地下潛孔鉆機智能控制系統的研究與實現

唐文玲　盛宇

摘要：指出了目前國內傳統采礦方法對于低品位及深部礦體的開采存在生產效率低、成本高等問題，智能采礦則是提高礦山生產效率和經濟效益的有效途徑。依托國家 863 課題“地下高氣壓智能潛孔鉆機”，對地下智能潛孔鉆機的智能控制系統進行了研究與設計。該系統利用WIFI無線網絡，通過潛孔鉆機車載的通信工控終端，實現了對潛孔鉆機的工況狀態實時采集、分析、存儲與控制輸入輸出，解決了地表與井下車載智能通訊設備的遠程通訊及控制的技術難題，并利用VC++編程語言實現了該系統的開發。現場調試結果表明：該系統實現了遠程控制潛孔鉆機自動鑿巖的目的，通過智能潛孔鉆機取代人工勞動極大地提高了礦山的生產效率。

關鍵詞：智能采礦；深部采礦；潛孔鉆機；智能控制

中圖分類號：TD421

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18017405

1引言

隨著部分淺表礦產資源的逐漸枯竭，許多礦山由淺表開采轉到深部開采，其中最深的南非卡里頓維爾金礦，豎井4164 m，開采深度已達3800 m。我國也有一批礦山已進入深部開采，其中夾皮溝金礦開采深度已達1600 m＼[1＼]。目前國內常規開采方法對于低品位及深部礦體開采成本高，生產效率低，使得礦山的經濟效益低。而當越來越多國際市場高產、高效、高質量、低成本礦產品進入國內市場時，國內礦山將面臨嚴峻的挑戰。同時，深部開采時高應力、高井溫、高井深等“三高”問題使得開采工作異常困難，實現智能采礦、無人采礦是解決深部開采問題的一個重要途徑。古德生院士在“智能采礦觸摸礦業的未來”中指出：智能采礦是未來我國金屬礦業面臨的三大發展主題之一，也是當今世界礦業極其關注，并大力推進的一個具有時代意義的發展主題＼[1，2＼]。正因為如此“十二五”啟動了“地下金屬礦智能開采技術”863項目，目的在于我國地下金屬礦智能開采技術體系的初始建立，從而使我國采礦技術向智能化方向不斷前進發展，最終增強我國采礦行業在整個行業中的競爭力。本文正是依托國家 863 課題“地下高氣壓智能潛孔鉆機”，對地下智能潛孔鉆機的智能控制系統進行研究和設計。

2智能潛孔鉆機的發展及工作原理

2.1潛孔鉆機的發展

國外對潛孔鉆機的研究已經有幾十年甚至近百年的歷史，其中瑞典的Atlas Copco、芬蘭的Tamrock、美國的Ingasoll Rand、日本的Furukawa 等公司走在潛孔鑿巖技術研究的前列。而國內相對來說在潛孔鉆機的研究方面起步較晚，20世紀80年代以來，我國不斷吸收和引進國外潛孔鉆機先進技術，湖南有色重機工程機械有限公司研制的地下潛孔鉆機CS100D和CS100ET已經實現了部分的智能工作＼[3～6＼]。以此為基礎，中南大學、長沙礦山研究院、北京科技大學和湖南有色重機工程機械有限公司經過不懈努力，共同研制出了高性能全自動智能潛孔鉆機。

2.2智能潛孔鉆機整體介紹

該智能潛孔鉆機是新一代大直徑中深孔液壓潛孔鉆機，其采用鉸接式底盤結構、液壓輪式行走系統及PID控制方式，提高了炮孔定位的精度及行走轉向的靈活性＼[7＼]。智能潛孔鉆機配備有鉆孔導向和接卸桿機構、多自由度鉆架、濕式除塵裝置、鉆桿庫，高精度傳感器及車載工況機，具有鑿巖參數自動控制和全自動工作的功能。鉆機鉆孔直徑150～200 mm，深度50 m，在巖石系數f15的巖層中鑿巖時，臺班（按8 h計）穿孔效率可達100～150 m，其三維模型如圖1。

2.3電氣控制系統組成

該智能潛孔鉆機電氣控制系統與CS-165E露天潛孔鉆機控制系統相似＼[8，9＼]，由供電電路、開關量輸入電路、模擬量輸入電路、可編程控制器、執行電路、顯示電路及報警電路等組成。控制系統的核心部件由8個芬蘭EPEC公司的PLC控制器（1個主PLC控制器和7個子PLC控制器）組成，PLC之間通過CANOpen應用層協議組成可擴展的CAN-bus現場總線網絡連接。

3潛孔鉆機智能控制系統

3.1WIFI遠程通訊控制技術

本系統利用井下WIFI通訊系統，通過潛孔鉆機車載通信工控終端，實現對潛孔鉆機工況狀態實時采集、分析、存儲與控制輸入輸出。系統通過接入潛孔鉆機車載各類傳感器數據，對數據進行去冗余、信息再加工以得到智能開采業務平臺真正需要的數據，然后根據預設控制邏輯進行控制輸出，從而達到對潛孔鉆機的智能控制目的，其原理圖如圖2。

