礦用水平定向鉆機智能化電控系統設計

劉鑄，栗林波，杜建榮，張宇翔，宋建成

(1.太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室， 山西 太原 030024；2.山西金鼎高寶鉆探有限責任公司， 山西 晉城 048000)

0 引言

礦用水平定向鉆機是進行煤礦井下瓦斯抽放、井下高壓探放水、煤層厚度探測、地質結構探測、礦井水害治理等過程中重要的鉆進工具[1-4]，能夠實現長鉆孔定向鉆進和鉆孔軌跡精確控制，提高瓦斯抽采效率[5]。與鉆機配套的智能化電控系統既能夠有效保障生產安全，又可以充分發揮鉆機鉆探優勢，對井下高效生產具有重要的現實意義。閆毅等[6]設計了一種基于PLC的礦井鉆機控制系統，該系統運用PID控制算法對液壓泵驅動電動機、液壓泵及動力頭進行控制，實現了礦井鉆機的自動控制。趙良[7]設計了一種煤層氣車載鉆機電控系統，該系統基于CAN總線通信網絡和分布式控制架構，實現了參數在線監測和鉆進控制功能，硬件集成度高。王賀劍等[8]設計了一種煤礦坑道鉆機電控系統，該系統基于鉆進控制策略，實現了鉆機遠程控制和自動鉆進。目前礦用水平定向鉆機已實現國產化，但與之配套的電控系統智能化程度低、功能單一、安全性差，滿足不了智慧礦山的發展需求[9-10]。針對上述問題，開發了一套礦用水平定向鉆機智能化電控系統。

1 系統總體設計

礦用水平定向鉆機智能化電控系統總體架構如圖1所示，包括自動感知單元、智能控制單元、人機界面單元和執行機構單元。自動感知單元包括信號安全柵模塊、先導模塊、漏電流檢測模塊、漏電閉鎖模塊和電壓電流檢測模塊，采集傳感器信號并傳輸至智能控制單元。智能控制單元主要進行數據存儲計算、故障智能分析和智能控制輸出，將處理后的信息通過通信接口送至人機界面單元，并按照故障智能分析結果控制執行機構單元動作。人機界面單元主要實現系統參數在線監測、故障類型報警及歷史數據查詢功能。執行機構單元由一次側主電路繼電器和接觸器組成，實現電動機驅動功能。

圖1 礦用水平定向鉆機智能化電控系統總體架構Fig.1 Overall structure of intelligent electric control system for mine horizontal directional drilling rig

2 系統硬件設計

礦用水平定向鉆機智能化電控系統硬件主要由微處理器、電壓電流檢測模塊、安全柵采集模塊、漏電閉鎖模塊、漏電流檢測模塊和先導模塊組成。

(1) 微處理器。STM32F407系列微處理器芯片具有168 MHz高速主頻、浮點運算模塊及數字信號處理單元，可實現各種復雜算法計算[11]。

(2) 電壓電流檢測模塊。電壓和電流是電控系統的2個關鍵故障參數，通過對其可靠檢測，可以精準定位故障類型。電壓電流檢測模塊采用交流采樣法，以保持原始參數的完整性，確保故障信息不丟失，為智能識別和快速切除系統故障提供可靠保障[12]。

(3) 安全柵采集模塊。由于井下特殊的瓦斯工作環境，電氣設備微弱的電火花也會造成嚴重的后果。為避免該類事故的發生，并保障信號采集的精度，設計了安全柵采集電路。安全柵是本安系統的重要組成單元，可將電氣設備的能量隔離開，在信號采集過程中起到限壓限流和故障隔離的作用[13]。根據傳感器信號類型，選用開關量安全柵、模擬量安全柵和熱電阻安全柵，具體連接如圖2所示。電動機前后端急停按鈕和瓦斯超限變送器信號經過開關量安全柵隔離，油位變送器和行走壓力變送器信號經過模擬量安全柵隔離，3個測量溫度的PT100傳感器信號經過熱電阻安全柵隔離，隔離后的信號送至安全側控制器中。供電側采用DC/DC隔離供電模塊為系統供電。隔離芯片隔離信號采集通道，實現供電側、安全側和危險側之間的隔離，提升信號采集過程中的安全系數。

