礦用鉆機鉆孔監測系統設計分析

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了礦用鉆機鉆孔監測系統設計分析范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：以ZLJ1200L型煤礦用履帶式坑道鉆機為研究對象，為了對鉆機鉆孔機構進行有效監測，設計了基于MCGS的鉆機鉆孔監測系統。通過仿真實驗，證明了該系統在鉆孔監測中滿足期望要求，實現了對鉆孔作業的精準監測，從而保證鉆機能夠安全、平穩、可靠的工作。

關鍵詞：煤礦鉆機；鉆孔監測；PLC；MCGS

引言

鉆機在鉆進工作過程中，其鉆孔軌跡時常會出現偏差情況，從而會對鉆孔產生不利的影響，如鉆孔傾角過大、鉆孔軌跡不符合預期要求等。因此鉆機的鉆孔機構起著至關重要的作用。然而有關履帶式坑道鉆機鉆孔機構的監測系統為數不多，不能通過鉆桿工作狀況的改變及時調節鉆孔軌跡。當前，ZLJ1200L型煤礦用履帶式坑道鉆機沒有直接讀取鉆孔信息的顯示設備，監測水平有待提高，操作人員只能憑借操作工作臺上的儀表顯示讀取工況信息。因此，針對該型號的鉆機開發一款可視化鉆孔監測系統尤為重要。

1鉆孔機構的結構設計

ZLJ1200L型煤礦用履帶式坑道鉆機鉆孔機構的改進結構簡圖如圖1所示，工作人員操作鉆機控制鉆桿主軸的轉矩、轉速、推進力和鉆進速度實現鉆進作業，螺旋鉆桿鉆入巖石，傳感器安裝在鉆頭上，用來實時接收鉆孔軌跡參數。電機和監測裝置安裝在底座上，通過數據傳輸線傳遞鉆孔頭部接收的測量信號。

2鉆孔監測系統設計

（1）監測系統設計在實際鉆進作業中，由于各種不可預期的因素影響，容易出現實際鉆孔軌跡與規劃的理想鉆孔軌跡偏離很大的情況。當這種差別較小時，不會影響鉆孔的正常使用，但是當鉆孔軌跡偏移較大時，鉆孔的利用價值就很小，甚至無任何價值。因此，對于鉆孔軌跡實時監測有利于評價鉆孔價值，減少打孔誤差率，提高鉆機工作效率。鉆孔數據采集系統與人機界面顯示系統是鉆孔監測系統的兩大主要部分。鉆孔數據采集系統經過安裝在設定位置的傳感器收集鉆孔傾角、方位角等參數信息，然后將數據信息傳遞到CPU，CPU讀取到數據后會將信息進行分類和預處理。人機界面顯示系統能與鉆孔數據采集系統同步互聯，實現對鉆孔工作狀態監測。鉆孔監測系統主要的2個參數指標：①鉆孔的傾角鉆孔所在位置的水平面與切線之間的最小夾角。鉆桿大部分是水平鉆進，鉆孔傾角越大時，說明在參考水平面方向上鉆孔的偏離程度越大；反之，則鉆孔偏離程度越小。②鉆孔的方位角從正北方向開始，順時針至鉆孔軸線在水平面上的投影的夾角。鉆桿在鉆進過程中碰到硬度較高的矸石時，容易使鉆頭側滑，使鉆孔在水平方向上出現偏離。鉆孔方位角越大時，鉆孔在水平面上出現左右偏離程度越大；反之，則鉆孔偏離程度越小。（2）傳感器安裝位置傳感器的安裝位置應在滿足系統正常工作的基礎上盡量布置得相對集中，從而不影響鉆機外觀結構的安裝位置，同時布置應方便工程人員進行定期檢修、測量等工作。所以合理選擇傳感器的布點是獲取鉆孔參數的一項關鍵環節，傳感器安裝位置：①1路轉速測點測量鉆機主軸轉速；②1路接近開關測點確定推進油缸結束點；③2路角度測點獲取鉆頭端傾角和方位角。（3）主控制器選型在設計開發監測系統的過程中，監控系統硬件設計的主要目標是減少操作人員的勞動強度，提高鉆孔工作效率，減少鉆機鉆進工作過程中機器運行的故障率，實現工作的高效性、穩定性與安全性。下位機設計的重要部分是如何保證接收數據的傳感器與系統中央處理器之間的穩定通信。鉆孔監測系統硬件設備的核心是主控制器，能夠確保實現整個系統的功能。本文設計依據鉆孔監測系統的功能，結合工程大小、所需性能及工作特點等影響因素，選用CPU型號為ST20的S7-200SmartPLC主控器。（4）人機界面顯示設備選型人機交互界面顯示設備選用一款高性能、低耗能的嵌入式一體化人機接口TPC1262Hi組態屏，此款觸摸屏不需要額外增加物理按鍵，將操作人員的按鍵直接在屏幕上顯示，是一種智能人機界面交互顯示屏。操作人員只需用手指點擊屏幕顯示的按鈕或窗口，通過顯示屏可以方便地實現各種界面操作，同時操作界面更加人性化，實際工程應用效果良好，工作穩定，可靠性高。

