ZZJ127A煤矿定向钻机参数监测系统

第!卷第!期#$%年!月&’()*+,-./’01,-)23/04!56/7!1’+89$%随着技术与装备的进步，煤矿近水平定向钻进技术与装备已经被越来越多的应用到矿区的瓦斯抽采、水害防治与地质异常体探查等钻孔施工。随着采煤效率的提高和可采深度的增加，各种钻探施工难度逐渐加大，为满足超长距离定向钻孔需要，中煤科工集团西安研究院结合国家油气专项的科研攻关内容，提出采用复合定向钻进工艺方法施工本煤层超长距离定向钻孔的技术方案:$;。该技术不同于传统滑动定向钻进技术，钻头在马达和钻具共同驱动的复合回转运动中实现破岩钻进的目的。因为复合定向钻进技术具有钻进效率高、钻进阻力小、有利于超长钻孔施工的显著特点，逐渐成为煤矿井下钻孔施工新的发展方向:8;。复合定向钻进施工过程中，对转速、转矩、钻速、钻压和泵量等关键钻进参数具有很高的要求，如能实现参数监测和分析，对于研究复合定向钻进工艺技术具有非常重要的作用:;。然而，由于受煤矿安全要求和井下恶劣作业环境的限制，严重制约了煤矿坑道定向钻机向电控方向的发展，目前主要采用全液压驱动方式，各种钻进参数只能通过液压仪表进行显示，且无法实时存储，钻进参数监测方面的应用非常有限:=!;。因此，结合深孔复合定向钻进施工需要，研制一款煤矿定向钻机参数监测系统显得十分必要，同时对于提高定向钻机的整体技术和应用水平，减少孔内事故的发生将具有十分显著的作用。$!#$%&’()煤矿定向钻机参数监测系统主要用于配套大功率定向钻机施工过程中钻进参数的实时监测和后台数据集中存储，从而研究复合定向钻进工艺对于成孔效率和成孔质量的影响规律。系统需要监测的各种钻进参数可以通过与钻机配接的外置传感器实现实时采集，包括回转转速、回转转矩、给进速度、给进压力、油液高度、油液温度、水泵压力等，经过信?@ABC94$=DEF7G-H,7IH’J789C%79!79=ZZJ127*A+,-./01234567方鹏，姚克，王松（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安!##!!）摘要：研制了基于通用型$%&控制器为核心的’’()!（*）煤矿定向钻机参数监测系统。结合所配套定向钻机功能复杂、布局紧凑和安装空间受限的实际问题，重点介绍了参数监测系统的关键元件选型设计、防爆结构设计、系统硬件设计、系统软件设计等关键技术。通过性能测试表明，该参数监测系统性能稳定，能准确监测钻机运行的各种钻进参数，各项指标达到设计要求。关键词：定向钻机；参数监测；复合定向钻进；测量系统；传感器中图分类号：K?+!,文献标志码：L文章编号：C99=%MN（89$%）9!9$=9=!#$%&%#’()*&(#*)+,-.&%$/(#0012345678*#%9&*():8#*::*)+;*+*)(:’*)%OP6QR)-STUP@V)TWP6Q&/-S（!#$%!&%’()*$&’&+,-.$+#$))/#$+0/&123#’%$4)5)%/*6$57#717)83#’%$D$99DDT9#$%）6=. &KX)Y’Z’I)*)ZI/-,*/Z,-S2+2*)I(/Z[,Z)G*,/-’0[Z,00,-SZ,S,-G/’0I,-)\’2)[/-]-,^)Z2’0R_.G/-*Z/00)Z‘’2[)^)0/Y)[\’2)[/-*X)[)2,S-,[)’2/(]-,^)Z2’0,*+T)a*)-2,\,0,*+’-[I/[]0’Z,*+7./I\,-)[‘,*X*X)YZ’G*,G’0YZ/\0)I2/(*X)I’*GX,-S[,Z)G*,/-’0[Z,00,-SZ,ST2]GX’2G/IY0)a(]-G*,/-TG/IY’G*0’+/]*’-[0,I,*)[,-2*’00’*,/-2Y’G)T*X)H)+*)GX-/0/S,)2,-*X)Y’Z’I)*)ZI/-,*/Z,-S2+2*)I’Z),-*Z/[]G)[T,-G0][,-