地下潜孔钻机智能控制系统的研究与实现

唐文玲　盛宇

摘要：指出了目前国内传统采矿方法对于低品位及深部矿体的开采存在生产效率低、成本高等问题，智能采矿则是提高矿山生产效率和经济效益的有效途径。依托国家 863 课题“地下高气压智能潜孔钻机”，对地下智能潜孔钻机的智能控制系统进行了研究与设计。该系统利用WIFI无线网络，通过潜孔钻机车载的通信工控终端，实现了对潜孔钻机的工况状态实时采集、分析、存储与控制输入输出，解决了地表与井下车载智能通讯设备的远程通讯及控制的技术难题，并利用VC++编程语言实现了该系统的开发。现场调试结果表明：该系统实现了远程控制潜孔钻机自动凿岩的目的，通过智能潜孔钻机取代人工劳动极大地提高了矿山的生产效率。

关键词：智能采矿；深部采矿；潜孔钻机；智能控制

中图分类号：TD421

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18017405

1引言

随着部分浅表矿产资源的逐渐枯竭，许多矿山由浅表开采转到深部开采，其中最深的南非卡里顿维尔金矿，竖井4164 m，开采深度已达3800 m。我国也有一批矿山已进入深部开采，其中夹皮沟金矿开采深度已达1600 m＼[1＼]。目前国内常规开采方法对于低品位及深部矿体开采成本高，生产效率低，使得矿山的经济效益低。而当越来越多国际市场高产、高效、高质量、低成本矿产品进入国内市场时，国内矿山将面临严峻的挑战。同时，深部开采时高应力、高井温、高井深等“三高”问题使得开采工作异常困难，实现智能采矿、无人采矿是解决深部开采问题的一个重要途径。古德生院士在“智能采矿触摸矿业的未来”中指出：智能采矿是未来我国金属矿业面临的三大发展主题之一，也是当今世界矿业极其关注，并大力推进的一个具有时代意义的发展主题＼[1，2＼]。正因为如此“十二五”启动了“地下金属矿智能开采技术”863项目，目的在于我国地下金属矿智能开采技术体系的初始建立，从而使我国采矿技术向智能化方向不断前进发展，最终增强我国采矿行业在整个行业中的竞争力。本文正是依托国家 863 课题“地下高气压智能潜孔钻机”，对地下智能潜孔钻机的智能控制系统进行研究和设计。

2智能潜孔钻机的发展及工作原理

2.1潜孔钻机的发展

国外对潜孔钻机的研究已经有几十年甚至近百年的历史，其中瑞典的Atlas Copco、芬兰的Tamrock、美国的Ingasoll Rand、日本的Furukawa 等公司走在潜孔凿岩技术研究的前列。而国内相对来说在潜孔钻机的研究方面起步较晚，20世纪80年代以来，我国不断吸收和引进国外潜孔钻机先进技术，湖南有色重机工程机械有限公司研制的地下潜孔钻机CS100D和CS100ET已经实现了部分的智能工作＼[3～6＼]。以此为基础，中南大学、长沙矿山研究院、北京科技大学和湖南有色重机工程机械有限公司经过不懈努力，共同研制出了高性能全自动智能潜孔钻机。

2.2智能潜孔钻机整体介绍

该智能潜孔钻机是新一代大直径中深孔液压潜孔钻机，其采用铰接式底盘结构、液压轮式行走系统及PID控制方式，提高了炮孔定位的精度及行走转向的灵活性＼[7＼]。智能潜孔钻机配备有钻孔导向和接卸杆机构、多自由度钻架、湿式除尘装置、钻杆库，高精度传感器及车载工况机，具有凿岩参数自动控制和全自动工作的功能。钻机钻孔直径150～200 mm，深度50 m，在岩石系数f15的岩层中凿岩时，台班（按8 h计）穿孔效率可达100～150 m，其三维模型如图1。

2.3电气控制系统组成

该智能潜孔钻机电气控制系统与CS-165E露天潜孔钻机控制系统相似＼[8，9＼]，由供电电路、开关量输入电路、模拟量输入电路、可编程控制器、执行电路、显示电路及报警电路等组成。控制系统的核心部件由8个芬兰EPEC公司的PLC控制器（1个主PLC控制器和7个子PLC控制器）组成，PLC之间通过CANOpen应用层协议组成可扩展的CAN-bus现场总线网络连接。

3潜孔钻機智能控制系统

3.1WIFI远程通讯控制技术

本系统利用井下WIFI通讯系统，通过潜孔钻机车载通信工控终端，实现对潜孔钻机工况状态实时采集、分析、存储与控制输入输出。系统通过接入潜孔钻机车载各类传感器数据，对数据进行去冗余、信息再加工以得到智能开采业务平台真正需要的数据，然后根据预设控制逻辑进行控制输出，从而达到对潜孔钻机的智能控制目的，其原理图如图2。

其中Hub是集线器，其作用是将远程控制台（PC）、车载工况机（PC）分别与CANET模块连接；CANET模块是以太网CAN-bus数据转换器，通过以太网和CAN网络之间数据的转换，现实远程控制台（PC）、车载工况机（PC）与可编程逻辑控制器（PLC）之间的通讯；CANET模块与PCL通过CAN-bus总线连接；通过井下WIFI通讯系统，实现地表与井下车体的远程通讯与控制。