3鉆孔監測系統仿真

為了保證設計的系統能夠順利運行且達到預期的監測功能，以監測系統的硬件設計和通信控制原理作為基礎，通過檢測系統的MCGS組態軟件對檢測系統的檢測工作進行調試與仿真模擬，來驗證所設計的鉆孔監測系統的可行性與穩定性。（1）PLCI/O資源分配S7-200SmartPLC主控器能自動分配資源地址，CPU模塊有一定量的內部集成I/O口，其地址固定不變，其地址分配從0字節開始。鉆機監測所涉及的主要參數信息在下位機PLC的輸入地址分配如表1所示。（2）監測系統調試仿真鉆孔監測系統設計完成之后，通過仿真調試的方式來測試系統的檢測效果是否符合預期，以及系統運行是否平穩可靠。由于下位機在系統中起著信號傳輸、處理的重要作用，因此首先搭建下位機，保證傳感器所檢測信號準確、快速的傳輸以及處理器對信號的及時處理，經處理過的信號數據再傳輸至上位機，由MCGS組態軟件界面及時顯示出來，從而實現系統的監測功能。在仿真的配置過程中，首先進入MCGS組態窗口，選擇工具菜單欄的下載配置，下載成功后顯示系統啟動界面。鉆機鉆孔監測系統開始啟動界面如圖2所示，鉆機工況監測平臺主頁面如圖3所示。綜上所述，通過對上位機軟件的仿真，驗證各類參數的顯示是否正確，以驗證程序執行、人機界面顯示的準確性、合理性。通過調試仿真，結果表明各類通信狀況良好，各段程序能夠執行，人機界面能夠穩定顯示。為后續的鉆機工況安全監測設備安裝調試提供了理論支撐和可行性論證。

4結語

通過對ZLJ1200L型煤礦用履帶式坑道鉆機的結構和性能特點進行研究分析，設計了一款可視化實時鉆孔監測系統，通過PLC程序編譯，并基于MCGS組態軟件作為人機界面，實現對鉆機鉆孔機構的狀態實時檢測。通過仿真實驗證明該機構能較好地通過鉆孔軌跡參數及時地判斷鉆進過程中的鉆孔軌跡是否符合預期規劃，進而評價鉆孔的質量，減少人力物力資源的浪費，具有廣闊的市場應用前景。

參考文獻：

［1］陳崢廷,喬紅兵,張浩,等.液壓錨桿鉆機冷卻監控系統設計［J］.煤礦機械,2019,40(10):4-6.

［2］方鵬,姚克,王松.ZZJ127(A)煤礦定向鉆機參數監測系統［J］.煤礦安全,2019,50(5):134-137.

［3］岳俊.煤礦鉆機地面監測分析系統的設計與實現［J］.煤礦機械,2017,38(1):1-3.

［4］褚志偉,王超,徐林,等.基于全液壓動力頭鉆機的扭矩實時監測［J］.煤礦機械,2015,36(4):315-317.

［5］楊虎偉.不提鉆下篩管用大通徑快插式螺旋鉆桿［J］.煤礦安全,2020,51(9):122-125.

［6］趙洪寶,張勉,張歡,等.瓦斯抽采鉆孔穩定性動態監測裝置研發及應用［J］.煤炭科學技術,2018,46(1):127-132+198.

作者：焦峰 喬紅兵 翟博聞 劉粵 宋超超 單位：中國礦業大學