SIMBA H1354潛孔鉆控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

王士鑫 繆志農(nóng) 任小花

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.攀枝花學(xué)院電氣信息學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

SIMBA H1354潛孔鉆控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

王士鑫1繆志農(nóng)2任小花1

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.攀枝花學(xué)院電氣信息學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

介紹了SIMBA H1354潛孔鉆無線控制技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化的基本原理、裝置組成及應(yīng)用情況，并設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、靈活可靠的符合我國礦山條件的無線控制裝置和軟件控制系統(tǒng)。實驗和現(xiàn)場運行表明了優(yōu)化的系統(tǒng)實現(xiàn)了對SIMBA H1354潛孔鉆車的可靠、高效的無線控制。此設(shè)計思路和優(yōu)化方案不僅對提高礦山井下鉆孔工作的安全以及改善工作環(huán)境有著重要意義，同時對現(xiàn)行的潛孔鉆車控制系統(tǒng)的改造具有重要的參考價值。

潛孔鉆車 優(yōu)化 控制系統(tǒng) CAN總線

隨著地上礦業(yè)資源的減少，礦產(chǎn)開采逐漸轉(zhuǎn)移到了地下，地下采礦工藝技術(shù)得到了飛速發(fā)展，與其配套的鉆孔設(shè)備水平也不斷地提高。全球采礦設(shè)備總的發(fā)展和趨勢是將地上的設(shè)備引用到地下。由于我國制造業(yè)的鉆孔工具技術(shù)與西方發(fā)達國家還有較大差距，因此，應(yīng)用于各種地下工程的鉆孔設(shè)備大部分還是依靠進口[1-2]。我國很多鐵礦引進的是阿特拉斯公司的SIMBA H1354[3]潛孔鉆設(shè)備。對比于其他設(shè)備，SIMBA H1354不僅在性能和結(jié)構(gòu)上占有優(yōu)勢，而更重要的莫過于適合我國礦業(yè)的地下開采環(huán)境。但從安全事故上，還存在一定的缺陷：

(1)機車在工作過程中常移動，傳輸電纜會在地面拖動，不僅導(dǎo)致移動不方便，還容易出現(xiàn)磨損,諸如鉆孔落石和移動拖拽對電纜的破壞，影響控制信號傳輸，甚至設(shè)備停運。

(2)現(xiàn)有SIMBA H1354操作中,操作人員和操作臺直接暴露在井下環(huán)境中,井下作業(yè)環(huán)境惡劣,潮濕、噪音大、落石等不利因素都直接影響操作人員和設(shè)備的健康和安全,也不利于操作人員集中精力完成作業(yè)。長期以來，我國有些企業(yè)在引進吸收消化國外先進技術(shù)和設(shè)備的同時大膽創(chuàng)新，獨立自主地改進和開發(fā)適合國內(nèi)地下采礦環(huán)境現(xiàn)狀的鉆孔技術(shù)，逐漸提高礦業(yè)地下開采的操作舒適性和安全性。本研究在攀鋼礦業(yè)的需求和協(xié)作下，對潛孔鉆SIMBA H1354的控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計概況及原理

對于SIMBA H1354潛孔鉆控制系統(tǒng)的優(yōu)化主要是改進操作信號的傳輸方式，將原來電纜信號傳輸轉(zhuǎn)換成無線信號傳輸，以減少設(shè)備因電纜被砸而停運維修的次數(shù)，同時減少運行拖拉對電纜的磨損，提高設(shè)備的使用壽命。總體設(shè)計思路如圖1所示。對于操作過程中的數(shù)字信號、模擬信號、CAN總線信號可通過單片機、CAN總線控制器、無線收發(fā)模塊等元件構(gòu)成的處理系統(tǒng)來完成，通過一定的軟件控制設(shè)計來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。為了減少安全事故，改善鉆孔技術(shù)人員的操作環(huán)境，設(shè)計了一款獨特的移動式密封小車，操作臺置于小車內(nèi)，車體具備良好的防砸、除塵換氣、隔音防噪、溫度控制等功能。因小車部分另行加工，下面僅對信息傳輸優(yōu)化進行分析。

圖1 總體設(shè)計思路Fig.1 The overall design idea

依據(jù)設(shè)計的實施計劃，將系統(tǒng)總體設(shè)計分2個部分：機車端設(shè)計和操作端設(shè)計，分別如圖2、圖3所示。

圖2 機車端設(shè)計Fig.2 The design of locomotive end

圖3 操作端設(shè)計Fig.3 The design of operation end

系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的原理是操作端的操作信號經(jīng)信號采集模塊獲取，然后將其送入單片機系統(tǒng)；分析和處理后將需要傳送的數(shù)據(jù)送至無線數(shù)傳模塊發(fā)送器，將信號無線發(fā)送至機車端；經(jīng)機車端的無線數(shù)傳模塊接收，經(jīng)單片機系統(tǒng)還原處理將控制信號送入控制機構(gòu)進行驅(qū)動，完成設(shè)備操作。但CAN總線信號通過總線控制器、驅(qū)動器以及無線數(shù)傳模塊來實現(xiàn)總線信號的實時交互傳遞。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

