煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究

董洪波，姚宁平，马 斌，廖姜男

煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究

董洪波，姚宁平，马 斌，廖姜男

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

为顺应煤矿井下钻探装备自动化、智能化发展方向，根据煤矿井下坑道钻机特点，研制了一套钻机电控系统，实现了钻机远程控制、参数监测、工况判断和安全互锁等功能，并在钻机单动控制基础上进行了钻机自动钻进和自动起钻技术研究，大大提高了煤矿井下钻机自动化程度。地面功能性试验与现场工业性试验表明：设计的电控系统功能性、实时性和可靠性满足使用要求。研制的钻机电控系统配套在钻机上，可提高钻机自动化水平，更好地保障了施工人员和设备的安全，对推动煤矿井下钻机智能化发展有积极作用。

全液压坑道钻机；电液控制技术；自动化技术

2019年，国家煤矿安监总局发布《煤矿机器人重点研发目录》，鼓励支持煤矿相关企业大力研发应用煤矿自动化装备，推进煤炭工业高质量发展。坑道钻机作为煤矿安全领域的关键装备，其自动化程度的提升，可减少人工操作，从本质上防范和遏制重特大事故，对于煤矿安全发展起积极推动作用[1-6]。

国内煤矿井下坑道钻机经过多年的发展，形成了以ZDY系列为代表的分体式、履带式全液压坑道钻机，在煤矿井下瓦斯防治、探放水、防突卸压等煤矿安全保障领域起着举足轻重的作用[7-11]。目前，煤矿井下坑道钻机以全液压传动为主，司钻人员通过固定在钻机车体的操纵台对其动作进行控制，钻机操作比较复杂，工人劳动强度较大；钻机行走时司钻人员不能远离履带车体，施工时不能远离孔口等危险位置，存在一定的安全隐患；另外，非电控钻机自动化程度低，不具备一键联动、自动装卸钻杆、钻进参数监测诊断、自适应钻进，孔内事故预警与处理等自动化功能[12-15]。

因此，随着国内装备制造业竞争的加剧和市场对工业产品要求的不断提升，为顺应井下钻探装备自动化、智能化发展方向，针对煤矿井下坑道钻机的特点，研制煤矿井下钻机电液控制系统，实现了煤矿井下坑道钻机可视距离遥控操作、参数监测、工况逻辑判断和安全互锁等功能。同时在电控系统的基础上，研究自动化施工技术，实现钻机自动调平，自动化钻进、起钻等功能。

1 电液控制系统硬件开发

煤矿井下坑道钻机电液控制系统由系统硬件和系统软件两部分组成。系统硬件主要实现信号的采集、处理，控制指令的输入/输出，控制动作的执行。系统软件主要实现数据的通信、解析，控制逻辑的运算，各种自动化、智能化控制算法的集成。

1.1 系统硬件组成

针对煤矿井下全液压坑道钻机的功能特点及钻孔工艺施工要求，结合液压系统的控制特点，设计了煤矿井下坑道钻机电液控制系统，如图1所示，系统从设备布局上分为车载端和移动端两部分。

图1 电液控制系统硬件

车载端主要由钻机控制器、电磁阀组、传感器组、供电模块、收发器、声光报警设备组成，其中，钻机控制器通过I/O接口连接以上设备，是整个电控系统的运算和控制核心，起到数据流指令流计算交互的作用。

钻机控制器由供电模块供电，通过读取收发器收到的无线遥控指令，经控制程序计算后，控制电磁比例阀开度以及电磁开关阀的开关状态，实现若干电磁阀的组合逻辑以及时序逻辑动作，从而控制钻机实现自动钻进、自动起钻等钻孔施工动作。同时传感器组中的各类传感器实时监测钻机油路压力、油路流量、油箱液位及温度、动力头转速及位移等物理量，完成钻机动作的闭环控制以及钻机状态量的采集。

移动端即遥控器，主要功能是以100 ms为定时周期，循环执行按键采集、逻辑判断、无线收发以及显示存储任务。通过按键采集任务采集遥控器面板上的手柄以及拨钮开关状态，逻辑判断任务进行操作逻辑的判断与安全互锁，在操作逻辑正确的前提下，由无线收发任务在可视距离内遥控操作钻机，并通过显示存储任务观察钻机的状态信息。

1.2 钻机控制器设计

钻机控制器为坑道钻机电控系统的核心部件，其功能多样性、可靠性及稳定性的优劣直接影响钻机电控系统整体性能[16]，钻机控制器如图2所示。

钻机控制器主要作用是完成对各类传感器信息的采集、解码、计算；输出控制信号完成对执行机构的控制；同时为其他加挂在控制器的本安设备供电。按组成结构划分，钻机控制器主要由本安电源板、隔离采集板以及PLC控制器组成。其中，本安电源板用于实现电源转换，将输入端DC24 V非安电源转换为DC12 V本质安全电源输出，为隔离采集板和其他本安设备供电；隔离采集板用于实现本安、非安电路隔离，可承受AC2 500 V的工频耐压，具备1.3 A过流保护、过压保护、过热保护功能；PLC控制器内嵌钻机控制程序，用于实现数据包解码计算、钻机控制逻辑判断、执行机构控制信号的输出。