其中Hub是集線器，其作用是將遠程控制臺（PC）、車載工況機（PC）分別與CANET模塊連接；CANET模塊是以太網CAN-bus數據轉換器，通過以太網和CAN網絡之間數據的轉換，現實遠程控制臺（PC）、車載工況機（PC）與可編程邏輯控制器（PLC）之間的通訊；CANET模塊與PCL通過CAN-bus總線連接；通過井下WIFI通訊系統，實現地表與井下車體的遠程通訊與控制。

唐文玲，等：地下潛孔鉆機智能控制系統的研究與實現

機電與工程

3.2智能動作的實現

智能動作的實現離不開對井下環境信息的仿真模擬、傳感器的信息釆集處理、車體的導航及運動控制。其中，環境仿真模擬主要是對井下環境信息進行精確描述以建立仿真模型。利用傳感器模塊感知潛孔鉆機工作所需的各種傳感數據來完成信息采集處理工作。大量的全局環境信息通過導航決策來接收和處理，從而實現反應式導航。基于傳感器釆集的信息主要通過運動控制來進行處理，得到潛孔鉆機實時的運動狀態，從而實現潛孔鉆機的智能行為。智能動作主要包括自動行走、自動定位、自動調平、自動接桿、自動開孔、自動鑿巖、自動卸桿和自動收機。

3.2.1自動行走

將工況開關設置為行走工況。首先設定目標點的具體位置，然后可以通過PLC控制行走電磁閥開關和行走液壓馬達運轉以實現潛孔鉆機的前行、后退、斜移和原地轉向等動作，當達到目標點位置停止行走，如果沒有達到目標點位置繼續行走，直到達到目標點位置為止。endprint

3.2.2自動定位

將工況開關設置為定位工況。首先，通過PLC控制俯仰油缸、偏擺油缸、起落油缸和補償油缸的伸縮量，從而使行程的相關要求得到滿足。之后，控制回轉馬達閥開關，使導軌回轉角度滿足要求。最后，控制左、右頂撐油缸閥開關，使其滿足壓力要求＼[7＼]。

3.2.3自動調平

將工況開關設置為調平工況。讀取車架傳感器角度α，如果α>0°±1°（其中1°為允許的誤差），通過PLC控制左支腿油缸伸出量，直到α在誤差允許范圍之內為止。反之，如果α<0°±1°，通過PLC控制右支腿油缸伸出量，直到α在誤差允許范圍之內為止＼[7＼]。

3.2.4自動接桿

將工況開關設置為接桿工況。首先選擇鉆桿庫，然后通過PLC控制上卡油缸、下卡油缸、搓動油缸、夾持油缸、大臂油缸、小臂油缸、推進油缸和回轉馬達，實現卡桿、搓動、抓桿、送桿、接桿。

3.2.5自動開孔

將工況開關設置為開孔工況。通過PLC控制空壓機、水泵電機和冷卻風扇的啟動。當風壓滿足要求后，開啟沖擊器潤滑，開水、調整回轉馬達及推進器流量閥，使其分別滿足回轉速度和推進速度要求。對比預定開孔深度，判斷鉆孔深度是否滿足要求，如果滿足要求則停止開孔，如果不滿足要求，則繼續開孔。

3.2.6自動鑿巖

將工況開關設置為鑿巖工況。自動鑿巖與自動開孔控制流程類似，其區別是在調整回轉馬達與推進器流量閥時，回轉速度和推進速度要求不一樣。在不同的巖石條件下，鑿巖參數會有所不同，如要得出參數之間的關系，可以通過建立這些參數的數據模型來得到，從而得到最優回轉速度和推進速度，提高鑿巖效率，降低卡鉆發生概率＼[10，11＼]。

3.2.7自動卸桿

將工況開關設置為卸桿工況。自動卸桿是自動接桿的逆過程，其控制原理和自動接桿一樣，通過PLC控制上卡油缸、下卡油缸、搓動油缸、夾持油缸、大臂油缸、小臂油缸、推進油缸和回轉馬達，實現卡桿、搓動、抓桿、送桿、卸桿。

3.2.8自動收機

將工況開關設置為收機工況。通過PLC控制左、右頂撐油缸，使其完全縮回，然后控制回轉馬達閥開關，使導軌回轉角度恢復到初始位置，最后控制俯仰油缸、偏擺油缸、起落油缸和補償油缸伸縮，使其恢復到初始位置。

3.3智能控制系統實現

3.3.1傳感器數據的分析與處理

通過專用的數據采集通道對環境信息、設備裝備監測信息進行采集，從而獲的具有針對性的數據，實現精確的控制與輸出。具體步驟包括：確定多數據信息的數據類型，并進行整理和分類；

利用基于主元分析的數據降維技術、信息融合技術對數據進行去冗余處理；

制定有效合理的控制邏輯，并根據預設邏輯進行實時控制輸出。

3.3.2信息的存儲和管理

利用信息采集與控制通用數據管理專用模塊，實現通訊數據的存儲和管理。利用三維可視化數據交互控制技術，實現對于井下環境信息采集數據、設備狀態信息數據、計量信息數據的存儲管理、通過專有的模塊和控制交互技術實現三維可視化實時展示，直觀、形象地表達井下對象的信息；同時，通過交互式控制技術，實現井下信息采集與控制裝置的遠程控制輸出。

