液壓鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)*

馬照慶

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司新產(chǎn)業(yè)有限公司，山西 太原 030053)

0 引 言

隨著礦井機(jī)械水平的不斷發(fā)展，煤礦開采向高深度逐漸發(fā)展，因此，瓦斯積聚是影響安全生產(chǎn)的主要因素之一。通過液壓鉆機(jī)進(jìn)行瓦斯的抽放是防止煤與瓦斯突出的主要措施。但是因?yàn)橐簤恒@機(jī)體積較大、操作復(fù)雜，使得設(shè)備故障現(xiàn)象嚴(yán)重，較長的維修時(shí)間影響了安全生產(chǎn)的進(jìn)行[1]。目前礦井鉆機(jī)多采用液壓控制方式實(shí)現(xiàn)自動化操作，但是當(dāng)煤層地質(zhì)儲存條件復(fù)雜時(shí)，因?yàn)槿藶椴僮鞑划?dāng)致使鉆機(jī)鉆孔工作較難，且鉆孔效果極差，導(dǎo)致設(shè)備工作效率差，影響了瓦斯抽放工作的順利進(jìn)行。為此，對液壓鉆機(jī)進(jìn)行監(jiān)控以及控制系統(tǒng)的研究就顯得尤為重要[2-5]。

筆者對ZDY850LK液壓鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了方案以及平臺設(shè)計(jì)，主要是解決現(xiàn)有全液壓鉆機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測過程中精度差，無法反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的問題，以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的虛擬遠(yuǎn)程監(jiān)測,減少人為操作失誤帶來的設(shè)備損壞，為安全生產(chǎn)提供重要保障。

1 煤礦全液壓鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

礦井液壓鉆機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)對液壓鉆機(jī)運(yùn)行過程中狀態(tài)的監(jiān)測，達(dá)到遠(yuǎn)程控制操作的目的，因此，液壓鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)要求：

(1) 液壓鉆機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)鉆頭鉆進(jìn)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過監(jiān)控信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控臺的控制功能。

(2) 對于鉆機(jī)運(yùn)行過程中工況參數(shù)需進(jìn)行及時(shí)采集以及顯示，通過指令可以實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)動作的控制。

(3) 監(jiān)測系統(tǒng)需具備良好的交互性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示的同時(shí)滿足可對鉆機(jī)發(fā)送控制指令，且系統(tǒng)簡單，便于工作人員操作。

鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控硬件、控制臺和監(jiān)測平臺構(gòu)成，硬件系統(tǒng)主要的作用是通過傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，通過通過下位機(jī)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至控制臺；控制臺則根據(jù)傳感器測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)動作的調(diào)控；監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)鉆機(jī)運(yùn)行過程中各參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)與平臺之間的數(shù)據(jù)傳遞，并進(jìn)行相關(guān)指令的下發(fā)。圖1為全液壓鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案原理圖。

圖1 全液壓鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案原理圖

從圖中可以看出，煤礦全液壓鉆機(jī)的工況數(shù)據(jù)通過傳感器測量傳送至下位機(jī)，通過下位機(jī)與上位機(jī)通訊將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，Quest3D編程軟件接受到數(shù)據(jù)后傳達(dá)至監(jiān)測平臺，鉆機(jī)遠(yuǎn)程操控臺通過控制指令控制PLC處理器，通過上位機(jī)至下位機(jī)，通過控制指令控制全液壓鉆機(jī)的運(yùn)行動作。

2 全液壓鉆機(jī)監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)

全液壓鉆機(jī)監(jiān)測平臺不僅需要監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，還需具備預(yù)警報(bào)警的作用，所以監(jiān)測平臺應(yīng)該包括數(shù)據(jù)參數(shù)顯示和報(bào)警預(yù)警功能。

數(shù)據(jù)參數(shù)的顯示功能主要通過軟件顯示界面實(shí)現(xiàn)，對于液壓鉆機(jī)全方位的監(jiān)測主要通過相機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)可視化。相機(jī)模塊中不同相機(jī)類型功能不同，靜態(tài)相機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)對液壓鉆機(jī)靜態(tài)位置的監(jiān)測，利用靜態(tài)相機(jī)模塊下的Motion 模塊，對相機(jī)的三維坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，可以利用通道轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)不同視角下鉆機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。朝向相機(jī)則是實(shí)現(xiàn)對液壓鉆機(jī)動態(tài)的監(jiān)測，可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行過程中的動態(tài)參數(shù)，利用朝向相機(jī)模塊中的Basic camera模板將不同通道的子模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)運(yùn)行過程中參數(shù)的監(jiān)測。

