導語：礦用錨桿鉆車鉆孔監控系統設計研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：針對CMM2-12型礦用錨桿鉆車鉆孔過程中缺少監控情況，在已有的技術基礎上，通過對鉆孔監控系統進行硬件選型和軟件開發設計了一套可視化錨桿鉆車鉆孔監控系統，最后經仿真模擬運行后，監控系統能夠實時監控鉆孔運行狀態。本次設計有利于提高鉆具的安全性能，降低操作人員的工作強度，提高鉆孔質量，進而提升鉆孔工作效率。

關鍵詞：錨桿鉆車；鉆孔；監控；PLC

液壓錨桿鉆車作為煤礦開采中關鍵設備之一，是一種優良的打孔設備，主要應用在巷道回采工作面頂板鉆孔和支護作業。傳統的鉆孔設備自動化程度不高，由于操作人員技術熟練程度的不同往往導致嚴重的“超挖”或“欠挖”情況，對工程項目的質量和效率都會產生不利影響。因此設計一套可視化監控系統實現精確監控鉆孔深度、傾斜角度和速度等功能，減少錨桿鉆車鉆孔過程的超挖與欠挖，在提高鉆孔質量和鉆孔過程中的設備安全性，降低工作人員勞動強度等方面具有重要的意義。

1監控系統總體設計

通過對CMM2-12型礦用錨桿鉆車鉆孔的工作原理進行分析，利用PLC的控制功能，提出了一種基于PLC的自動監控鉆孔過程中的方案，在鉆孔過程中對鉆孔的狀態實時監控并由人機交互界面顯示，顯示的界面方便操作人員對鉆孔運行狀況監控，監控系統設計框圖，如圖1所示。在監控系統設計整體方案中，監測模塊所監測的數據傳輸給PLC，PLC的數據與觸摸屏進行互相傳輸。觸摸屏與PLC之間的通信，需要通過RS485通信接口連接起來，通過觸摸屏的設置實現PLC對執行模塊的控制。

2監控系統硬件設計

錨桿鉆車鉆孔監控硬件系統主要包括監測傳感器、PLC和觸摸屏3部分。觸摸屏作為上位機主要用來對整個監控系統的人機界面進行處理和顯示，傳感器用來接收和傳輸所采集的數據信息并輸入給PLC，PLC作為下位機實時監測傳感器輸入的數據并控制執行器輸出，硬件結構框圖如圖2所示。（1）PLC介紹及選型PLC作為鉆孔監控系統的核心部件，其選型對整個監控系統十分重要。在監控系統中，有鉆進控制、鉆孔深度監測、油壓監控、實時曲線顯示、故障報警等。PLC發出相關的執行命令，需使每個執行器按照編寫好的程序進行動作，經過對比選型，同時根據錨桿鉆車的實際應用工作條件，本次設計選用西門子S7-200SmartPLC，其具有4個優點：①工作可靠性高，抗震性和抗電磁干擾能力好；②實時通信能力強；③擴展模塊豐富實用，單體I/O點數最多有60點；④采用STEP7-Micro/WINSMART配套編程軟件更簡便化，包含各類指令集。（2）主要傳感器的選取整個鉆孔硬件安裝主要包括監測模塊，執行模塊和觸摸屏，監測模塊負責采集錨桿鉆車在鉆孔過程中的信息，并把處理得到的數據傳輸給PLC。根據上述設計要求對監控系統的傳感器選取，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不能單獨與操作人員進行人機交互，需要借助屏幕將測量的數據實時顯示出并接受操作人員對設備的控制信息。經過選型使用昆侖通態科技公司的TPC7062TD型號觸摸屏作為系統主要的顯示終端，操作人員用手指即可對控制面板進行操作，無需物理按鍵，并適合用于錨桿鉆機惡劣施工環境中。同時該觸摸屏配套組態軟件內置的操作和管理功能，可供設計人員簡單并有效的進行界面組態，應用于多種自動化解決方案之中。