依據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化目標方向，對SIMBA H1354潛孔鉆車的控制原理、運作方式及作業(yè)環(huán)境進行了科學(xué)性的分析對比，確定了性價比高且功能實現(xiàn)簡單的適合鉆車工作環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計方案。包含有主控單元模塊、CAN總線通信模塊、無線通信模塊。

2.1 主控單元模塊

基于單片機技術(shù)、CAN總線通信技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計了以單片機為控制核心，輔以CAN總線控制及驅(qū)動和無線數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)SIMBA H1354潛孔鉆車的無線數(shù)據(jù)通信。主控單元除負責數(shù)據(jù)處理外，還要觸發(fā)無線通信模塊和CAN總線通信模塊工作，以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，在整個系統(tǒng)中起著主導(dǎo)作用。無線通信模塊采用nRF24L01通信芯片[3]，而CAN總線通信模塊采用MCP2515控制器和MCP2551驅(qū)動器[4-6]，運用單片機MSP430f5438進行控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸[7-9]。

2.2 CAN總線通信模塊

CAN是控制器局域網(wǎng)的簡稱，是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，為現(xiàn)在工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一[7]。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計完成了CAN總線數(shù)據(jù)節(jié)點與顯示屏之間的無線通信，為功能實現(xiàn)的設(shè)計核心。為了滿足操作臺顯示器實時顯示機車鉆頭傾角及打孔深度的要求，本部分作為獨立的模塊，系統(tǒng)上電即工作。硬件采用獨立式的MCP2515總線控制器及MCP2551總線驅(qū)動器，所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過對控制器編寫入控制器芯片的發(fā)送緩沖區(qū)里發(fā)送出去，通過nRF24L01通信芯片實現(xiàn)無線通信，而目的節(jié)點則負責把數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)里，運用單片機控制各器件的觸發(fā)。CAN總線通信硬件原理圖如圖4所示。

圖4 CAN總線通信硬件原理圖Fig.4 The hardware principle diagram of CAN bus communication

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用nRF24L01通信芯片，該芯片具有內(nèi)置地址解碼器、選入現(xiàn)出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等功能模塊，只需要很少的外圍元件，使用非常方便。同時，此芯片的通信頻段為2.4～2.5 GHz世界通用的ISM頻段的芯片，省去了申請使用特定頻段的麻煩。單片機MSP430f5438的串口與nRF24L01通信芯片相連接，實現(xiàn)信號的傳輸。操作端發(fā)送與機車端接收的硬件設(shè)計具有映射關(guān)系，具有通用性。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計分析，為了保證CAN總線信號的連續(xù)性，分別進行2部分的數(shù)據(jù)通信，即數(shù)字、模擬信號通信和CAN總線通信各用1個無線通信芯片。系統(tǒng)功能實現(xiàn)的軟件設(shè)計如圖5所示。但是，對于系統(tǒng)程序的設(shè)計將分為發(fā)送程序和接收程序設(shè)計。

圖5 系統(tǒng)功能實現(xiàn)的軟件設(shè)計Fig.5 The software design of achievement of system functions

3.1 發(fā)送程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般情況下，程序設(shè)計首先編寫的就是初始化程序，再者就是功能性程序。對于本系統(tǒng)的發(fā)送程序，主要是單片機的初始化程序、nRF24L01的初始化程序、MCP2515的初始化程序、數(shù)據(jù)編碼發(fā)送程序。主程序開始將先調(diào)用單片機初始化程序，來完成工作參數(shù)設(shè)置，然后依據(jù)采集的操作信號的改變，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，向機車端發(fā)送控制信號。發(fā)送程序結(jié)構(gòu)設(shè)計的程序流程如圖6所示。

圖6 發(fā)送程序設(shè)計的程序流程Fig.6 The program flow chart of design to send program

3.2 接收程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

相對于發(fā)送程序，機車端的接收程序設(shè)計可視為其反過程。同樣，具有單片機初始化程序、nRF24L01的初始化程序、MCP2515的初始化程序、數(shù)據(jù)解碼接收程序。其主程序開始調(diào)用完初始化程序后，設(shè)置工作參數(shù)，根據(jù)操作端的操作信號的改變，調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)，通過解碼操作還原操作信號，實現(xiàn)對設(shè)備的控制。

4 系統(tǒng)設(shè)計中的抗干擾措施

本系統(tǒng)硬件設(shè)計中出現(xiàn)的干擾有過渡干擾、地線干擾、模擬開關(guān)帶來的各種環(huán)境噪聲干擾、電源中的噪聲干擾等。對于數(shù)?；旌想娐分械倪^渡干擾，設(shè)計時用鐵氧磁珠將模擬5 V和其他數(shù)字電路隔離來消除。地線干擾可將模擬地和數(shù)字地分開走線，為確保模擬信號的穩(wěn)定，可用1個電感將模擬地和信號地連接于1點。模擬開關(guān)帶來的干擾采用軟件延時加以消除。

