導(dǎo)語(yǔ)：礦用錨桿鉆車(chē)鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：針對(duì)CMM2-12型礦用錨桿鉆車(chē)鉆孔過(guò)程中缺少監(jiān)控情況，在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行硬件選型和軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套可視化錨桿鉆車(chē)鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)，最后經(jīng)仿真模擬運(yùn)行后，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控鉆孔運(yùn)行狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)有利于提高鉆具的安全性能，降低操作人員的工作強(qiáng)度，提高鉆孔質(zhì)量，進(jìn)而提升鉆孔工作效率。

關(guān)鍵詞：錨桿鉆車(chē)；鉆孔；監(jiān)控；PLC

液壓錨桿鉆車(chē)作為煤礦開(kāi)采中關(guān)鍵設(shè)備之一，是一種優(yōu)良的打孔設(shè)備，主要應(yīng)用在巷道回采工作面頂板鉆孔和支護(hù)作業(yè)。傳統(tǒng)的鉆孔設(shè)備自動(dòng)化程度不高，由于操作人員技術(shù)熟練程度的不同往往導(dǎo)致嚴(yán)重的“超挖”或“欠挖”情況，對(duì)工程項(xiàng)目的質(zhì)量和效率都會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此設(shè)計(jì)一套可視化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)控鉆孔深度、傾斜角度和速度等功能，減少錨桿鉆車(chē)鉆孔過(guò)程的超挖與欠挖，在提高鉆孔質(zhì)量和鉆孔過(guò)程中的設(shè)備安全性，降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度等方面具有重要的意義。

1監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)CMM2-12型礦用錨桿鉆車(chē)鉆孔的工作原理進(jìn)行分析，利用PLC的控制功能，提出了一種基于PLC的自動(dòng)監(jiān)控鉆孔過(guò)程中的方案，在鉆孔過(guò)程中對(duì)鉆孔的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控并由人機(jī)交互界面顯示，顯示的界面方便操作人員對(duì)鉆孔運(yùn)行狀況監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體方案中，監(jiān)測(cè)模塊所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸給PLC，PLC的數(shù)據(jù)與觸摸屏進(jìn)行互相傳輸。觸摸屏與PLC之間的通信，需要通過(guò)RS485通信接口連接起來(lái)，通過(guò)觸摸屏的設(shè)置實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)執(zhí)行模塊的控制。

2監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

錨桿鉆車(chē)鉆孔監(jiān)控硬件系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)傳感器、PLC和觸摸屏3部分。觸摸屏作為上位機(jī)主要用來(lái)對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面進(jìn)行處理和顯示，傳感器用來(lái)接收和傳輸所采集的數(shù)據(jù)信息并輸入給PLC，PLC作為下位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器輸入的數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行器輸出，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。（1）PLC介紹及選型PLC作為鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，其選型對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)十分重要。在監(jiān)控系統(tǒng)中，有鉆進(jìn)控制、鉆孔深度監(jiān)測(cè)、油壓監(jiān)控、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示、故障報(bào)警等。PLC發(fā)出相關(guān)的執(zhí)行命令，需使每個(gè)執(zhí)行器按照編寫(xiě)好的程序進(jìn)行動(dòng)作，經(jīng)過(guò)對(duì)比選型，同時(shí)根據(jù)錨桿鉆車(chē)的實(shí)際應(yīng)用工作條件，本次設(shè)計(jì)選用西門(mén)子S7-200SmartPLC，其具有4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①工作可靠性高，抗震性和抗電磁干擾能力好；②實(shí)時(shí)通信能力強(qiáng)；③擴(kuò)展模塊豐富實(shí)用，單體I/O點(diǎn)數(shù)最多有60點(diǎn)；④采用STEP7-Micro/WINSMART配套編程軟件更簡(jiǎn)便化，包含各類(lèi)指令集。（2）主要傳感器的選取整個(gè)鉆孔硬件安裝主要包括監(jiān)測(cè)模塊，執(zhí)行模塊和觸摸屏，監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集錨桿鉆車(chē)在鉆孔過(guò)程中的信息，并把處理得到的數(shù)據(jù)傳輸給PLC。根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器選取，主要傳感器選型如表1所示。表1傳感器選型表（3）觸摸屏介紹由于PLC不能單獨(dú)與操作人員進(jìn)行人機(jī)交互，需要借助屏幕將測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出并接受操作人員對(duì)設(shè)備的控制信息。經(jīng)過(guò)選型使用昆侖通態(tài)科技公司的TPC7062TD型號(hào)觸摸屏作為系統(tǒng)主要的顯示終端，操作人員用手指即可對(duì)控制面板進(jìn)行操作，無(wú)需物理按鍵，并適合用于錨桿鉆機(jī)惡劣施工環(huán)境中。同時(shí)該觸摸屏配套組態(tài)軟件內(nèi)置的操作和管理功能，可供設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)單并有效的進(jìn)行界面組態(tài)，應(yīng)用于多種自動(dòng)化解決方案之中。

