矿用钻机钻孔监测系统设计分析

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摘要：以ZLJ1200L型煤矿用履带式坑道钻机为研究对象，为了对钻机钻孔机构进行有效监测，设计了基于MCGS的钻机钻孔监测系统。通过仿真实验，证明了该系统在钻孔监测中满足期望要求，实现了对钻孔作业的精准监测，从而保证钻机能够安全、平稳、可靠的工作。

关键词：煤矿钻机；钻孔监测；PLC；MCGS

引言

钻机在钻进工作过程中，其钻孔轨迹时常会出现偏差情况，从而会对钻孔产生不利的影响，如钻孔倾角过大、钻孔轨迹不符合预期要求等。因此钻机的钻孔机构起着至关重要的作用。然而有关履带式坑道钻机钻孔机构的监测系统为数不多，不能通过钻杆工作状况的改变及时调节钻孔轨迹。当前，ZLJ1200L型煤矿用履带式坑道钻机没有直接读取钻孔信息的显示设备，监测水平有待提高，操作人员只能凭借操作工作台上的仪表显示读取工况信息。因此，针对该型号的钻机开发一款可视化钻孔监测系统尤为重要。

1钻孔机构的结构设计

ZLJ1200L型煤矿用履带式坑道钻机钻孔机构的改进结构简图如图1所示，工作人员操作钻机控制钻杆主轴的转矩、转速、推进力和钻进速度实现钻进作业，螺旋钻杆钻入岩石，传感器安装在钻头上，用来实时接收钻孔轨迹参数。电机和监测装置安装在底座上，通过数据传输线传递钻孔头部接收的测量信号。

2钻孔监测系统设计

（1）监测系统设计在实际钻进作业中，由于各种不可预期的因素影响，容易出现实际钻孔轨迹与规划的理想钻孔轨迹偏离很大的情况。当这种差别较小时，不会影响钻孔的正常使用，但是当钻孔轨迹偏移较大时，钻孔的利用价值就很小，甚至无任何价值。因此，对于钻孔轨迹实时监测有利于评价钻孔价值，减少打孔误差率，提高钻机工作效率。钻孔数据采集系统与人机界面显示系统是钻孔监测系统的两大主要部分。钻孔数据采集系统经过安装在设定位置的传感器收集钻孔倾角、方位角等参数信息，然后将数据信息传递到CPU，CPU读取到数据后会将信息进行分类和预处理。人机界面显示系统能与钻孔数据采集系统同步互联，实现对钻孔工作状态监测。钻孔监测系统主要的2个参数指标：①钻孔的倾角钻孔所在位置的水平面与切线之间的最小夹角。钻杆大部分是水平钻进，钻孔倾角越大时，说明在参考水平面方向上钻孔的偏离程度越大；反之，则钻孔偏离程度越小。②钻孔的方位角从正北方向开始，顺时针至钻孔轴线在水平面上的投影的夹角。钻杆在钻进过程中碰到硬度较高的矸石时，容易使钻头侧滑，使钻孔在水平方向上出现偏离。钻孔方位角越大时，钻孔在水平面上出现左右偏离程度越大；反之，则钻孔偏离程度越小。（2）传感器安装位置传感器的安装位置应在满足系统正常工作的基础上尽量布置得相对集中，从而不影响钻机外观结构的安装位置，同时布置应方便工程人员进行定期检修、测量等工作。所以合理选择传感器的布点是获取钻孔参数的一项关键环节，传感器安装位置：①1路转速测点测量钻机主轴转速；②1路接近开关测点确定推进油缸结束点；③2路角度测点获取钻头端倾角和方位角。（3）主控制器选型在设计开发监测系统的过程中，监控系统硬件设计的主要目标是减少操作人员的劳动强度，提高钻孔工作效率，减少钻机钻进工作过程中机器运行的故障率，实现工作的高效性、稳定性与安全性。下位机设计的重要部分是如何保证接收数据的传感器与系统中央处理器之间的稳定通信。钻孔监测系统硬件设备的核心是主控制器，能够确保实现整个系统的功能。本文设计依据钻孔监测系统的功能，结合工程大小、所需性能及工作特点等影响因素，选用CPU型号为ST20的S7-200SmartPLC主控器。（4）人机界面显示设备选型人机交互界面显示设备选用一款高性能、低耗能的嵌入式一体化人机接口TPC1262Hi组态屏，此款触摸屏不需要额外增加物理按键，将操作人员的按键直接在屏幕上显示，是一种智能人机界面交互显示屏。操作人员只需用手指点击屏幕显示的按钮或窗口，通过显示屏可以方便地实现各种界面操作，同时操作界面更加人性化，实际工程应用效果良好，工作稳定，可靠性高。

3钻孔监测系统仿真

为了保证设计的系统能够顺利运行且达到预期的监测功能，以监测系统的硬件设计和通信控制原理作为基础，通过检测系统的MCGS组态软件对检测系统的检测工作进行调试与仿真模拟，来验证所设计的钻孔监测系统的可行性与稳定性。（1）PLCI/O资源分配S7-200SmartPLC主控器能自动分配资源地址，CPU模块有一定量的内部集成I/O口，其地址固定不变，其地址分配从0字节开始。钻机监测所涉及的主要参数信息在下位机PLC的输入地址分配如表1所示。（2）监测系统调试仿真钻孔监测系统设计完成之后，通过仿真调试的方式来测试系统的检测效果是否符合预期，以及系统运行是否平稳可靠。由于下位机在系统中起着信号传输、处理的重要作用，因此首先搭建下位机，保证传感器所检测信号准确、快速的传输以及处理器对信号的及时处理，经处理过的信号数据再传输至上位机，由MCGS组态软件界面及时显示出来，从而实现系统的监测功能。在仿真的配置过程中，首先进入MCGS组态窗口，选择工具菜单栏的下载配置，下载成功后显示系统启动界面。钻机钻孔监测系统开始启动界面如图2所示，钻机工况监测平台主页面如图3所示。综上所述，通过对上位机软件的仿真，验证各类参数的显示是否正确，以验证程序执行、人机界面显示的准确性、合理性。通过调试仿真，结果表明各类通信状况良好，各段程序能够执行，人机界面能够稳定显示。为后续的钻机工况安全监测设备安装调试提供了理论支撑和可行性论证。

4结语

通过对ZLJ1200L型煤矿用履带式坑道钻机的结构和性能特点进行研究分析，设计了一款可视化实时钻孔监测系统，通过PLC程序编译，并基于MCGS组态软件作为人机界面，实现对钻机钻孔机构的状态实时检测。通过仿真实验证明该机构能较好地通过钻孔轨迹参数及时地判断钻进过程中的钻孔轨迹是否符合预期规划，进而评价钻孔的质量，减少人力物力资源的浪费，具有广阔的市场应用前景。

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作者：焦峰 乔红兵 翟博闻 刘粤 宋超超 单位：中国矿业大学