對于無線電等外界的干擾，因礦井下具有天然屏蔽環(huán)境，有利于消除此干擾。

對于井下其他無線通信的干擾，本設(shè)計工作頻段選擇在2.4～2.5 GHz世界通用的ISM頻段，與其他通信頻段進行區(qū)分避免干擾產(chǎn)生。

通信過程中，不同巷道工作的設(shè)備之間可能出現(xiàn)的誤操作，在軟件設(shè)計過程中對不同的設(shè)備進行編號，采用設(shè)備配對的原則進行設(shè)計，排除誤操作的可能性。

5 結(jié) 論

通過工業(yè)試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)的設(shè)計能很好地實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，達到了工業(yè)控制的安全性、可靠性和實時性的要求。本設(shè)計為插拔式外接模塊，便于此系統(tǒng)的推廣。我們應(yīng)正視國內(nèi)鉆孔設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀，未來的鉆井工具的發(fā)展應(yīng)積極借鑒國外先進技術(shù)的同時還應(yīng)注重技術(shù)的自主創(chuàng)新性，本項目的實施為今后的鉆車進行改進積累了經(jīng)驗。

[1] 恭明璽.地下金屬采礦技術(shù)及潛孔鉆機的進展與趨勢[J].湖南有色金屬，1998(5):5-8. Gong Mingxi.The advancement and trend of technology and DTH drill for underground metals mining[J].Hunan Nonferrous Metals，1998(5):5-8.

[2] 郭 勇,周振華.潛孔鉆機的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)快報,2008(4):13-15. Guo Yong，Zhou Zhenhua.Application actualities and development trend of down-the-hole drill[J].Express Information of Mining Industry， 2008(4):13-15.

[3] 侯天星,王鳳新.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2009,25(7):258-263. Hou Tianxing,Wang Fengxin.A wireless data transmission system based on nRF2401[J].Chinese Agricultural Science Bulletin，2009,25(7):258-263.

[4] 吳文秀,吳修得，李應(yīng)剛.基于CAN總線的液壓車裝鉆機監(jiān)控系統(tǒng)[J].石油機械，2006(9):89-91. Wu Wenxiu，Wu Xiude，Li Yinggang.Hydraulic vehicle mounted rig monitoring system based on CAN bus[J].China Petroleum Machinery， 2006(9):89-91.

[5] 饒運濤,鄒繼軍,鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003. Rao Yuntao，Zou Jijun，Zheng Yongyun.Principle and Application of the Technology of CAN Field Bus[M].Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2003.

[6] 王黎明,夏 立,邵 英,等.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版,2008. Wang Liming，Xia Li，Shao Ying，et al.Design and Application of CAN Field Bus System[M].Beijing：Electronic Industry Press,2008.

[7] 李金剛,劉永鴻.基于AT89C51型單片機的CAN總線智能節(jié)點設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2006(8)：26-29. Li Jingang，Liu Yonghong.Design of smart node in the CAN bus based on AT89C51[J].Electronic Design Engineering，2006(8):26-29.

[8] 張艷紅,來清民,王 路.基于單片機的無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)[J].河南教育學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2010(3):21-22. Zhang Yanhong,Lai Qingmin,Wang Lu.Wireless data communication system based on single chip[J].Journal of Henan Institute of Education:Natural Science Edition,2010(3):21-22.

[9] 孫 濤.基于MSP430f5438的網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)設(shè)計[D].太原:太原理工大學(xué),2012. Sun Tao.The Design of Network Terminal System Based on MSP430f5438 [D].Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2012.

(責任編輯 徐志宏)

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The Optimal Design of Control System of SIMBA H1354 DTH Drill

Wang Shixin1Miao Zhinong2Ren Xiaohua1

(1.SchoolofElectricalandInformationEngineering，XihuaUniversity,Chengdu610039,China; 2.SchoolofElectricalandInformationEngineering，PanzhihuaUniversity,Panzhihua617000,China)

The basic principles，device constitution and its application of the optimal scheme of the wireless control technology of the SIMBA H1354 DTH Drill are introduced.And a set of wireless control device and software control system with simple structure，easy maintenance，and flexible and reliable operation which is in line with our mining conditions are designed.The field performance and experiments showed that the optimized system made the realization of a reliable and efficient wireless control to the SIMBA H1354 DTH Drill.This design idea and optimized program improves the safety of the underground drilling work and the working environment.It also has important reference value to the transformation of existing DTH Drill control system.

DTH drill，Optimization，Control system，CAN bus

2013-11-22

王士鑫(1987—)，男，碩士研究生。

TD63+2.9

A

1001-1250(2014)-01-116-04