唐文玲，等：地下潜孔钻机智能控制系统的研究与实现

机电与工程

3.2智能动作的实现

智能动作的实现离不开对井下环境信息的仿真模拟、传感器的信息釆集处理、车体的导航及运动控制。其中，环境仿真模拟主要是对井下环境信息进行精确描述以建立仿真模型。利用传感器模块感知潜孔钻机工作所需的各种传感数据来完成信息采集处理工作。大量的全局环境信息通过导航决策来接收和处理，从而实现反应式导航。基于传感器釆集的信息主要通过运动控制来进行处理，得到潜孔钻机实时的运动状态，从而实现潜孔钻机的智能行为。智能动作主要包括自动行走、自动定位、自动调平、自动接杆、自动开孔、自动凿岩、自动卸杆和自动收机。

3.2.1自动行走

将工况开关设置为行走工况。首先设定目标点的具体位置，然后可以通过PLC控制行走电磁阀开关和行走液压马达运转以实现潜孔钻机的前行、后退、斜移和原地转向等动作，当达到目标点位置停止行走，如果没有达到目标点位置继续行走，直到达到目标点位置为止。endprint

3.2.2自动定位

将工况开关设置为定位工况。首先，通过PLC控制俯仰油缸、偏摆油缸、起落油缸和补偿油缸的伸缩量，从而使行程的相关要求得到满足。之后，控制回转马达阀开关，使导轨回转角度满足要求。最后，控制左、右顶撑油缸阀开关，使其满足压力要求＼[7＼]。

3.2.3自动调平

将工况开关设置为调平工况。读取车架传感器角度α，如果α>0°±1°（其中1°为允许的误差），通过PLC控制左支腿油缸伸出量，直到α在误差允许范围之内为止。反之，如果α<0°±1°，通过PLC控制右支腿油缸伸出量，直到α在误差允许范围之内为止＼[7＼]。

3.2.4自动接杆

将工况开关设置为接杆工况。首先选择钻杆库，然后通过PLC控制上卡油缸、下卡油缸、搓动油缸、夹持油缸、大臂油缸、小臂油缸、推进油缸和回转马达，实现卡杆、搓动、抓杆、送杆、接杆。

3.2.5自动开孔

将工况开关设置为开孔工况。通过PLC控制空压机、水泵电机和冷却风扇的启动。当风压满足要求后，开启冲击器润滑，开水、调整回转马达及推进器流量阀，使其分别满足回转速度和推进速度要求。对比预定开孔深度，判断钻孔深度是否满足要求，如果满足要求则停止开孔，如果不满足要求，则继续开孔。

3.2.6自动凿岩

将工况开关设置为凿岩工况。自动凿岩与自动开孔控制流程类似，其区别是在调整回转马达与推进器流量阀时，回转速度和推进速度要求不一样。在不同的岩石条件下，凿岩参数会有所不同，如要得出参数之间的关系，可以通过建立这些参数的数据模型来得到，从而得到最优回转速度和推进速度，提高凿岩效率，降低卡钻发生概率＼[10，11＼]。

3.2.7自动卸杆

将工况开关设置为卸杆工况。自动卸杆是自动接杆的逆过程，其控制原理和自动接杆一样，通过PLC控制上卡油缸、下卡油缸、搓动油缸、夹持油缸、大臂油缸、小臂油缸、推进油缸和回转马达，实现卡杆、搓动、抓杆、送杆、卸杆。

3.2.8自动收机

将工况开关设置为收机工况。通过PLC控制左、右顶撑油缸，使其完全缩回，然后控制回转马达阀开关，使导轨回转角度恢复到初始位置，最后控制俯仰油缸、偏摆油缸、起落油缸和补偿油缸伸缩，使其恢复到初始位置。

3.3智能控制系统实现

3.3.1传感器数据的分析与处理

通过专用的数据采集通道对环境信息、设备装备监测信息进行采集，从而获的具有针对性的数据，实现精确的控制与输出。具体步骤包括：确定多数据信息的数据类型，并进行整理和分类；

利用基于主元分析的数据降维技术、信息融合技术对数据进行去冗余处理；

制定有效合理的控制逻辑，并根据预设逻辑进行实时控制输出。

3.3.2信息的存储和管理

利用信息采集与控制通用数据管理专用模块，实现通讯数据的存储和管理。利用三维可视化数据交互控制技术，实现对于井下环境信息采集数据、设备状态信息数据、计量信息数据的存储管理、通过专有的模块和控制交互技术实现三维可视化实时展示，直观、形象地表达井下对象的信息；同时，通过交互式控制技术，实现井下信息采集与控制装置的远程控制输出。

