深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)設計及應用

林天祥

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊，黑龍江 哈爾濱 150040）

在深部地質(zhì)進行智能勘查的過程中，若出現(xiàn)勘查控制偏度系數(shù)高的問題，會嚴重影響后續(xù)深部地質(zhì)鉆探工作的精準性，進而形成安全隱患。在我國，針對自動控制系統(tǒng)的研究中，盡管研究起步較早，但對基數(shù)較大且大部分被分散存儲的勘察信息進行精準控制具有很高的難度系數(shù)，導致研究普遍存在局限性，很難在真正意義上實現(xiàn)自動精準控制[1，2]。提高智能勘查信息的精準度一直是深部地質(zhì)鉆探中的重點，因此，智能勘查自動控制系統(tǒng)應運而生。智能勘查自動控制系統(tǒng)作為對智能勘查進行自動控制的重要手段，已經(jīng)成為了有關部門的調(diào)研重點。為解決深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制精度低的問題，本文通過對深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，致力于提高深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制精度。

1 深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)硬件部分

綜合深部地質(zhì)鉆探區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場環(huán)境，在系統(tǒng)硬件方面設計了工控機、數(shù)據(jù)采集卡以及顯示器。同時，配備硬盤、鍵盤、鼠標等一些基本硬件，但這些基本硬件不作為此次研究重點，以下將對上文提出的三個核心硬件進行詳細描述。具體研究內(nèi)容，如下文所述。

1.1 工控機

將主控制芯片作為工控機設計的核心部分，對系統(tǒng)進行硬件設計。工控機的主要組成包括：主控制芯片、CPU、傳感器以及顯卡等[3]。在對主控制芯片的型號進行選擇時，應根據(jù)主控制芯片的功能需要、接口處資源、深部地質(zhì)鉆探的工業(yè)性、尺寸大小以及功率消耗等相關因素選擇。針對上述要求，本文選擇將型號為ZW245V25-27 的主控制芯片引入到工控機設計當中。ZW245V25-27 主控制芯片各項參數(shù)配置要求，如表1 所示。

表1 ZW245V25-27 主控制芯片各項參數(shù)配置要求

結合表1 所示，ZW245V25-27 主控制芯片可以使工控機的各項性能達到最佳，并且在一定程度上節(jié)省系統(tǒng)匯總硬件的運行時間，同時節(jié)約成本。ZW245V25-27 主控制芯片主要控制多個電路的通斷以及對智能配電的速度調(diào)節(jié)，因此具有更高的控制能力。工控機主要用于為深部地質(zhì)鉆探提供驅(qū)動，其主要電路是由MOSFET 金屬-氧化物半導體場效應晶體管和高速光耦共同構成，驅(qū)動形式為脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動，從而讓深部地質(zhì)鉆探獲得自由的智能勘查調(diào)速。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集板卡主要是為智能勘查自動控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，對工控機中得到的智能勘查自動控制數(shù)據(jù)進行綜合采集。根據(jù)智能勘查自動控制系統(tǒng)設計需求，采用型號為HYVJ-KIBI152 數(shù)據(jù)采集板卡進行數(shù)據(jù)采集。該數(shù)據(jù)采集辦卡性能高，且數(shù)據(jù)采集速度較快，通過一個2 路六位模擬量輸入模塊，對智能勘查自動控制數(shù)據(jù)進行采集，通過ISA總線使服務器與數(shù)據(jù)采集板卡互聯(lián)，即可控制數(shù)據(jù)采集板卡運行。

1.3 顯示器

設計顯示器作為智能勘查自動控制系統(tǒng)運行結果的展示界面，將數(shù)據(jù)采集板卡采集到的智能勘查自動控制數(shù)據(jù)以及深部地質(zhì)鉆探工程監(jiān)控參數(shù)在顯示器上顯示。本文共設計2 臺顯示器，型號均為CFR2548，尺寸為32 寸。每臺顯示器共有20 路，通過串口通訊能夠直接獲得智能勘查自動控制數(shù)據(jù)。通過Sucount K 網(wǎng)絡與下層控制主機相聯(lián)。顯示器的硬件環(huán)境配置，包括： 2Mbpspc 端各類型瀏覽器及移動端各類型瀏覽器，類型為帶寬可支持瀏覽器。

