近端近控箱和音视频 箱 1 的配电、传感器数据和图像的采集以及执行机 构控制。近控箱内的电磁起动器用于启动电机并将 电源进行变换，近控箱以车用 PLC 控制器和扩展模 块为控制核心，近控电路板实现本安传感器与控制 器的隔离和采集，隔爆传感器可以直接与控制器相 连，控制器具有比例输出接口和数字量输出接口可 以分别驱动比例电磁阀和开关电磁阀。 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 22 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 2 控制系统组成框图 Fig.2 Block diagram of the control system composition 2.2 控制器的选型 在本控制系统中，钻机近端采用德国 Intercon- trol 公司的 DCF-I 型车用 PLC 和 ICN-D32 型 IO 扩 展模块为控制系统的核心，该 PLC 和扩展模块都在 CoDeSys 平台编制程序。 2.3 钻机近端控制系统硬件设计 钻机近端控制系统原理图如图 3 所示。钻机近 端的近控箱内包含近控板、DCF-I 可编程控制器 PLC、扩展 IO 模块 ICN-D32；音视频箱 1 包含近 端光端机和电源。 摄像机选用隔爆型， 输出的图像直 接接入光端机的视频输入接口，4 路摄像机用于拍摄 钻场、动力头、机身等位置。拾音器用于采集钻场声 音，接入光端机的音频输入接口，4 路视频和 1 路音 频经过光纤再发送到远程控制端。光纤除了要传输 4 路视频和 1 路音频外， 还要传输 CAN 和 RS485 通信 数据信号。系统的远程控制距离由光纤的长度确定。 图 3 钻机近端控制系统原理图 Fig.3 Principle diagram of the local control system 近控板、PLC 控制器和 IO 扩展模块实现近端 数据的采集和电磁阀的控制。近控板的作用一方面 实现模拟量信号的采集，另一方面实现 CAN、485 还有数字量的隔离，它与 PLC 采用 RS232 通信。近 控板将外部测量给进压力、起拔压力、主泵压力、 副泵压力、回油压力、邮箱液位和油液温度的本安 压力传感器通过模拟量输入接口输入到单片机 STM32F103Z3 进行处理，并转变为 RS232 信号输 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 翁寅生等 煤矿井下钻机远程控制系统设计 23 出给 DCF-I 控制器，数字量信号如回转器的转速、 编码器通过高速光耦隔离， 接近开关 14 通过普通 光耦进行隔离，隔离后的信号再送入 DCF-I 控制器 处理。 由于 DCF-I 的数字量输出接口数量不够， 因此， 在扩展的 32 位 IO 模块 ICN-D32 上选择 4 通道数字 量输出接口供卸扣器卸扣/回位开关阀及冷却水开关 电磁阀使用。 ICN-D32 与 DCF-I 之间采用 CANOPEN 通信，只需对 DCF-I 按 CANOPEN 编程即可实现对 ICN-D32 的控制。DCF-I 控制器包括 CPU 和 IO 两 部分，系统的副泵调节阀、快速给进和起拔阀、快 速正转和反转阀都是比例电磁阀，DCF-I 的 CPU 端 可以输出 PWM 直接驱动。顶升机构升/降、抓手伸 出/缩回、夹持器夹紧/松开、卸扣器夹紧/松开、手 动/自动、慢速给进/起拔等功能都是由 PLC 控制器 DCF-I 的 CPU 端和 IO 端数字量输出DO通道驱动 开关阀实现。测量动力头位移的传感器输出模拟量 信号，该信号经过隔离后输入到 DCF-I 的 AI 通道 进行采集。本安传感器和通信信号应先经过隔爆箱 体内近控板的隔离后才可以与 DCF-I 相连，而隔爆 型的传感器和电磁阀均可直接与 DCF-I 及 ICN-D32 相连。 2.4 远控端控制系统硬件设计 远程控制端的硬件部分由防爆计算机、本安远 控箱、通信电源箱和音视频箱 2 四部分构成。 防爆计算机的主要作用是作为远控端的显示器 终端，采用隔爆兼本安防爆方式，以嵌入式计算机 PC104 为核心，扩展了 CAN 总线与外部通信，显示 屏采用 LVDS 接口，本安电路板实现本安电源的变 换和计算机的 CAN 接口与外部的隔离。 本安远控箱采用微控制器 STM32F103， 该芯片 以 Cortex-M3 为内核，适合本安控制箱使用9。