圖2 安全柵連接Fig.2 Safety barrier connection

(4) 漏電閉鎖模塊。漏電閉鎖模塊用于在電動機啟動前對供電線路的絕緣狀態(通過電動機對地等效絕緣電阻值的大小體現)進行檢測[14]，以保障電動機安全啟動。漏電閉鎖電路如圖3所示，采用外加直流電的方法檢測電動機對地等效絕緣電阻。通過測量R2左側電壓即可推算出電動機對地等效絕緣電阻。將推算出的電阻值與漏電閉鎖動作電阻的整定值比較，實現電動機漏電閉鎖故障的切除。

圖3 漏電閉鎖電路Fig.3 Leakage blocking circuit

(5) 漏電流檢測模塊。漏電是礦井供電系統的主要故障形式之一，會導致人身觸電等重大安全事故。漏電故障數量約占電氣故障總數的50%。漏電流檢測模塊采用外加零序電流互感器的方法，在線檢測回路中的漏電流。零序電流互感器輸出的0～2.5 mA電流信號經過調理電路處理后輸出0～3 V電壓信號，再由處理器采集、濾波和判斷，最后通過繼電器隔離輸出，達到快速切除漏電故障的目的。

(6) 先導模塊。遠程控制是保障井下工人生命安全的有效途徑，但由于井下長距離線纜鋪設的要求，在實現遠程控制時極易因線纜短路、碰撞、摩擦等原因產生誤動作信號，造成生命財產的損失。為解決該問題，設計了先導模塊。先導模塊除了可實現遠程控制功能外，還可在滿足本質安全性能的基礎上對故障信號進行采集，有效減少誤動作。先導模塊如圖4所示。模塊由555定時器芯片產生±5 V方波信號，通過遠程按鈕盒中2個檢測二極管后傳輸至光耦檢測電路，光耦檢測電路隔離輸出4路開關量信號，經組合邏輯門電路判斷后，由繼電器驅動輸出正確的電動機啟動或停止信號。當信號線路出現短路或斷路故障時，繼電器輸出閉鎖，電動機停機。

圖4 先導模塊Fig.4 Pilot module

3 系統軟件設計

礦用水平定向鉆機智能化電控系統軟件由主程序和各功能子程序組成。其中子程序主要包括無載保護程序、帶載保護程序和顯示程序。

3.1 主程序

主程序采用模塊式結構設計方法，實現參數主動獲取、電動機智能控制、故障快速切除等功能，流程如圖5所示。微處理器上電后依次執行系統初始化、參數感知和存儲、無載保護程序，完成電動機啟動前的準備。判斷系統是否滿足電動機啟動條件，若滿足則運行電動機智能控制和帶載保護程序；若不滿足則啟動故障報警程序。實時顯示運行參數和故障報警信息。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow

3.2 無載保護程序

無載保護程序用于電動機啟動條件判斷，防止啟動瞬間對設備和人員造成傷害，是系統實現智能化控制的前提條件。對電動機對地絕緣狀態、供電系統故障、瓦斯超限故障、油箱油位故障、行走壓力故障等進行系統智能化檢測診斷。若存在故障，則禁止電動機啟動，系統快速動作切除故障。只有將所有故障都排除，故障標志位清零，系統才可正常啟動。

3.3 帶載保護程序

帶載保護程序實現故障診斷和動作保護功能，具體流程如圖6所示。當電動機啟動后，系統先進行關鍵參數計算，分析系統運行狀態；然后判斷負序電流是否超出設定閾值，若超出設定閾值則電動機停機，再根據三相電流計算出三相不對稱故障類型,并完成故障報警；若未超出設定閾值則判斷電動機是否存在過載故障，若存在則運行分段過載保護程序并完成故障報警；若不存在則判斷系統是否存在漏電故障，若存在則電動機停機并完成故障報警。