按功能划分，钻机控制器可分为输入端和输出端两大模块。其中，输入端包括1路DC24 V非安电源；2路本安CAN总线通讯电路，其中CAN1用来连接收发器，CAN2用来连接压力传感器；8路0~5 V本安电压量输入电路，用来连接位移传感器；8路4~20 mA本安电流量输入电路，用来连接流量、温度传感器；8路本安开关量输入(DI)，用来连接位置传感器以及转速传感器。输出端包括12路非安PWM输出接口，可输出24 V，0~2 A可调电流，可驱动电磁比例阀；16路非安开关量输出接口，可驱动电磁开关阀；1路DC12 V本安电源输出，为系统中的本安设备供电。

图2 钻机控制器原理

2 电液控制系统软件开发

2.1 控制器主程序设计

系统控制器主程序是在CODESYS V3.5开发环境下使用ST语言编写的，控制器主程序流程如图3所示。

主程序主要包括逻辑主程序和通信主程序两大程序模块。逻辑主程序主要实现外部数据读取解包、钻机工况判断、输出控制信号功能。①首先，外部数据解包，读取的数据除了CAN总线接收到的遥控器数据、CAN总线传感器数据，还包括其他非CAN信号传感器数据；②接着进行钻机工况判断，根据按键组合完成工况逻辑判断后，调用该工况对应的子控制程序模块；③最后，根据子控制程序模块处理结果输出电磁阀控制信号。

通信主程序主要实现了对CAN1、CAN2模块的数据收发功能。①从CAN1上接收遥控器按键数据，解码后赋值给各按键状态变量；②从CAN2上接收CAN总线传感器数据，根据传感器ID将数据解码后赋值给对应的传感器变量；③根据逻辑主程序处理结果，将打包后的钻机信息发送至CAN1，供遥控器接收处理。

2.2 自动化钻孔施工算法

为实现钻机自动化钻孔施工功能，需在给进起拔油缸内部布置磁致伸缩位移传感器辅助判断动力头位置，同时需布置两个夹持器和一个卸扣器以实现钻杆自动装卸。图4a为钻机机身布置，为实现钻机自动化钻孔施工，在动力头导轨上标定了4个动力头位置：Z1、Z2、Z3、Z4，分别用于自动程序起始点、第一根钻杆上/卸扣点、第二根钻杆上/卸扣点和结束点的判定。

设计的自动钻进程序流程如图4b所示：①检测钻机状态(动力头位置，主动钻杆与钻杆连接状态)，将钻机状态恢复至主动钻杆与钻杆分离，前夹持器夹紧钻杆，后夹持器张开，动力头在最末端Z4位置；②将待加载钻杆放在中轴线上，后夹持器夹紧待加载钻杆，动力头给进至Z3位置；③回转器带动主动钻杆正转，上待加载钻杆后端丝扣；④上扣完成后，后夹持器打开，动力头给进至Z2位置；⑤回转器正转，开始上待加载钻杆前端扣；⑥上扣完成后，前夹持装置张开，全速回转钻进，动力头移动至最前端Z1位置；⑦前夹持器夹紧，回转器反转卸待加载钻杆后端扣；⑧卸扣完成后，动力头后退至最末端Z4位置，加载一根钻杆动作完成；⑨反复重复上述步骤，即实现钻机自动钻进功能。

图3 钻机控制器主程序流程

图4 自动钻孔施工流程

自动起钻流程与自动钻进动作刚好相反，设计的自动起钻程序流程如图4c所示：①检测钻机状态(动力头位置，主动钻杆与钻杆连接状态)，将钻机状态恢复至主动钻杆与钻杆分离，后夹持器张开，前夹持器夹紧待拆卸钻杆；②动力头给进至最前端Z1位置，回转器正转上待拆卸钻杆后端丝扣；③上扣完毕后，前夹持器打开，动力头起拔至Z2位置；④前夹持器夹紧待拆卸钻杆前一根钻杆，反转卸待拆卸钻杆前端丝扣；⑤卸扣完毕后，后夹持器夹紧待拆卸钻杆，反转卸待拆卸钻杆后端丝扣；⑥卸扣完毕后，动力头后退至最末端Z4位置，后夹持器张开，取出待拆卸钻杆，拆卸一根钻杆完成；⑦反复重复上述步骤，即实现钻机自动起钻功能。

3 电液控制系统的集成与应用

为验证设计的电控系统和钻机自动施工技术的功能和可靠性，将电液控制系统集成在ZDY4000LR钻机上，进行地面验证试验，集成在ZDY6500LQ钻机上进行现场应用试验。