远 控箱面板上有开关量和模拟量的电控手柄、钮子开 关、LED 指示灯、旋钮电位器等。钻机的操作都通 过面板上的这些手柄、开关和旋钮进行控制。模拟 量的手柄和旋钮电位器经过信号调理后进入单片机 AD 进行采样计算，计算时考虑一定的死区。开关 量手柄和钮子开关按照自锁开关和复位开关分类， 自锁开关采用单个 IO 口读入， 复位开关采用矩阵排 列以节省单片机的 IO 口。额定电压为 12 V 的 LED 用 3.3 V 电压供电无法直接驱动，需要专门设计驱 动电路，远控箱面板上的 16 个 LED 可以用 2 片 74HC595 级联驱动。74HC595 可以节省单片机的数 字量输出接口，增加的普通光耦一方面可以提高电 路的抗干扰性，另一方面还可以保护单片机。远控 箱经过光纤和 CAN 通信后将钻机近端发来的钻机 运动部件的状态进行解析还原并实时通过 LED 显 示出来，司钻人员据此可以实时了解钻机近端钻机 的工作状态。 通信电源箱内含本安电源模块和通信电路板。 本安电源模块将外部AC127V电源变为直流12 V电 源输出，该 12 V 用于给远控箱和通信电路板供电。 因为本安设备不能与隔爆设备直接相连，因此通信 电路板实现 CAN 和 RS485 的隔离，将遥控器的本 安 CAN、防爆计算的本安 CAN 和音视频箱 2 内的 隔爆 CAN 信号进行隔离。音视频箱 2 与音视频箱 1 类似，所不同的是该箱连接有隔爆显示器和喇叭， 音视频箱 2 接收到音视频 1 的音视频后进行图像显 示和声音播放。 3 远控系统软件设计 控制系统软件由 4 部分组成，即近控箱的 PLC 控制器和近控电路板的底层程序、远控箱控制板的 单片机程序、上位机显示的计算机程序。而近控箱 的PLC控制器的底层程序实现传感器的采集和执行 机构的驱动，因此该部分程序是整个控制系统的设 计重点。 3.1 近控箱 PLC 控制器底层软件设计 PLC 控制器的软件在 PROSYD 1131 开发环境 中编写和编译后，再通过串口线在线写入 PLC 中。 所设计的底层软件主程序流程图如图 4 所示。 图 4 PLC 控制器底层软件主程序流程图 Fig.4 Flow chart of the main program of underlying software 近控箱采用 PLC 配套的 PROSYD 1131 进行开 发，PROSYD 1131 是在 CoDeSys V2.3 的基础上添 加厂家自己的库函数并进行适当改动以更好地适用 厂家控制器的开发软件，因此它具有 CoDeSys V2.3 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 24 煤田地质与勘探 第 47 卷 的特点，不仅结构先进，功能强大，而且用户易于 掌握，可以快速实现逻辑控制、运动控制和人机界 面的控制10-11。 手动模式、自动下钻模式和自动提钻模式是系 统的 3 个主要模式，手动模式是遥控器发送指令并 让对应指令的阀执行动作，没有联动功能，只有自 动下钻模式和自动提钻模式有一定联动，这里以自 动提钻模式进行说明。如图 6 所示为抓手自动提钻 子程序流程图，编程思想就是根据选择列数，推抓 手伸出手柄，使抓手伸出到孔口位置，孔口指示灯 亮，顶杆油缸回落等待手柄回拉松开，走到该列， 顶杆油缸顶升，循环等待下一列。 图 5 抓手自动提钻子程序流程图 Fig.5 Flow chart of the subprogram for auto lift of tongs 3.2 近控箱控制板单片机软件设计 近控箱中近控板的功能一是隔离信号，二是 采集和变换信号，选用 STM32F103 单片机在 KEIL MDK 开发环境中调试，并将程序写入单片机内部 FLASH12-13。由于油箱液位传感器选择的是铂电阻 输出信号，而且 PLC 无法采集铂电阻输入的传感器 信号，因此近控板单片机主要是采集模拟量信号的 传感器。 近控板上电后系统初始化， 配置端口后进入 主循环， 读取模拟量传感器数据， 并进行计算和封装 发送到 CAN 总线上供计算机和 PLC 控制器读取。 3.3 远控箱控制板单片机软件设计 远控箱中远控板的单片机主要实现面板指令的 采集和 CAN 通信，并将指令发送到 CAN 总线上。 系统中 CAN 总线由钻机近端的 PLC 控制器、远 控箱的远控板、计算机这 3 个节点构成，通信协议采 用 CAN2.0B 协议。