液壓鉆機遠程監測系統設計開發*

馬照慶

(西山煤電集團有限責任公司新產業有限公司，山西 太原 030053)

0 引 言

隨著礦井機械水平的不斷發展，煤礦開采向高深度逐漸發展，因此，瓦斯積聚是影響安全生產的主要因素之一。通過液壓鉆機進行瓦斯的抽放是防止煤與瓦斯突出的主要措施。但是因為液壓鉆機體積較大、操作復雜，使得設備故障現象嚴重，較長的維修時間影響了安全生產的進行[1]。目前礦井鉆機多采用液壓控制方式實現自動化操作，但是當煤層地質儲存條件復雜時，因為人為操作不當致使鉆機鉆孔工作較難，且鉆孔效果極差，導致設備工作效率差，影響了瓦斯抽放工作的順利進行。為此，對液壓鉆機進行監控以及控制系統的研究就顯得尤為重要[2-5]。

筆者對ZDY850LK液壓鉆機監控系統進行了方案以及平臺設計，主要是解決現有全液壓鉆機的遠程監測過程中精度差，無法反映設備運行狀態的問題，以實現鉆機的虛擬遠程監測,減少人為操作失誤帶來的設備損壞，為安全生產提供重要保障。

1 煤礦全液壓鉆機遠程監控系統方案設計

礦井液壓鉆機監測系統的設計目的是實現對液壓鉆機運行過程中狀態的監測，達到遠程控制操作的目的，因此，液壓鉆機遠程監測系統應達到以下技術要求：

(1) 液壓鉆機的遠程監控系統需實現對鉆機鉆頭鉆進工作的實時監控，通過監控信息實現遠程操控臺的控制功能。

(2) 對于鉆機運行過程中工況參數需進行及時采集以及顯示，通過指令可以實現對鉆機動作的控制。

(3) 監測系統需具備良好的交互性，實現數據顯示的同時滿足可對鉆機發送控制指令，且系統簡單，便于工作人員操作。

鉆機遠程監控系統主要由監控硬件、控制臺和監測平臺構成，硬件系統主要的作用是通過傳感器進行數據的采集，通過通過下位機系統將數據傳送至控制臺；控制臺則根據傳感器測得的數據進行相關動作的調控；監測系統負責鉆機運行過程中各參數的實時顯示，實現與平臺之間的數據傳遞，并進行相關指令的下發。圖1為全液壓鉆機遠程監控系統方案原理圖。

圖1 全液壓鉆機遠程監控系統方案原理圖

從圖中可以看出，煤礦全液壓鉆機的工況數據通過傳感器測量傳送至下位機，通過下位機與上位機通訊將數據傳送至上位機，Quest3D編程軟件接受到數據后傳達至監測平臺，鉆機遠程操控臺通過控制指令控制PLC處理器，通過上位機至下位機，通過控制指令控制全液壓鉆機的運行動作。

2 全液壓鉆機監測平臺設計

全液壓鉆機監測平臺不僅需要監測設備運行狀態，還需具備預警報警的作用，所以監測平臺應該包括數據參數顯示和報警預警功能。

數據參數的顯示功能主要通過軟件顯示界面實現，對于液壓鉆機全方位的監測主要通過相機模塊實現可視化。相機模塊中不同相機類型功能不同，靜態相機主要是實現對液壓鉆機靜態位置的監測，利用靜態相機模塊下的Motion 模塊，對相機的三維坐標進行調整，可以利用通道轉化實現不同視角下鉆機的實時監測。朝向相機則是實現對液壓鉆機動態的監測，可以實時顯示設備運行過程中的動態參數，利用朝向相機模塊中的Basic camera模板將不同通道的子模塊進行連接，實現對鉆機運行過程中參數的監測。

運行參數的顯示主要依賴于GUI模塊實現，基于GUI模塊，用戶可根據自己的需求對不同類型的文本框進行觀察編輯，因為監測平臺主要是實現對設備運行工況的監測，所以文本框的類型主要有靜態文本框和可編輯文本框兩種。液壓鉆機運行壓力、液壓油流量以及壓力、鉆頭運行速度以及角度等信息都在靜態文本框顯示，用戶可在靜態文本框進行參數的編輯，編輯后的文本框以文檔的形式進行存儲，通過轉化模塊在文本框中進行顯示。