SH)+G/IY/-)-*22)0)G*,/-[)2,S-T)aY0/2,/-YZ//(2*Z]G*]Z)[)2,S-T2+2*)IX’Z[‘’Z)[)2,S-T2+2*)I2/(*‘’Z)[)2,S-7KX)Y)Z(/ZI’-G)*)2*2X/‘2*X’**X)Y’Z’I)*)ZI/-,*/Z,-S2+2*)IX’22*’\0)Y)Z(/ZI’-G)T’00H,-[2/([Z,00,-SY’Z’I)*)Z2/(*X)[Z,00,-SZ,SG’-\)’GG]Z’*)0+I/-,*/Z)[T’-[*X)*)GX-,G’02Y)G,(,G’*,/-2I))**X)[)2,S-Z)J],Z)I)-*27?%-@(#A.[,Z)G*,/-’0[Z,00,-SZ,SbY’Z’I)*)ZI/-,*/Z,-SbG/IY/]-[[,Z)G*,/-’0[Z,00,-SbI)’2]Z)I)-*2+2*)Ib2)-2/Z89:;国家科技重大专项资助项目（2016ZX05045－003）；国家自然科学基金资助项目（51774320)C=!!!#$%&’$%()*+&,-第%&卷第%期+&,-年%月.)/01*23456(7389图+采集器外接引入接口布置图图,参数监测系统组成原理号隔离、数据处理后由防爆计算机进行集中显示并存储。为满足煤矿安全使用需要，系统需采用防爆结构设计，并结合定向钻进随钻测量的要求，采用统一的防爆计算机进行集成设计，具备在随钻测量系统和钻机参数监测系统之间灵活切换的功能。同时，该系统还需要满足煤矿井下紧凑型布局、适于定向钻机功能配套、多参数测量以及数据传输的需要。参数监测系统组成原理如图,。系统由数据采集器、防爆计算机以及各种外部传感器组成。其中，采集器由:;4主控制器、信号隔离单元和电源模块以及底层软件系统共同组成，采用独立的主机单元设计，用于采集并发送各路传感器的参数，采集器获取钻机运行参数并经信号调理后通过4’总线发送到防爆计算机，由计算机完成各种参数的数据显示、图形绘制和数据库存储=?@A。为方便现场安装，所有外部连接传感器通信电缆接头需设计为快速可插拔的结构形式，各类传感器均按照参数监测需要安装在钻机各执行部件近端。+!#$%&+$,关键元件选型监测系统中所有传感器均选用本质安全型，传感器选型信息如下：!钻进参数单元B编码器,个C压力传感器D个C接近开关,个E泥浆泵参数单元B压力传感器,个C流量传感器,个C温度传感器,个E#辅助参数单元B液位传感器,个C压力传感器,个。采集的信号类型取决于传感器C温度和液位传感器为模拟量信号输出，压力变送器为4’信号输出，接近开关和编码器采用数字量输出=FA。其中，编码器用于将运动部件的角位移转换为计数脉冲，通过脉冲数表示转速；压力传感器用于将压力元件采集的压力信号转换为电压信号，用于钻机执行单元压力监测，配套选择G&(:)和%(:)+种量程范围；接近开关为非接触式安装，用于监测给进、起拔速度。为了提高系统的稳定性，以及矿井恶劣环境下系统的抗干扰能力，主控制器采用移动设备专用的:;4控制器，具有结构紧凑、性能稳定，适用于恶劣环境等显著优点。控制器自带4’通讯接口，易于扩展，并采用4’总线通讯方式，能够抵抗强振并能长时间露天作业。用户只需基于4H0.*9（:IJ.KH,,D,）平台，采用LM4?D语言进行二次开发，即可快速定制出属于专属系统的应用平台。+$+防爆结构由于所需监测的钻进参数较多，结合安装布局需要，传感器采用本质安全型，采集器和计算机均采用隔爆兼本质安全型防爆结构设计。采集器结构包括隔爆壳体和内部安装支架+部分。隔爆壳体采用D&G不锈钢板焊接而成，壳体钢板厚度%NN，接线端子面钢板厚度,GNN，主腔和外部相通处必须采用隔爆处理方式，设计平面、螺纹、密封、粘结等G种隔爆面形式=-?,&A。根据隔爆结构设计要求，隔爆壳体外部电缆不能直接接入壳体内部，必须经过引入装置进行连接，确保隔爆壳体不失爆。采集器外接引入接口布置图如图+。