远控箱的通信协议如表 1 所示。 表 1 远控箱 CAN 通信协议 Table 1 CAN communication protocol of the remote control box 帧IDD0D1 D2D3 D4 D5 D6D7 201A1A2A3A4 A5 A6 0 0 202B1B2B30 0 0 0 0 203AD0 AD1 AD2 0 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 翁寅生等 煤矿井下钻机远程控制系统设计 25 以 201 帧的 A1 为例说明，A1 为操作夹持器夹 紧松开手柄发送的指令，向前推表示夹紧则发送数 据 1，回到中位则发送数据 0，向后拉表示松开则发 送数据1。同理，A2 为卸扣器夹紧松开手柄，A3 为卸扣器卸扣回位手柄，A4 为送杆抓手机构伸长 缩回手柄，A5 为顶杆机构顶升降落手柄，A6 为慢 速给进/起拔手柄。202 帧的 B1 为冷却水开/关，B2 为钻杆列选择开关16 对应第 16 列，B3 为模 式选择开关03 分别对应手动、零位、自动提钻、 自动下钻。 203 帧为比例手柄的采样值， AD0、 AD1 和 AD3 分别对应快速给进/起拔比例手柄、正转/反 转比例手柄、比例调压电位器。 3.4 防爆计算机上位机软件设计 防爆计算机在本系统中主要实现显示作用，以 Windows 为操作系统，选择 LabVIEW 开发工具能达到 快速高效的开发和设计要求14-15。防爆计算机通过扩展 的 CAN 接口调用内部硬件的库函数，可以实现计算机 与外部 CAN 网络的通信。设计的主界面如图 6 所示。 图 6 上位机软件主界面 Fig.6 Main interface of the upper PC software 4 远控系统性能试验 依托中煤科工集团西安研究院有限公司研制的 ZDY850LK型钻机在地面进行该系统的性能试验图7。 图 7 钻机进行地面试验 Fig.7 Ground test of the drilling rig 试验中钻机远控台图 8与钻机近端直线距离 为 103 m， 实际使用的光缆长度为 1 km， 大于 800 m 远程控制指标。采用空气钻进，采用遥控器对钻机 近端进行控制，现场操作人员为 2 人/班，其中一人 在远控台附近根据防爆计算机安装的上位机软件显 示参数和显示屏显示的 4 路视频图像负责操作钻 机，显示屏显示的 4 路现场视频图像如图 9 所示， 另一人辅助开关空压机和观察钻机运行情况。试验 共施工钻孔 6 个，总进尺 269.5 m，平均钻进效率为 31.5 m/h，钻机性能方面达到了预期各项指标。 图 8 工作中的远控台 Fig.8 Remote console in operation 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 26 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 9 显示屏显示的现场图像 Fig.9 In-site pictures shown on the display screen 5 结 论 a. 煤矿井下钻机远程控制系统以车用 PLC 控 制器为控制核心，以防爆计算机显示屏为人机交互 界面，采用光纤和 CAN 总线的通讯方式进行设计， 实现了远距离操控和远程监测钻机的功能。 b. 实际性能试验表明，该控制系统可实现钻机 的远距离控制，钻机操作人员在远离孔口或危险工 作面 1 km 以外进行钻孔作业， 可有效提高司钻人员 的安全性、舒适性。 c. 该控制系统可实时直观地显示钻进参数，具 有实时性强、准确性和可靠性高、人机交互友好等 优点，对操作人员的经验要求低并能有效提高钻进 效率。 参考文献 1 石智军，胡少韵，姚宁平，等. 煤矿井下瓦斯抽采放钻孔施 工新技术M. 北京煤炭工业出版社，2009. 2 王贺剑. 矿井远程控制钻机电液控制系统研究D. 北京煤 炭科学研究总院，2013. 3 张景钢， 杨诗涵， 索诚宇. 高温高湿环境对矿工生理心理影响 试验研究J. 中国安全科学学报，2015，2512328. ZHANG Jinggang，YANG Shihan，SUO Chengyu. Research on effcets of high temperature and high humidity environment on miners physiology and psychologyJ. China Safety Science Journal，2015，2512328. 