3監控系統的軟件設計

（1）PLCI/O點分配在整個鉆孔監控系統設計之中，旋轉編碼器、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接口進行分配。其中鉆孔監控系統部分I/O點的分配清單如表2所示。（2）主要鉆進參數監測方法本次設計計算鉆車鉆孔速度和深度的方法：將錨桿鉆車鉆孔動力頭的滑動位移轉換為滑輪軸上的角位移，在滑輪上固定有大齒輪，實現與滑輪同步轉動，大齒輪嚙合小齒輪轉動，小齒輪與旋轉編碼器連接在一起，帶動旋轉編碼器的輸入軸轉動。當進行鉆孔作業時，根據測量旋轉編碼器的轉動角度，可計算出動力頭的位移，即鉆孔的深度。PLC通過讀取旋轉編碼器的PWM信號計算單位時間脈沖信號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;z2———小齒輪齒數;D———滑輪公稱直徑，m;θ———編碼器的旋轉角度，（°）。鉆孔速度v=ΔNL/Δt（2）式中Δt———時間間隔，s；ΔN———編碼器在時間Δt內轉過的光柵數；L———單位時間內動力頭的位移量，m。（3）PLC程序設計PLC程序設計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設置一些基本參數，使得各個部件處于能夠正常運行狀態。如程序第1次運行的過程中，編碼器初始的角度與之前儲存的數據相同，需要對PLC中存儲的角度初始化。控制程序為錨桿鉆車在鉆孔中需要運行的主程序，主程序中鉆孔壓力監測程序總體流程圖，如圖3所示。鉆孔監控系統在實際運行過程中，當鉆頭在巖石中負載過高時，鉆頭超過額定承受工作力，會導致鉆頭損壞，通過安裝壓力傳感器，若鉆壓超過設定值或某鉆頭部件發生故障導致輸送油液壓力過大時，PLC將發出報警信號，系統則中斷工作，待工作人員采取措施解決故障后監控系統恢復正常。設計的壓力報警程序如圖4所示，PLC對傳感器輸入的模擬量數據讀取后在程序中進行數據轉換，在數據比較器中，VD2000寄存的數據與預設的數據進行對比。若傳輸數據大于數據比較器的設定值，則會觸發線圈進行報警。

4監控系統模擬仿真

為實時監控錨桿鉆車鉆孔的運行狀態，設計鉆孔監控界面窗口并仿真模擬運行，如圖5所示。其劃分為4個區域：運行狀態顯示、實時數據值、控制菜單和實時鉆孔壓力曲線變化圖。運行狀態顯示部分實時顯示當前的運行狀態。實時數據值顯示各個傳感器所測的數據，其數據通過PLC的模擬量程序轉換而來。當監控界面實時數據值超過設定閾值時，PLC會下發報警指令。在控制菜單部分設計了工作模式切換、鉆孔推進/后退和急停用戶操控按鈕，方便操作人員作業，曲線表格實現鉆孔實時壓力的變化演示。

5結語

通過對CMM2-12型礦用錨桿鉆車進行改進，根據鉆孔控制需求對系統的硬件選型和程序開發，使用MCGS7.7軟件進行人機界面設計。使傳感器所測的數據實時在組態界面中顯示并實現鉆孔過程實時監控、參數匹配和超限報警功能。該設計方便操作人員對錨桿鉆車鉆孔運行狀況實時監控，保證鉆孔的質量，提高設備的鉆孔性能，為其他鉆孔設備提供參考，具有廣闊的實際工程應用前景。

參考文獻：

［1］張宏林.基于PLC的鑿巖鉆車控制系統的研究與開發［D］.蘭州：蘭州理工大學,2009.

［2］吳志強.JGZ型管棚鉆機超前地質預報系統研究［D］.長沙：中南大學,2013.

［3］徐輝東,劉寧,潘銳,等.硬巖巷道快速掘進設備及施工關鍵技術研究［J］.煤炭技術,2021,40(5):1-3.

［4］凌超,梁波,張揚帆,等.新型鉆爆法開挖多功能作業臺車設計初探［J］.煤炭技術,2017,36(8):242-244.

［5］荊建寬.鑿巖機巖石鉆進試驗裝置的設計［J］.煤礦機械,2018,39(11):96-97.

［6］石智軍,李泉新,姚克.煤礦井下智能化定向鉆探發展路徑與關鍵技術分析［J］.煤炭學報,2020,45(6):2217-2224.

［7］李文斌.MQT系列錨桿鉆機試驗裝置設計與研制［J］.煤炭技術,2015,34(8):256-258.

作者：賈琛 單位：應急管理部機關服務中心