要振国

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤炭作为重要的基础能源，在我国能源结构中占有举足轻重的位置[1-2]。煤矿井下钻机主要用于煤矿开采阶段的瓦斯抽排放、水探放等方面，是煤矿生产过程中瓦斯防治与水害预防的重要设备，因此，井下钻机的安全可靠运行与煤矿生产安全紧密相关[3-5]。但在实际生产过程中，井下工作环境较为复杂，存在瓦斯、水害、煤尘等多种干扰，工作人员跟机操作较为危险，容易造成人员损伤，需要保持一个安全距离，同时煤矿生产对钻机控制的稳定性、可靠性要求较高，目前已有的控制系统已不能满足生产需要[6-8]。本文针对这一现状，提出设计一种主要用于矿井钻机的电液远程控制系统，用于实现钻机的远程稳定控制，保障生产安全，提高煤矿生产的自动化水平，为企业增加经济效益。

1 总体方案

井下钻机的主要结构一般包括支承结构、行动装置、回转装置、给进装置、泵站、控制台、钻杆装卸结构等。工作过程中利用液压油缸实现钻机给进与起拔，通过马达直接驱动带动钻头旋转并提供一定转矩和转速，实现破碎岩石的目的，卸扣结构以及夹紧器搭配共同完成钻杆的自动装卸工作。控制系统是其中最重要的部分，过去主要通过全液压控制，控制方式相对简单，利用液压控制阀控制一般需要跟机控制，稳定性、可靠性不足，存在故障率高、安全性差的特点。本文参考相关资料并结合生产实际，利用目前较为先进的电液控制技术，对控制过程进行程序化设计，采用微控制器、电磁阀等控制元件，实现对井下钻机的安全、稳定、可靠的运行控制，可完成远程控制操作，保证安全距离，保护工人的安全。系统的整体结构如图1所示。

图1 系统的整体结构

2 系统总体设计

煤矿井下钻机工作环境较为复杂，对安全性、可靠性要求较高，结合开发成本以及实际生产要求等多方面情况，本文选用了工业生产中应用较为广泛的微控制器作为钻机控制台以及远程控制器的核心元件。控制系统选用的硬件设备包括微控制器、显示触摸屏、通讯网络、电磁阀等。经过比较，微控制器选用意法半导体公司设计生产的STM32F103 型号，该产品具有丰富的I/O模块，且功能强大、稳定性好，广泛应用于各种工业环境；微处理器通过与电磁阀搭配可以实现对钻机的安全稳定控制。远程控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统结构图

2.1 液压控制模块

远程电液控制系统主要分为3 部分：液压控制部分、电气控制部分、状态监测部分。液压控制部分利用液压泵为进给结构、支撑结构及自动装卸结构供油，同时借助电磁阀的调整完成对执行元件的控制。其中，使用的电磁阀包括开关电磁阀以及比例电磁阀，具有稳定性好、可靠性高的特点，有效的提高了控制的准确性。

2.2 电气控制模块

微控制器是钻机远程电液控制系统核心设备，控制过程中主要通过转速传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器分别采集压力、温度、位移等模拟量状态信号，而后进入模拟量输入模块，经过调理、放大、A/D转换，传递给控制器。开关量等数字信号通过数字量输入模块进入控制器，由控制器程序运算得出控制指令，经过D/A 转化，控制电磁阀，实现控制策略的及时调整。在此过程中，可利用显示触摸屏完成数据的可视化，实现人机交互，完成控制指令的输入以及调整。开关量输入电路如图3所示。

图3 开关量输入电路图

2.3 状态监测模块

状态监测模块包括对钻机工作环境、控制过程以及钻机本身情况的监测与预警，以保障设备稳定运行。其中，环境监测包括对瓦斯浓度、温度的监测；设备本身情况监测包括对马达温度与电流监测、液压油泵压力监测；控制过程监测主要是对电机转速、电流情况、各个回路的电流电压监测，液压系统压力、温度情况的监测。状态监测通过传感器检测各设备测点位置的温度和电流等相应信号后，经过数据预处理与调理模块处理传输给微控制器、监测模块据此判断设备的运行状况，并将监测情况可视化，显示给工作人员，故障情况下还可通过声光报警器装置实现自动报警。

3 网络通信设计

系统以微控制器作为运算处理核心设备，通过现场总线技术实现与其他设备的连接与通讯。设备操作台微控制器与远程控制站微控制器的2 台微控制器STM32 通过串行通讯实现连接，简单易操作。状态监测模块对各监测点相应传感器模拟量信号进行采集输入、初步预处理与信号调理，由外电路输入到预处理模块处理，后送至运算程序，报警保护装置也通过外电路实现与微控制器的连接。显示触摸屏通过modbus通信协议实现与STM32的连接通讯。

4 软件设计

系统软件的软件设计分为钻机控制台程序和远程控制站程序2个部分。钻机控制台主要为现场控制，用于实现对各部位传感器数据的采集预处理，以及对电磁比例阀以及电磁开关阀的控制，同时与远程控制台进行通讯，将采集数据传输给远程控制台，并接受远程控制台的控制指令。两部分控制程序都包括主程序、信号输出程序以及通讯模块程序3 个部分，主程序可完成对系统上电、初始化复位、通讯以及信号输入输出模块子程序调用、数据的读取、运算、命令执行等一系列操作，通讯子程序与数据输入输出子程序完成连接通讯以及数据转换传输工作。

为了保障系统软件的可靠性，软件程序在Keil系统的集成开发环境μVision 开发平台中进行了C语言编程的实现以及仿真调试工作，该系统基于Windows操作系统，具有丰富的库函数，同时囊括了连接器、调试器等功能，具有强大的嵌入式开发能力，应用广泛。调试测试结果表明，系统程序运行效果良好，可实现预期目标。远程控制站主程序流程如图4所示。

图4 远程控制站主程序流程图

5 结束语

本文设计的煤矿井下钻机的电液远程控制系统，可实现对井下钻机的电液远距离控制，保证了工人安全操作距离，同时满足了跟机操作的要求。系统采用较为先进的电液控制技术，具有稳定性好，可靠性高的特点，能够有效保障煤矿企业生产安全的要求。系统同时具有自我监测功能，能够实现监测与预警功能，保障井下钻机的稳定高效运行，提高钻机的自动化程度。