矿用锚杆钻车钻孔监控系统设计研究

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摘要：针对CMM2-12型矿用锚杆钻车钻孔过程中缺少监控情况，在已有的技术基础上，通过对钻孔监控系统进行硬件选型和软件开发设计了一套可视化锚杆钻车钻孔监控系统，最后经仿真模拟运行后，监控系统能够实时监控钻孔运行状态。本次设计有利于提高钻具的安全性能，降低操作人员的工作强度，提高钻孔质量，进而提升钻孔工作效率。

关键词：锚杆钻车；钻孔；监控；PLC

液压锚杆钻车作为煤矿开采中关键设备之一，是一种优良的打孔设备，主要应用在巷道回采工作面顶板钻孔和支护作业。传统的钻孔设备自动化程度不高，由于操作人员技术熟练程度的不同往往导致严重的“超挖”或“欠挖”情况，对工程项目的质量和效率都会产生不利影响。因此设计一套可视化监控系统实现精确监控钻孔深度、倾斜角度和速度等功能，减少锚杆钻车钻孔过程的超挖与欠挖，在提高钻孔质量和钻孔过程中的设备安全性，降低工作人员劳动强度等方面具有重要的意义。

1监控系统总体设计

通过对CMM2-12型矿用锚杆钻车钻孔的工作原理进行分析，利用PLC的控制功能，提出了一种基于PLC的自动监控钻孔过程中的方案，在钻孔过程中对钻孔的状态实时监控并由人机交互界面显示，显示的界面方便操作人员对钻孔运行状况监控，监控系统设计框图，如图1所示。在监控系统设计整体方案中，监测模块所监测的数据传输给PLC，PLC的数据与触摸屏进行互相传输。触摸屏与PLC之间的通信，需要通过RS485通信接口连接起来，通过触摸屏的设置实现PLC对执行模块的控制。

2监控系统硬件设计

锚杆钻车钻孔监控硬件系统主要包括监测传感器、PLC和触摸屏3部分。触摸屏作为上位机主要用来对整个监控系统的人机界面进行处理和显示，传感器用来接收和传输所采集的数据信息并输入给PLC，PLC作为下位机实时监测传感器输入的数据并控制执行器输出，硬件结构框图如图2所示。（1）PLC介绍及选型PLC作为钻孔监控系统的核心部件，其选型对整个监控系统十分重要。在监控系统中，有钻进控制、钻孔深度监测、油压监控、实时曲线显示、故障报警等。PLC发出相关的执行命令，需使每个执行器按照编写好的程序进行动作，经过对比选型，同时根据锚杆钻车的实际应用工作条件，本次设计选用西门子S7-200SmartPLC，其具有4个优点：①工作可靠性高，抗震性和抗电磁干扰能力好；②实时通信能力强；③扩展模块丰富实用，单体I/O点数最多有60点；④采用STEP7-Micro/WINSMART配套编程软件更简便化，包含各类指令集。（2）主要传感器的选取整个钻孔硬件安装主要包括监测模块，执行模块和触摸屏，监测模块负责采集锚杆钻车在钻孔过程中的信息，并把处理得到的数据传输给PLC。根据上述设计要求对监控系统的传感器选取，主要传感器选型如表1所示。表1传感器选型表（3）触摸屏介绍由于PLC不能单独与操作人员进行人机交互，需要借助屏幕将测量的数据实时显示出并接受操作人员对设备的控制信息。经过选型使用昆仑通态科技公司的TPC7062TD型号触摸屏作为系统主要的显示终端，操作人员用手指即可对控制面板进行操作，无需物理按键，并适合用于锚杆钻机恶劣施工环境中。同时该触摸屏配套组态软件内置的操作和管理功能，可供设计人员简单并有效的进行界面组态，应用于多种自动化解决方案之中。

3监控系统的软件设计

（1）PLCI/O点分配在整个钻孔监控系统设计之中，旋转编码器、压力传感器、电磁阀、触摸屏等都是作为输入输出装置连接在PLC输入输出口处，将传感器的I/O接口进行分配。其中钻孔监控系统部分I/O点的分配清单如表2所示。（2）主要钻进参数监测方法本次设计计算钻车钻孔速度和深度的方法：将锚杆钻车钻孔动力头的滑动位移转换为滑轮轴上的角位移，在滑轮上固定有大齿轮，实现与滑轮同步转动，大齿轮啮合小齿轮转动，小齿轮与旋转编码器连接在一起，带动旋转编码器的输入轴转动。当进行钻孔作业时，根据测量旋转编码器的转动角度，可计算出动力头的位移，即钻孔的深度。PLC通过读取旋转编码器的PWM信号计算单位时间脉冲信号的量即可得出钻孔速度。钻孔深度H=πDz2θ/（360z1）（1）式中z1———大齿轮齿数;z2———小齿轮齿数;D———滑轮公称直径，m;θ———编码器的旋转角度，（°）。钻孔速度v=ΔNL/Δt（2）式中Δt———时间间隔，s；ΔN———编码器在时间Δt内转过的光栅数；L———单位时间内动力头的位移量，m。（3）PLC程序设计PLC程序设计主要分为初始化程序、控制程序，其中初始化程序主要为系统设置一些基本参数，使得各个部件处于能够正常运行状态。如程序第1次运行的过程中，编码器初始的角度与之前储存的数据相同，需要对PLC中存储的角度初始化。控制程序为锚杆钻车在钻孔中需要运行的主程序，主程序中钻孔压力监测程序总体流程图，如图3所示。钻孔监控系统在实际运行过程中，当钻头在岩石中负载过高时，钻头超过额定承受工作力，会导致钻头损坏，通过安装压力传感器，若钻压超过设定值或某钻头部件发生故障导致输送油液压力过大时，PLC将发出报警信号，系统则中断工作，待工作人员采取措施解决故障后监控系统恢复正常。设计的压力报警程序如图4所示，PLC对传感器输入的模拟量数据读取后在程序中进行数据转换，在数据比较器中，VD2000寄存的数据与预设的数据进行对比。若传输数据大于数据比较器的设定值，则会触发线圈进行报警。

4监控系统模拟仿真

为实时监控锚杆钻车钻孔的运行状态，设计钻孔监控界面窗口并仿真模拟运行，如图5所示。其划分为4个区域：运行状态显示、实时数据值、控制菜单和实时钻孔压力曲线变化图。运行状态显示部分实时显示当前的运行状态。实时数据值显示各个传感器所测的数据，其数据通过PLC的模拟量程序转换而来。当监控界面实时数据值超过设定阈值时，PLC会下发报警指令。在控制菜单部分设计了工作模式切换、钻孔推进/后退和急停用户操控按钮，方便操作人员作业，曲线表格实现钻孔实时压力的变化演示。

5结语

通过对CMM2-12型矿用锚杆钻车进行改进，根据钻孔控制需求对系统的硬件选型和程序开发，使用MCGS7.7软件进行人机界面设计。使传感器所测的数据实时在组态界面中显示并实现钻孔过程实时监控、参数匹配和超限报警功能。该设计方便操作人员对锚杆钻车钻孔运行状况实时监控，保证钻孔的质量，提高设备的钻孔性能，为其他钻孔设备提供参考，具有广阔的实际工程应用前景。

参考文献：

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作者：贾琛 单位：应急管理部机关服务中心