2 深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)軟件部分

根據(jù)智能勘查自動控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境，為實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制功能，將系統(tǒng)軟件部分分為三步進行設計，以下將對系統(tǒng)涉及軟件部分內(nèi)容進行詳細說明。

2.1 控制數(shù)據(jù)自動采樣處理

利用計算機自動獲取每一個端口當中的智能勘查自動控制數(shù)據(jù)信息，完成對控制數(shù)據(jù)的自動化采樣。在深部地質(zhì)鉆探過程中，必然會存在一部分無效的數(shù)據(jù)樣本，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)無效控制，采用虛擬專網(wǎng)技術與集控中心連接，對遠程智能勘查自動控制命令進行數(shù)字簽名，由配電室CHub-68 通訊管理的方式確保遠程操作安全可靠。

2.2 智能勘查控制當量計算

獲取深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制數(shù)據(jù)后，計算智能勘查控制當量。計算時，首先給工控機一個已知的數(shù)值，利用該數(shù)值，自動給出系統(tǒng)一個原始恒定的運行速度，待工控機運行一段時間后，通過改變這一定值，計算相關當量自動控制智能勘查的速度。設智能勘查控制當量為W，可得公式（1）：

公式（1）中，K 指的是工控機在實際運行過程中的比例系數(shù)；x 指的是系統(tǒng)自動采樣次數(shù)，為實數(shù)；f(x)指的是當系統(tǒng)第x 次自動采樣時與實際定量之間的偏差；j 指的是控制誤差比例系數(shù)。利用上述公式計算出智能勘查控制當量，為控制當量映射提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 智能勘查控制當量映射

得到智能勘查的控制當量后，利用計算機接口實現(xiàn)控制當量的映射，映射出兩個4 位數(shù)的8 進制數(shù)，最終獲得在每個控制點位上的自動控制數(shù)據(jù)，再利用特定的變量數(shù)據(jù)對深部地質(zhì)鉆探中智能勘查控制數(shù)據(jù)映射，形成區(qū)域性的映射。控制當量映射是將用戶在系統(tǒng)當中輸入的智能勘查控制信息轉(zhuǎn)換為具體的參數(shù)控制，用戶只需事先將規(guī)定的智能勘查控制限制輸入到系統(tǒng)當中，通過系統(tǒng)自動檢測是否進行控制參數(shù)的改變。

3 實例分析

3.1 實驗條件

本次實驗選擇某礦山作為實驗對象，該礦山正處于深部地質(zhì)鉆探工程開展中，鉆探施工區(qū)域地下深度最深可達1500m，巖層傾向156°～186°，傾角在56°～69°左右，線路沿線沒有斷層通過，巖體受應力作用相對微弱，且?guī)r體層面層間結合較差，存在薄層狀泥化現(xiàn)象。本次實驗將控制偏度系數(shù)作為實驗測試指標，控制偏度系數(shù)越低證明該控制系統(tǒng)的控制精度越高。分別使用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)以及本文設計控制系統(tǒng)進行實驗，設置傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)為對照組，本文設計控制系統(tǒng)為實驗組。在此次的實驗中，設置實驗時間為7小時，記錄實驗結果。

3.2 實驗結果與分析

根據(jù)實驗結果得出兩種控制系統(tǒng)的控制偏度系數(shù)，具體結果如圖1 所示。

圖1 控制偏度系數(shù)對比圖

通過圖1 可得出如下的結論：本文設計的控制系統(tǒng)在相同的測試時間中控制偏度系數(shù)相較于對照組更低，控制精度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)深部地質(zhì)鉆探中智能勘查精準自動控制。

4 結語

通過深部地質(zhì)鉆探中智能勘查自動控制系統(tǒng)設計，能夠取得一定程度上的研究成果。通過實驗證明設計控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，同時控制偏度系數(shù)得到有效降低。通過對控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計能夠提高智能勘查精度，為深部地質(zhì)鉆探中的智能勘查帶來巨大的經(jīng)濟效益，具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诤罄m(xù)的研究中還將加大設計控制系統(tǒng)在實際中的應用力度，從而實現(xiàn)深部地質(zhì)鉆探中智能勘查的高精度自動控制。