KY-200B牙輪鉆機遠程控制升級改造

陳 愷，黃紹威

（酒鋼集團甘肅西溝礦業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

國土資源部發(fā)布的《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020）》，明確提出了在未來5年要大力推進礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新，加快建設(shè)數(shù)字化、智能化、信息化、自動化礦山。通過多年的努力，西溝礦完成多項自動化改造，為適應數(shù)字化智能礦山需要，對牙輪鉆機進行多項基礎(chǔ)改造，并與5G信息技術(shù)相結(jié)合，完成鉆機遠程控制作業(yè)。

1 遠程控制鉆機作業(yè)的意義

傳統(tǒng)的鉆機作業(yè)流程為爆破技術(shù)人員在爆破區(qū)域人工測量，臺階坡頂線、坡底線測量后進行現(xiàn)場布孔，鉆機按現(xiàn)場布孔進行穿孔，測量過程安全風險大、誤差大，臺階坡面無法精確測量，測量精度不高等問題，影響爆破效果。西溝礦通過不斷引進先進的技術(shù)，通過三維激光掃描儀對臺階進行三維成像后，爆破技術(shù)人員通過數(shù)據(jù)平臺使用軟件對爆破區(qū)域進行布控設(shè)計，上傳數(shù)據(jù)后，鉆機數(shù)據(jù)終端接收數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)完成炮孔定位工作，鉆機通過精準定位、孔深實施測量，完成遠程穿孔作業(yè)。如圖1所示。

圖1 鉆機定位示意圖

西溝礦鉆機使用的KY-200B牙輪鉆機，為完成遠程控制作業(yè)需要對鉆機進行改造，主要對鉆機增加精準定位系統(tǒng)、孔深測量系統(tǒng)、自動接卸桿系統(tǒng)及電纜卷纜系統(tǒng)。

2 鉆機改造

2.1 高精度定位系統(tǒng)改造

系統(tǒng)由車載終端（包含天線、定位主機）向CORS基站（礦山現(xiàn)在已具備，現(xiàn)有定位精度需達到厘米級）獲取衛(wèi)星定位原始數(shù)據(jù)和RTK修正數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)設(shè)備自身的高精度準確定位。

由于鉆機作業(yè)過程中，振動比較大，車載終端如置于鉆架頂端，極易損壞。方案擬采用間接測量方案，將車載終端置于駕駛內(nèi)，如圖1鉆機定位示意圖所示，使用雙天線定位方案，由車載GPS終端獲取天線A點坐標（x0,y0）,天線B點坐標（x1,y1），則可確定鉆桿中心C點坐標為：

高精度定位系統(tǒng)實現(xiàn)由車載雙天線GPS終端模塊獲取駕駛室兩參考固定點坐標信息，并將信息傳送至車載控制處理器，車載控制處理器根據(jù)鉆孔中心與參考坐標點之間三角位置關(guān)系計算得出鉆孔中心坐標點，并將信息傳送至西溝礦數(shù)據(jù)中心。

2.2 鉆深測量系統(tǒng)及自動接卸桿改造

KY-200B牙輪鉆為低鉆架鉆機，鉆桿分主副桿，鉆機穿孔過程中需要接副桿完成穿孔作業(yè)，如圖2所示，為實現(xiàn)自動接卸桿而增加的鉆桿固定液壓系統(tǒng)，此系統(tǒng)可準確的將副桿對正并通過程序完成接卸桿作業(yè)。如圖3所示，為穿孔過程中孔深測量邏輯順序圖。

圖2 自動扶桿器

圖3 穿孔邏輯示意圖

系統(tǒng)由衛(wèi)星高程定位+鉆架位移測量定位融合計算得出孔底的絕對深度位置，孔底深度絕對誤差可控制在10cm以內(nèi)，有效減小爆破后形成的根底不平度。

當鉆進平臺水平傳感器檢測到機架立起后，鉆進深度測量系統(tǒng)開始進行孔深測量，車載控制器根據(jù)鉆架位移傳感器、鉆桿庫儲桿檢測傳感器采集信息，綜合高精度定位系統(tǒng)的高程信息，計算得出孔深及孔底絕對高程，并將孔深信息傳送至車載無線顯示屏。當檢測到有一根儲桿，且動力頭拉到機架頂端（拉頂位置可設(shè)置），本次孔深測量結(jié)束，預備進入下一次孔深測量。鉆架位移測量采用非接觸式磁致伸縮位移傳感器，傳感器本體采用柔性本體，外用不銹鋼護管，磁環(huán)采用安裝座嵌入與減速箱滑架一起運動，磁環(huán)與傳感器本體間有間隙可適應鉆進過程中鉆架的震動。

2.3 遠程操控作業(yè)

在牙輪鉆機設(shè)備上電氣系統(tǒng)改造，完成對牙輪鉆機的基本控制，通過邏輯關(guān)系的判斷實現(xiàn)遙控作業(yè)與現(xiàn)場作業(yè)的切換。工業(yè)PC作為牙輪鉆的控制中心，實現(xiàn)信息與指揮中心的實時交互、牙輪鉆的自動化控制。PLC作為現(xiàn)場設(shè)備信息采集與控制的核心，實現(xiàn)與PC的信息交換，控制執(zhí)行元器件完成牙輪鉆工作功能控制。如：停送電、行車、鉆孔、換桿、儀表采集、電機控制等。如圖4所示。

圖4 基本控單元示意圖

在牙輪鉆機設(shè)各上加裝傳感器,采集包括設(shè)各四周視頻信息、設(shè)各實施作業(yè)參數(shù)信息(壓力、電流、電壓、位移、深度、水溫、油溫等)、設(shè)備位置及姿態(tài)等信息(坐標、角度、方位);原有電氣系統(tǒng)基礎(chǔ)上將所有控制信號引入車載ECU輸出控制。牙輪鉆機遠程智能化操作系統(tǒng)通過邏輯關(guān)系的判斷實現(xiàn)遙控駕與現(xiàn)場駕駛的切換。車載工控機作為牙輪鉆的控制中心,實現(xiàn)信息與指揮中心的實時交互、牙輪鉆的自動化控制;液壓系統(tǒng)、氣、水系統(tǒng)及接卸桿、定位等。

3 結(jié)論

甘肅西溝礦業(yè)有限公司順應時代發(fā)展潮流，抓住第四次工業(yè)革命的契機，率先完成了傳統(tǒng)的牙輪鉆機向遠程控制鉆機作業(yè)改造，鉆機改造完成后，運行良好，為數(shù)字化智慧礦山奠定了硬件基礎(chǔ)。牙輪鉆遠程控制升級改造是基于智能礦山三維可視化管控平臺下進行布控設(shè)計，采用數(shù)據(jù)終端及衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)精準定位及遠程控制穿孔，其技術(shù)難點主要為牙輪鉆的精準定位、鉆桿的自動接卸及遠程控制操控?；诘V山已建CORS測量系統(tǒng)實現(xiàn)三維坐標的精準測量，利用構(gòu)建的三維可視化管控平臺進行精準定位；同時通過增加鉆桿固定液壓系統(tǒng)可準確對正副桿，為自動接卸桿創(chuàng)在有利條件；最后，對設(shè)備進行電氣系統(tǒng)改造，工業(yè)PC作為牙輪鉆的控制中心，實現(xiàn)信息與指揮中心的實時交互、牙輪鉆的自動化控制，PLC作為現(xiàn)場設(shè)備信息采集與控制的核心，實現(xiàn)與PC的信息交換，控制執(zhí)行元器件完成牙輪鉆工作功能控制。