3.3.3智能控制系统结构

智能控制系统结构（见图3）总体分为外部服务模块、通讯模块和主控逻辑模块。

3.3.4智能控制系统主程序设计

智能控制系统主程序流程如图4所示，其主要步骤如下：

程序执行开机初始化，初始化完成后进入下一步；

接收数据，进行电源相序、电源电压、液压油位及液压油温等初始工作状态判断。如果初始工作状态正常则程序执行下一步，否则，报警停机；

接收PLC报文，提取本地或者远程选择。如果选择本地，则程序接收本地工控机命令，如果选择远程，则程序接收远程控制台命令；

执行全自动程序：①执行自动行走子程序；②执行自動定位子程序；③当已接杆数等于0且推进位移小

于开孔深度时，执行自动开孔子程序；④执行自动凿岩子程序；⑤当回转头处于下极限时，执行自动接杆子程序；⑥重复自动凿岩和接杆，当达到目标钻孔深度时，执行自动卸杆子程序；⑦执行自动收机子程序。

关闭所有电磁阀、清空所有标志位、关闭电源；

程序结束。

3.3.5智能控制系统软件的开发

利用VC++计算机编程语言和Visual Studio 2010编程和编译工具，开发了智能控制系统软件＼[D10＼]。其潜孔钻机操控平台界面如图5所示。

潜孔钻机操控平台包括智能操作、运行监测、运行模式、执行过程监测、智能参数设置、性能优化、执行确认等几个模块。其中智能操作用于实现相应智能动作；运行监测用于显示环境温度和湿度、油路压力、电流、电压等参数；运行模式用于显示潜孔钻机运行状态；执行过程监测用于监测和显示相应传感器参数，智能参数设置用于设置相应智能动作参数；性能优化包括最优凿岩参数自动匹配和故障诊断，用于优化凿岩参数，提高凿岩效率；执行确认用于执行和取消相应的智能动作，当机器出现故障时，急停可以防止人员和机械设备受到伤害

3.3.6智能控制系统的现场调试

将智能控制系统安装于车载工控机和远程地表操作平台，通过WIFI远程通讯控制技术，可以实现对潜孔钻机远程控制。

智能潜孔钻机调试工作是在凡口铅锌矿（-240）阶段维修洞室进行，在调试过程中各个功能都能正常运行，但是在调试自动凿岩功能时遇到了卡杆问题。这是由于该维修洞室岩层地质条件比较复杂，其表面是500cm左右的混泥土层，中间是900cm左右的碎石填充层，填充层下面是岩石层。在进入碎石层时，由于碎石填充层的存在，气流从碎石间的缝隙溜走，使得吹渣的效果不明显，出现卡杆现象。经过反复调试建立这些参数的数据模型，得出了参数之间的相关关系，不断优化凿岩参数，最终解决了凿岩时卡杆问题，提高了凿岩效率。endprint

4结语

“地下高气压智能潜孔钻机”项目在凡口铅锌矿进行验收，获得了科技部专家们的好评。验收情况表明，该潜孔钻机智能控制系统通过利用现代计算机及网络通讯技术，解决了地表与井下车载智能通讯设备的远程通讯及控制，同时协助生产管理人员进行调配和遥控的技术难题，将在深部开采中将发挥重大作用。同时，通过潜孔钻机车载工控机装载潜孔钻机操作平台，能够实现在没有工作人员现场操作的情况下，通过在地表远程控制潜孔钻机实现自动凿岩，通过智能潜孔钻机取代人工劳动，大批矿工将远离深井高温、岩爆环境，能极大地改善作业条件，不仅从根本上解决矿山生产安全问题，而且很大程度上提高了劳动生产效率、降低矿山生产成本，提高经济效益。

参考文献：

[1]

古德生. 智能采矿 触摸矿业的未来＼[J＼]. 矿业装备，2014（1）：24～26.

＼[2＼]古德生，周科平. 现代金属矿业的发展主题＼[J＼]. 金属矿山，2012（7）：1～8.

＼[3＼]Anon. Down the hole drilling undergrounding＼[J＼]. Mining Magazine，1975（6）：65～68.

＼[4＼]Irvine. Status of down the hole drills in underground mining＼[J＼]. Transactions of the Society of Mining Engineers of AIME，1977（11）：36～37.

＼[5＼]赵宏强，林宏武，陈欠根，等. 国内外液压潜孔钻机发展概况＼[J＼]. 工程机械与维修，2006（4）：72～73.

＼[6＼]郭勇，周振華. 潜孔钻机的应用现状与发展趋势＼[J＼]. 矿业快报，2008，24（4）：13～15.

＼[7＼]豆龙. 地下潜孔钻机智能炮孔定位技术研究＼[D＼]. 长沙：长沙矿山研究院，2013.

＼[8＼]段仁君，孙达仑. CS-165E型潜孔钻机PLC电液控制系统的设计＼[J＼]. 矿业研究与开发，2006（S1）：118～120.

＼[9＼]陶照园. PLC在露天潜孔钻机控制系统中的应用＼[J＼]. 采矿技术，2006（4）：50～52.

＼[10＼]张永玺，杨琛，李东明，等. 基于LabVIEW的潜孔钻机冲击频率采集系统＼[J＼]. 金属矿山，2013（10）：128～129.

＼[11＼]李美香. 潜孔钻机凿岩过程自动防卡液压控制方案研究＼[D＼]. 长沙：中南大学，2008.

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