運(yùn)行參數(shù)的顯示主要依賴于GUI模塊實(shí)現(xiàn)，基于GUI模塊，用戶可根據(jù)自己的需求對不同類型的文本框進(jìn)行觀察編輯，因?yàn)楸O(jiān)測平臺主要是實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行工況的監(jiān)測，所以文本框的類型主要有靜態(tài)文本框和可編輯文本框兩種。液壓鉆機(jī)運(yùn)行壓力、液壓油流量以及壓力、鉆頭運(yùn)行速度以及角度等信息都在靜態(tài)文本框顯示，用戶可在靜態(tài)文本框進(jìn)行參數(shù)的編輯，編輯后的文本框以文檔的形式進(jìn)行存儲，通過轉(zhuǎn)化模塊在文本框中進(jìn)行顯示。

在整個(gè)檢測系統(tǒng)中，監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)都是通過數(shù)據(jù)傳感器獲得，安裝在設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳感器進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測，最后通過總線網(wǎng)絡(luò)上傳。圖2為液壓鉆機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為控制層、節(jié)點(diǎn)層和數(shù)據(jù)層三個(gè)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬于混合結(jié)構(gòu)。對于設(shè)備運(yùn)行過程中溫度、轉(zhuǎn)速、流量以及壓力等參數(shù)的采集傳送都通過CAN總線上傳，為了實(shí)現(xiàn)對液壓鉆機(jī)全方位的覆蓋，每個(gè)測點(diǎn)都布置有線路控制器，系統(tǒng)中15個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過11個(gè)線路控制器采集與傳送，11個(gè)線路控制器中2個(gè)控制器負(fù)責(zé)信號的采集，9個(gè)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN收發(fā)器和CAN總線上傳至控制層，通過控制層的FX2N-CAN模塊和USB-CAN模塊將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲傳送。

圖2 液壓鉆機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有三層，三層之間的聯(lián)系通過關(guān)鍵位置的連接、轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)連接，關(guān)鍵位置的接口如下：①數(shù)據(jù)層壓力變送器通訊接口；②數(shù)據(jù)層溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、液壓傳感器、甲烷變送器以及流量傳感器CAN收發(fā)器總線接口；③控制層FX2N-CAN模塊通訊接口；④控制層USB-CAN模塊與監(jiān)控平臺的通訊接口，USB-CAN模塊是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的重要模塊，通過上位機(jī)的硬件接口將傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控平臺的軟件中，便于監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，此外USB-CAN模塊對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)起控制的作用，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)、調(diào)度以及協(xié)調(diào)。

3 液壓鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

為評價(jià)ZDY850LK鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)良，提出虛擬鉆進(jìn)決策，原理如下：首先根據(jù)鉆場的真實(shí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型，然后在虛擬環(huán)境中設(shè)置好鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)，虛擬鉆機(jī)和真實(shí)鉆機(jī)按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)布置在鉆機(jī)上的傳感器實(shí)時(shí)的采集鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)，經(jīng)過通訊模塊進(jìn)入虛擬環(huán)境中驅(qū)動虛擬鉆機(jī)動作，顯示出鉆機(jī)的工作狀態(tài)和工作參數(shù)。通過工作狀態(tài)和工作參數(shù)判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)過程是否正常。正常時(shí)判斷屬于哪種地層條件，提醒操作人員是否根據(jù)地層條件按照上述調(diào)整原則改變相應(yīng)鉆進(jìn)參數(shù)。如果不正常判斷屬于哪種孔內(nèi)事故，根據(jù)不同事故處理方法處理孔內(nèi)事故。

在上述液壓鉆機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在礦井進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到表1所列的液壓鉆機(jī)故障分析表。

表1 液壓鉆機(jī)故障分析統(tǒng)計(jì)表

在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)檢測到液壓系統(tǒng)壓力過低故障，經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)是液壓油供給不足造成，通過及時(shí)處理，解決了問題。整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，起到了對液壓鉆機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

以往的監(jiān)控系統(tǒng)沒有良好的人機(jī)界面交互性，且監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度差，只能監(jiān)測出設(shè)備大型零件引起的故障，如回轉(zhuǎn)器故障，造成維修人員多、時(shí)間長、作業(yè)分散等特點(diǎn)，新的監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確判斷故障，通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了故障的準(zhǔn)確定位，減少了維護(hù)人員的數(shù)量，提高了故障診斷率，對全液壓鉆機(jī)自動化發(fā)展有重要意義。

4 結(jié) 語

通過煤礦ZDY850LK全液壓鉆機(jī)虛擬操控平臺的設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的虛擬遠(yuǎn)程監(jiān)測，為實(shí)現(xiàn)煤礦全液壓鉆機(jī)的“自動化”和“少人化”奠定了基礎(chǔ)。

(1) 基于數(shù)據(jù)傳感器和Quest3D編程軟件實(shí)現(xiàn)煤礦全液壓鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，在PLC處理器控制指令作用下，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行動作的控制。

(2) 液壓鉆機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有控制層、節(jié)點(diǎn)層和數(shù)據(jù)層，通過線路控制器實(shí)現(xiàn)各層之間數(shù)據(jù)的傳遞。

(3) 現(xiàn)場應(yīng)用證明液壓鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，起到實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警的功能。