4 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. 5 林青. 光纤通信技术现状及发展趋势研究J. 通讯世界， 2015121314. LIN Qing. Technology status and development trend of optical fiber communicationJ. Telecom World，2015121314. 6 凡东，翁寅生，张建明，等. 一种煤矿井下坑道钻机多终端参 数监测系统CN102720478AP. 2012-10-10. 7 翁寅生. 煤矿井下坑道钻机 CAN 总线通信系统J. 煤矿机 械，2013，342224226. WENG Yinsheng. CAN bus communication system of tunnel drilling rig in coal mineJ. Coal Mine Machinery，2013，342 224226. 8 罗峰，孙泽昌. 汽车 CAN 总线系统原理、设计及应用M. 北 京电子工业出版社，2011. 9 翁寅生. 基于 STM32 的远程控制节点设计J. 机床与液压， 2017，45235660. WENG Yinsheng. Design of remote control node base on STM32J. Machine Tool Hydraulics，2017，45235660. 10 童建林， 彭燕华. CoDeSys 在开放式 PLC 系统中的应用J. 电 工技术，201373839. TONG Jianlin，PENG Yanhua. Application of CoDeSys in open PLC systemJ. Electric Engineering，201373839. 11 赵良，殷新胜，翁寅生. 基于 CoDeSys 的坑道钻机参数监控 系统设计J. 煤炭工程，2016，4825658. ZHAO Liang，YIN Xinsheng，WENG Yinsheng. Design on parameter monitoring system of tunnel drilling rig based on CoDeSysJ. Coal Engineering，2016，4825658. 12 王贺剑， 翁寅生. 一种煤矿坑道钻机控制系统软件设计J. 煤 矿安全，2018，492111114. WANG Hejian，WENG Yinsheng. Software design on control system for a kind of underground drill rig in coal mineJ. Safety in Coal Mines，2018，492111114 13 罗明华，沈明，薛彦波井下瓦斯抽采钻机远程控制系统的 设计J. 工况自动化，2011，3781416. LUO Minghua，SHEN Ming，XUE Yanbo. design of remote control system of drill of gas extraction in coal mine under- groundJ. Industry and Mine Automation. 2011，3781416. 14 阮奇桢 我和 LabViewM 北京 北京航空航天大学出版社， 2012 15 殷鹏龙，黄红武，张军，等. 基于 LabVIEW 和 CAN 的挖掘 机 GPS 功能的监控系统设计J. 中国工程机械学报，2011， 93309314. YIN Penglong ， HUANG Hongwu ， ZHANG Jun ， et al. GPS-monitoring system design for excavators based on Lab- VIEW and CANJ. Chinese Journal of Construction Machinery， 2011，93309314. 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