3監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（1）PLCI/O點(diǎn)分配在整個(gè)鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，旋轉(zhuǎn)編碼器、壓力傳感器、電磁閥、觸摸屏等都是作為輸入輸出裝置連接在PLC輸入輸出口處，將傳感器的I/O接口進(jìn)行分配。其中鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)部分I/O點(diǎn)的分配清單如表2所示。（2）主要鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)方法本次設(shè)計(jì)計(jì)算鉆車(chē)鉆孔速度和深度的方法：將錨桿鉆車(chē)鉆孔動(dòng)力頭的滑動(dòng)位移轉(zhuǎn)換為滑輪軸上的角位移，在滑輪上固定有大齒輪，實(shí)現(xiàn)與滑輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪嚙合小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪與旋轉(zhuǎn)編碼器連接在一起，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，根據(jù)測(cè)量旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可計(jì)算出動(dòng)力頭的位移，即鉆孔的深度。PLC通過(guò)讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的PWM信號(hào)計(jì)算單位時(shí)間脈沖信號(hào)的量即可得出鉆孔速度。鉆孔深度H=πDz2θ/（360z1）（1）式中z1———大齒輪齒數(shù);z2———小齒輪齒數(shù);D———滑輪公稱(chēng)直徑，m;θ———編碼器的旋轉(zhuǎn)角度，（°）。鉆孔速度v=ΔNL/Δt（2）式中Δt———時(shí)間間隔，s；ΔN———編碼器在時(shí)間Δt內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的光柵數(shù)；L———單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)力頭的位移量，m。（3）PLC程序設(shè)計(jì)PLC程序設(shè)計(jì)主要分為初始化程序、控制程序，其中初始化程序主要為系統(tǒng)設(shè)置一些基本參數(shù)，使得各個(gè)部件處于能夠正常運(yùn)行狀態(tài)。如程序第1次運(yùn)行的過(guò)程中，編碼器初始的角度與之前儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)相同，需要對(duì)PLC中存儲(chǔ)的角度初始化?？刂瞥绦?yàn)殄^桿鉆車(chē)在鉆孔中需要運(yùn)行的主程序，主程序中鉆孔壓力監(jiān)測(cè)程序總體流程圖，如圖3所示。鉆孔監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)鉆頭在巖石中負(fù)載過(guò)高時(shí)，鉆頭超過(guò)額定承受工作力，會(huì)導(dǎo)致鉆頭損壞，通過(guò)安裝壓力傳感器，若鉆壓超過(guò)設(shè)定值或某鉆頭部件發(fā)生故障導(dǎo)致輸送油液壓力過(guò)大時(shí)，PLC將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)則中斷工作，待工作人員采取措施解決故障后監(jiān)控系統(tǒng)恢復(fù)正常。設(shè)計(jì)的壓力報(bào)警程序如圖4所示，PLC對(duì)傳感器輸入的模擬量數(shù)據(jù)讀取后在程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)比較器中，VD2000寄存的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。若傳輸數(shù)據(jù)大于數(shù)據(jù)比較器的設(shè)定值，則會(huì)觸發(fā)線(xiàn)圈進(jìn)行報(bào)警。

4監(jiān)控系統(tǒng)模擬仿真

為實(shí)時(shí)監(jiān)控錨桿鉆車(chē)鉆孔的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)鉆孔監(jiān)控界面窗口并仿真模擬運(yùn)行，如圖5所示。其劃分為4個(gè)區(qū)域：運(yùn)行狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值、控制菜單和實(shí)時(shí)鉆孔壓力曲線(xiàn)變化圖。運(yùn)行狀態(tài)顯示部分實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值顯示各個(gè)傳感器所測(cè)的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)通過(guò)PLC的模擬量程序轉(zhuǎn)換而來(lái)。當(dāng)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，PLC會(huì)下發(fā)報(bào)警指令。在控制菜單部分設(shè)計(jì)了工作模式切換、鉆孔推進(jìn)/后退和急停用戶(hù)操控按鈕，方便操作人員作業(yè)，曲線(xiàn)表格實(shí)現(xiàn)鉆孔實(shí)時(shí)壓力的變化演示。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CMM2-12型礦用錨桿鉆車(chē)進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)鉆孔控制需求對(duì)系統(tǒng)的硬件選型和程序開(kāi)發(fā)，使用MCGS7.7軟件進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)。使傳感器所測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在組態(tài)界面中顯示并實(shí)現(xiàn)鉆孔過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、參數(shù)匹配和超限報(bào)警功能。該設(shè)計(jì)方便操作人員對(duì)錨桿鉆車(chē)鉆孔運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證鉆孔的質(zhì)量，提高設(shè)備的鉆孔性能，為其他鉆孔設(shè)備提供參考，具有廣闊的實(shí)際工程應(yīng)用前景。

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作者：賈琛 單位：應(yīng)急管理部機(jī)關(guān)服務(wù)中心