集成电液控制系统后的ZDY4000LR电控自动化钻机具备远程控制、参数监测、工况逻辑判断、安全互锁、自动调平、自动化钻孔施工等功能。经功能性验证试验表明：①电液控制系统实时响应及时，经信号监控软件PCAN View反复验证说明，遥控器发出指令后50 ms内控制信号即可传递至电磁阀执行机构；②钻机远程控制平稳，通过遥控器可实现50 m远距离控制钻机，无明显迟滞现象；③钻机工况判断准确，控制器根据遥控器按键排列完成工况判断，并将对应工况的监测界面返回至遥控器屏幕显示；④具备安全互锁功能，控制器完成钻机工况判断后会将其他工况条件下的电磁阀控制权限锁死，防止误操作发生安全事故，如在行走工况下，无论怎样拨动回转、钻进按钮，对应执行机构都不会动作；⑤钻机可在10 s内完成自动调平，且水平度误差小于0.2°；⑥钻机自动钻进和自动起钻过程中，可在60 s内完成单根钻杆的加载或拆卸。

ZDY6500LQ钻机是本套电液控制系统首次进行井下现场工业性试验的钻机产品，具备远程单动控制功能。于2019年7月起先后有7台钻机在淮南矿业集团顾桥煤矿、张集煤矿、谢桥煤矿进行井下钻孔施工。截至完稿时，历时4个月，使用期间电液控制系统运行稳定，操作方便，无故障。现场工业性试验表明：①电液控制系统响应及时，满足井下使用要求；②电液控制系统可靠，在井下恶劣环境下使用期间无软硬件故障；③实现了安全互锁，保证了现场设备和人员安全；④实现远程控制功能、工况逻辑判断功能和参数监测功能，现场工人可远离钻机进行控制，进一步保证了现场人员安全；⑤电液控制系统操作方便，现场工人仅需简单培训即可进行控制施工。

图5 ZDY6500LQ钻机

4 结论

a.根据钻机施工特点，结合钻进工艺要求，完成了钻机电控系统硬件系统搭建和控制软件编写，并设计了和自动钻进、自动起钻方案。所设计的电控系统可配套在所有煤矿井下全液压钻机上。

b. 所设计的电控系统分别在ZDY4000LR钻机、ZDY6500LQ钻机上进行了集成应用。实现了对两款钻机的远程单动控制、参数监测；在ZDY4000LR钻机进行了钻机自动钻进、自动起钻功能试验，实现了在60 s内完成单根钻杆的加载或拆卸；在ZDY4000LR钻机上进行了钻机自动调平功能试验，实现了10 s内钻机自动调平，且调平水平度误差小于0.2°；对ZDY6500LQ钻机进行了现场工业性试验，在使用期间运行平稳，控制稳定，尚未出现故障，电控系统可靠性得到了验证。

c.钻机配套电控系统是实现钻机自动化的基础，目前对于自动施工技术的研究还较少，今后可在此基础上进行更复杂、更智能的自动施工技术研究。

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Research on electronically controlled automation technology of underground drilling rig for coal mine

DONG Hongbo, YAO Ningping, MA Bin, LIAO Jiangnan

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to conform to the development direction of automation and intelligence of underground equipment in coal mines, a set of electronically controlled system of drilling rig has been developed according to the characteristics of underground drilling rigs in coal mines. The functions such as remote control, parameter monitoring, working condition judgment and safe interlocking were realized in the drilling rig. On the basis of single-acting control of the drilling rig, the technology of automatic drilling and automatic trip-out of the drilling rig was studied, which greatly improved the automation of underground drilling rig in coal mine. The functional experiments and on-site industrial experiments showed that the functionality, the instantaneity and the reliability of the designed electronic control system met the requirements of operation. The developed electronic control system is matched on the drilling rig, which can improve the automation of the drilling rig, better guarantee the safety of personnel and equipment, and play a positive role in promoting the intelligent development of the drilling rig in coal mine.

full hydraulic underground drilling rig; electronic-hydraulic control technology; automation technology

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.031

1001-1986(2020)03-0219-06

2019-11-18；

2020-04-10

国家重点研发计划课题(2018YFC0808005)；万人计划专项：煤矿井下钻探装备智能化控制技术研究

National Key R&D Plan(2018YFC0808005)；Ten Thousand Talent Program：Research on Intelligent Control Technology of Underground Drilling Equipment in Coal Mine

董洪波，1979年生，男，辽宁朝阳人，博士，副研究员，从事煤矿钻探装备自动化智能化研发工作. E-mail：7281574@qq.com

姚宁平，1970年生，男，甘肃泾川人，博士，博士生导师，研究员，从事煤矿钻探技术与装备的研究与推广应用. E-mail：yaoningping@cctegxian.com

董洪波，姚宁平，马斌，等. 煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：219–224.

DONG Hongbo，YAO Ningping，MA Bin，et al. Research on electronically controlled automation technology of underground drilling rig for coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：219–224.

(责任编辑 聂爱兰)