在整個檢測系統中，監測平臺的數據都是通過數據傳感器獲得，安裝在設備上的數據傳感器進行設備運行參數的監測，最后通過總線網絡上傳。圖2為液壓鉆機監測系統網絡結構圖，從圖中可以看出，監測系統網絡結構分為控制層、節點層和數據層三個，整個系統結構屬于混合結構。對于設備運行過程中溫度、轉速、流量以及壓力等參數的采集傳送都通過CAN總線上傳，為了實現對液壓鉆機全方位的覆蓋，每個測點都布置有線路控制器，系統中15個網絡節點通過11個線路控制器采集與傳送，11個線路控制器中2個控制器負責信號的采集，9個控制器進行數據的傳送，采集的數據經CAN收發器和CAN總線上傳至控制層，通過控制層的FX2N-CAN模塊和USB-CAN模塊將數據傳送至監控平臺，實現了數據的存儲傳送。

圖2 液壓鉆機監測系統網絡結構圖

整個通信網絡系統有三層，三層之間的聯系通過關鍵位置的連接、轉換實現連接，關鍵位置的接口如下：①數據層壓力變送器通訊接口；②數據層溫度傳感器、轉速傳感器、液壓傳感器、甲烷變送器以及流量傳感器CAN收發器總線接口；③控制層FX2N-CAN模塊通訊接口；④控制層USB-CAN模塊與監控平臺的通訊接口，USB-CAN模塊是數據轉化的重要模塊，通過上位機的硬件接口將傳感器監測到的數據傳送至監控平臺的軟件中，便于監控平臺進行數據的處理，此外USB-CAN模塊對整個網絡控制系統起控制的作用，負責整個系統數據的收發、調度以及協調。

3 液壓鉆機遠程監控系統應用

為評價ZDY850LK鉆機遠程監控應用系統的優良，提出虛擬鉆進決策，原理如下：首先根據鉆場的真實的地質數據建立三維地質模型，然后在虛擬環境中設置好鉆機的鉆進參數，虛擬鉆機和真實鉆機按照設定參數進行鉆進。鉆進時布置在鉆機上的傳感器實時的采集鉆機鉆進參數，經過通訊模塊進入虛擬環境中驅動虛擬鉆機動作，顯示出鉆機的工作狀態和工作參數。通過工作狀態和工作參數判斷鉆機鉆進過程是否正常。正常時判斷屬于哪種地層條件，提醒操作人員是否根據地層條件按照上述調整原則改變相應鉆進參數。如果不正常判斷屬于哪種孔內事故，根據不同事故處理方法處理孔內事故。

在上述液壓鉆機系統遠程監控系統方案設計和監測平臺設計的設計基礎上，在礦井進行實際應用。根據實際生產經驗總結得到表1所列的液壓鉆機故障分析表。

表1 液壓鉆機故障分析統計表

在實際系統運行過程中，系統檢測到液壓系統壓力過低故障，經過排查發現是液壓油供給不足造成，通過及時處理，解決了問題。整個監測系統運行穩定，起到了對液壓鉆機實時監測的目的。

以往的監控系統沒有良好的人機界面交互性，且監測系統監測精度差，只能監測出設備大型零件引起的故障，如回轉器故障，造成維修人員多、時間長、作業分散等特點，新的監測系統可以準確判斷故障，通過人機界面實現了故障的準確定位，減少了維護人員的數量，提高了故障診斷率，對全液壓鉆機自動化發展有重要意義。

4 結 語

通過煤礦ZDY850LK全液壓鉆機虛擬操控平臺的設計和遠程監控系統的設計，實現了鉆機的虛擬遠程監測，為實現煤礦全液壓鉆機的“自動化”和“少人化”奠定了基礎。

(1) 基于數據傳感器和Quest3D編程軟件實現煤礦全液壓鉆機遠程監控系統方案設計，在PLC處理器控制指令作用下，實現對設備運行動作的控制。

(2) 液壓鉆機監測系統網絡結構主要有控制層、節點層和數據層，通過線路控制器實現各層之間數據的傳遞。

(3) 現場應用證明液壓鉆機監控系統運行穩定，起到實時監測預警的功能。