3.3.3智能控制系統結構

智能控制系統結構（見圖3）總體分為外部服務模塊、通訊模塊和主控邏輯模塊。

3.3.4智能控制系統主程序設計

智能控制系統主程序流程如圖4所示，其主要步驟如下：

程序執行開機初始化，初始化完成后進入下一步；

接收數據，進行電源相序、電源電壓、液壓油位及液壓油溫等初始工作狀態判斷。如果初始工作狀態正常則程序執行下一步，否則，報警停機；

接收PLC報文，提取本地或者遠程選擇。如果選擇本地，則程序接收本地工控機命令，如果選擇遠程，則程序接收遠程控制臺命令；

執行全自動程序：①執行自動行走子程序；②執行自動定位子程序；③當已接桿數等于0且推進位移小

于開孔深度時，執行自動開孔子程序；④執行自動鑿巖子程序；⑤當回轉頭處于下極限時，執行自動接桿子程序；⑥重復自動鑿巖和接桿，當達到目標鉆孔深度時，執行自動卸桿子程序；⑦執行自動收機子程序。

關閉所有電磁閥、清空所有標志位、關閉電源；

程序結束。

3.3.5智能控制系統軟件的開發

利用VC++計算機編程語言和Visual Studio 2010編程和編譯工具，開發了智能控制系統軟件＼[D10＼]。其潛孔鉆機操控平臺界面如圖5所示。

潛孔鉆機操控平臺包括智能操作、運行監測、運行模式、執行過程監測、智能參數設置、性能優化、執行確認等幾個模塊。其中智能操作用于實現相應智能動作；運行監測用于顯示環境溫度和濕度、油路壓力、電流、電壓等參數；運行模式用于顯示潛孔鉆機運行狀態；執行過程監測用于監測和顯示相應傳感器參數，智能參數設置用于設置相應智能動作參數；性能優化包括最優鑿巖參數自動匹配和故障診斷，用于優化鑿巖參數，提高鑿巖效率；執行確認用于執行和取消相應的智能動作，當機器出現故障時，急停可以防止人員和機械設備受到傷害

3.3.6智能控制系統的現場調試

將智能控制系統安裝于車載工控機和遠程地表操作平臺，通過WIFI遠程通訊控制技術，可以實現對潛孔鉆機遠程控制。

智能潛孔鉆機調試工作是在凡口鉛鋅礦（-240）階段維修洞室進行，在調試過程中各個功能都能正常運行，但是在調試自動鑿巖功能時遇到了卡桿問題。這是由于該維修洞室巖層地質條件比較復雜，其表面是500cm左右的混泥土層，中間是900cm左右的碎石填充層，填充層下面是巖石層。在進入碎石層時，由于碎石填充層的存在，氣流從碎石間的縫隙溜走，使得吹渣的效果不明顯，出現卡桿現象。經過反復調試建立這些參數的數據模型，得出了參數之間的相關關系，不斷優化鑿巖參數，最終解決了鑿巖時卡桿問題，提高了鑿巖效率。endprint

4結語

“地下高氣壓智能潛孔鉆機”項目在凡口鉛鋅礦進行驗收，獲得了科技部專家們的好評。驗收情況表明，該潛孔鉆機智能控制系統通過利用現代計算機及網絡通訊技術，解決了地表與井下車載智能通訊設備的遠程通訊及控制，同時協助生產管理人員進行調配和遙控的技術難題，將在深部開采中將發揮重大作用。同時，通過潛孔鉆機車載工控機裝載潛孔鉆機操作平臺，能夠實現在沒有工作人員現場操作的情況下，通過在地表遠程控制潛孔鉆機實現自動鑿巖，通過智能潛孔鉆機取代人工勞動，大批礦工將遠離深井高溫、巖爆環境，能極大地改善作業條件，不僅從根本上解決礦山生產安全問題，而且很大程度上提高了勞動生產效率、降低礦山生產成本，提高經濟效益。

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Research and Implement on Intelligent Control System for Underground DTH Rig

Tang Wenling， Shen Yu

（Tongren Polytechnic College， Tongren 554300， China）

Abstract： At present， conventional mining methods have low productivity and high cost for deep and low-grade ore mining. Intelligent mining is an effective way to improve the production efficiency and economic benefit of the mine. This paper relies on National 863 project “high pressure intelligent underground DTH rig” to research and design the intelligent control system of DTH rig. The system uses WIFI wireless network， via the DTH rig on board communication industrial control terminal to achieve DTH rig working conditions state real-time collection， analysis，

storage， remote communication and control inputs and outputs， which solves technical problems of remote communication of surface and underground intelligent vehicle communication equipment. The system was implemented using VC++ programming language. The result of site commissioning showed that the system can achieve remote and automatic control on DTH rig drilling. The replacement of artificial labor through intelligent DHT rig greatly improves the production efficiency of mine.

Key words： intelligent mining； deep mining； DTH rig； intelligent controlendprint