圖6 帶載保護流程Fig.6 With load protection process

3.4 顯示程序

智能化監測監控平臺可降低設備操作的復雜程度，提高電控系統智能化水平?，F場操作人員根據實時參數獲取設備運行狀態，根據故障類型精準定位故障發生位置，根據歷史數據實現設備壽命管理。系統采用DOP-100系列觸摸屏，通過DOPSoft V4.0編程軟件實現界面編程[15]。編程畫面分為主界面和子界面，主界面用于系統重要數據的在線監測，子界面負責故障類型提示和歷史數據查詢顯示任務。其中，監測主界面如圖7所示，該界面可在線監測2臺電動機關鍵參數的變化。

圖7 監測主界面Fig.7 Monitoring main interface

4 測試分析

為了檢驗礦用水平定向鉆機電控系統是否滿足井下設備智能化的應用要求，分別對系統的基本功能、信號采集精度及故障保護性能進行測試。

4.1 基本功能測試

對電動機遠程和就地啟?？刂萍斑h程先導保護功能進行測試。測試結果表明，電動機遠程和就地啟?？刂贫寄軌蚩煽客瓿?，不存在誤動作；人為制造信號傳輸線路短路和斷路故障，先導保護能及時檢測到故障并完成電動機保護。

4.2 電流采集精度測試

電流采集精度是系統開發需解決的關鍵技術問題之一，也是系統進行故障類型精準識別的前提條件?，F場測試時，通過電流發生器產生0～1 800 A電流，共完成16組電流值的測試，測試結果如圖8所示?？煽闯鲈跍y量范圍內，電流誤差始終小于2%，滿足電控系統應用要求。

圖8 電流采集測試Fig.8 Current acquisition test

4.3 漏電閉鎖測試

電動機啟動前的漏電閉鎖保護是系統安全啟動的可靠保證。以660 V工作電壓為例，為確保人體觸電電流和作用時間的乘積小于30 mA·h，要求系統在電動機對地絕緣電阻值為22 kΩ時動作閉鎖，在33 kΩ時恢復。實際測試時，在電動機與大地間接入滑動變阻器，調節滑動變阻器大小，觀察漏電閉鎖保護是否動作。漏電閉鎖測試結果見表1?？煽闯鲭妱訖C在絕緣電阻小于22 kΩ時不動作，在22 kΩ時開始閉鎖保護動作，直至33 kΩ時解除閉鎖保護動作。測試結果表明，系統故障識別準確，漏電閉鎖保護動作可靠性高。

表1 漏電閉鎖測試Table 1 Leakage blocking test

4.4 過載保護測試

過載故障是智能化電控系統最常發生的故障之一，根據過載倍數延時動作實現過載保護，是系統安全穩定運行的保障。以200 A的電動機額定電流為例，模擬產生各種倍數過載電流，觀察過載保護動作時間，測試結果見表2。可看出過載倍數越大，系統延時完成保護動作的時間越短。測試結果滿足《煤礦安全規程》過載故障保護要求。

表2 過載保護測試Table 2 Overload protection test

5 結論

(1) 基本功能測試結果表明，礦用水平定向鉆機電控系統實現了電動機遠程和就地啟停控制及遠程先導保護功能，不存在誤動作，可靠性高。

(2) 電流采集精度測試結果表明，在0～1 800 A測量范圍內，電流誤差小于2%，滿足電控系統應用要求。

(3) 漏電閉鎖測試結果表明，系統故障識別準確，漏電閉鎖保護動作可靠性高。

(4) 過載保護測試結果表明，過載倍數越大，系統延時完成保護動作的時間越短，測試結果滿足《煤礦安全規程》過載故障保護要求。