采集器的外部引入接口分为密封式与快速接插式+种类型，防爆壳体采用上端盖打开方式，外围包括,,个本安型快速插头和,个喇叭口。+$D系统硬件采集器是参数监测系统的主控单元，采集器硬件组成原理如图D。内部硬件电路由:;4控制器单元、4OH4电源、本安型电源、安全隔离、信号调理和外接端子等模块构成。本安型传感器采集的信号由本安端子模块引入采集器，经隔离式安全栅和信号调理电路模块处理后输入主控制器，完成数据采集。主控制器选用L’PMI4J’PIJ;公司的H2Q9*4NR5S1型控制器，内置高性能:;4模块，遵循4’?JR03总线通讯协,D%!!第!卷第!期#$%年!月&’()*+,-./’01,-)23/04!56/7!1’+89$%图:采集器硬件电路组成原理图图!数据存储和显示系统功能组成图图;数据处理模块工作流程图议和=.$$:$?:编程标准，内置.@6处理、运算器和放大器以及@AB转换器，具备众多高性能输入、输出接口，可以实现多路参数的采集与处理C%D。外部监测数据经开关量和模拟量，以及脉冲信号输入接口与EF.控制器通信CG$D。采集器单独设计$路.@6接口，既可用于计算机与采集器的通信，还可用于给控制器下载源程序。@.$8H3外部供电电源由钻机配套电磁起动器进行供电，采集器内部电源模块分为非安电源和本安电源8种类型。外部输入的@.$8H3电源经过非安电源转变为B.8;3输出，用于主控制器、安全栅和信号调理模块供电；本安电源将外部输入的@.$8H3电源转变为本安B.$83输出，用于传感器和信号调理模块供电。87;系统软件监测系统软件由数据采集和处理软件（底层软件）与数据存储和显示软件（上位机软件）8部分组成，8套系统软件之间通过.@6实现通信。87;7$数据采集和处理软件数据采集和处理软件结合EF.主控制器的EIJ&KBGG:G平台进行开发，由主程序模块、数据采集模块和.@6通信模块组成。主控制器内置不同功能库函数，如.@6总线、电流信号、脉冲信号的通信均可调用内置库函数。系统运行后首先开始初始化，随后进行AJ接口配置；待外部配置完成后，程序进入内部循环，依次读取外部通信接口数据，经数据解析和处理后，按设定的通信协议发往.@6通信模块，通过防爆计算机实时显示并存储所采集的数据。数据处理模块工作流程图如图;。数据处理模块根据信号的不同特征设置不同的滤波参数L温度信号和液位信号数据是缓变量，变化频率很低，故将高$99MN的杂波滤除掉；扭矩压力和速度信号是瞬变量，对变量的处理采用窗口加权处理，来实时反应机器设备的真实工作状态。因在信号校准时给定的信号都是稳定的，采用连续!点均值对信号进行扶正处理。根据信号限值规定将采集到的非法值过滤掉减少瞬间干扰对系统信号的影响，针对信号的时域特征，还原信号真实值。87;78数据存储和显示软件数据存储和显示软件以O,-P/Q2操作系统为基本平台，通过组态软件定制系统运行主界面，基于3.RR设计语言进行系统程序开发CGGD。数据存储和显示系统功能组成图如图!。为方便系统间调用、提高系统通用性，采用模块化设计方式，定制各功能子模块，包括数据存储、数据显示、数据通信、功能配置和系统帮助等模块。系统针对不同人员设定专属权限，设计人员可以配置系统参数、报警参数、用户管理、通讯频率及.@6通道等信息，司钻人员只能通过系统查询相关信息。设计不同的功能区域，包括参数显示、状态信息、功能设计:个区CG8D。主页面显示常用钻进参数信息，如监测信号超出正常参数阈值，软件将在底部状态区进行报警，并提示报警信息，通过页面切换按钮可以在主显示界面和其他页面间任意切换。:!#$%&SSTG8H（!）煤矿定向钻机参数监测系统研制完成后，通过系统软、硬件联合调试初步达到设计要求。为了进一步验证参数监测的准确性，采用性能对比试验方式对精度要求较高的钻进参数，如回转压力、给进压力和主轴转速进行对比测试。分别采用液压测试仪表和监测系统同时进行参数测量，共G:!!!#$%&’$%()*+&,-第%&卷第%期+&,-年%月.)