矿山钻机控制系统设计

矿山钻机控制系统设计

贾志奇

新疆喀拉通克矿业有限责任公司 新疆 836100

摘要：随着我国经济的飞速进步，矿产资源的开发利用已然成为我国社会经济发展的重

要支柱。凿岩作业作为矿山生产实践中的必要环节一定程度上影响着对矿山生产率、成本以及安全等。本文设计了一个能自主调节钻机参数的控制系统；提出了模块化设计的思想，同时将控制系统分为了控制模块和故障诊断模块两部分；采用 CANBUS 总线技术，实现各模块与主控制器之间的通讯。

关键词：矿山钻机；控制系统；智能控制

0背景

当下，随着采矿业的日益发展，矿山机电设备的新型号相继涌现，产品的性能和质量都有了很大提高^[1]。截止现在，我国的矿山设备既可以装备大中型矿山，也可以装备部分特大型矿山。采矿活动对设备的要求很高，随着生产规模的增加和技术的进步，所需设备的功能也日趋现代化^[2]。

牙轮钻机作为一种露天钻孔机器，多用在露天矿山矿山开采、建筑基础开挖、水利等多种领域。与常见其它型号的凿岩机相比，牙轮钻机的钻孔深、直径大、效率高、适用范围广，常作为当前通用的大型凿岩钻孔设备使用^[3]。牙轮钻机在我国露天矿山的使用越来越普遍，也使得我国露天采矿设备不够先进的现象得到了改观^[4]。牙轮钻机作为露天矿山、尤其是大型露天矿山的主要穿孔设备，必须要提升其自动化程度，向智能化方向发展。

1牙轮钻机的发展趋势

微电子技术的迅猛发展，使计算机技术和可编程序控制器技术取得了很大的进步，其性能和可靠性取得了较大提升，生产成本大幅下降。采用微机、可编程序控制器等实现对钻机主参数的自动控制，还能实现对钻进过程的监控，诊断钻机工作过程中的问题。为了更好的适应较差的矿山电网，采用静态交流变频调速对钻机进行供电调速控制，该方式能适应矿山较差的供电条件，利于实现钻机的正常工作。钻机工作时，液压系统可实现较大范围的无级变速和平稳传动，故现代采矿设备在行走、回转和推进驱动方式选择方面，更多地选用全液压驱动方式。

2智能钻进控制系统的组成.

本设计采用两级PLC系统对钻孔进行控制。前级系统负责参数显示、信号分析、停机故障诊断等，后级系统主要进行数据检测和钻进过程控制。使用两台派恩控制器以上执行上述功能，该控制器的可靠性高，抗干扰力强。采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构，能够在恶劣的环境条件下进行工作，同时还具有功能完善、使用灵活、实用性强、维修方便、

占内存少，易于接口扩展等功能，容易实现人机互换，还支持CAN总线协议。

为让系统之间的联系更加紧密以减少控制器之间过渡的信息交互，提高系统的工作效率，全液压牙轮钻机智能钻进控制系统采用模块化设计，将一个复杂的控制系统分解成故障诊断和钻进控制两个模块。

钻进控制模块涉及到钻孔程序控制、钻具回转机构和推进机构的控制及注水控制，根据接受到的手柄、控制面板上各按钮以及传感器的输出，还有内置程序对钻机进行控制。而牙轮钻机智能钻进控制模块的功能则是通过传感器收集位移、压力、流量等电信号实现钻进过程控制。开始钻孔时，先是在显示屏上设置钻孔深度、注水流量、正常钻进的推进和回转压力以及振动允许的最大位移量，且持续对上述参量进行监测，监测数据从传感器输出至钻进控制模块，在模块内与预设值作对比，若超出预设值，模块则就要进行调整以满足正常钻进的要求。

故障诊断模块有水平、垂直振动监控、自动保护功能和故障识别与处理等功能。依据传感器输出的电信号和原模型对信息作出处理和分析，通过显示屏显示出故障类别并发出报警信息。再由CANBUS总线和钻进控制模块通讯，同时，故障诊断模块对传感器数据进行处理，获取控制信息并将其传至钻进控制模块，最终完成对钻进控制。

3钻进控制系统对故障的识别与处理

钻进时系统必须对出现的问题及时进行处理，因此对牙轮钻机常见问题进行探讨，以便进一步弄清楚故障诊断系统。

3.1钻孔偏斜故障的识别与处理

钻进系统的垂直度由水平仪测量，钻孔时，水平仪对钻孔系统的垂直度作出判断，同时传输信息给PLC控制器。为了让钻孔的垂直度和钻进过程的平稳性得以保证，可以先预设一段时间间隔来对该时间段内的信息作出处理与判别。若钻孔出现偏斜，则需进行纠斜处理。具体做法是利用PLC控制器改变转头的回转方向，采用正反转交替钻进来恢复钻孔的垂直度。该纠斜方法即改良了现有钻机对钻孔倾斜度控制不足的缺陷，提高了精度，满足现代矿山开采需求。也增强了钻机测斜纠斜性能，实现了在线监测。不过，因为开采现场工作环境通常较为复杂，地质岩石状况也各不相同，不确定和突发因素影响较大，因此该方法还有改进的空间。

3.2卡钻故障的识别与处理

牙轮钻机在钻进或退回时，当在推进器提供的最大推进力和回转头提供的回转扭矩卞，钻具在孔内长时间不能自由活动的现象称为卡钻。

3.2.1卡钻的识别

卡钻类型由钻进方向以及推进油压P1和回转油压P2的信号进行识别。

（1）缓慢卡钻的识别：缓慢卡钻是当钻机工作时，由回转压力P2进行识别。以下是识别条件：回转压力比缓慢卡钻临界回转压力要大，同时，在很小的一段时间间隔内的变化量要比该时间内某一具体岩石条件下的正常稳定凿岩石时最大回转压力变化量小。其中缓慢卡钻临界回转压力值和一段时间的选取由作业人员依照经验设置。

（2）溶洞卡钻的识别：溶洞卡钻是当钻机工作时，依据钻头钻进溶洞突然失去阻力和回转阻力矩，推进力和回转力矩陡降，推进油压P1产生突变信号进行识别的。当条件满足且瞬时推进压力相对时间的变化率比正常稳定凿岩最大瞬时推进压力相对时间变化率大时，就认为钻头凿入岩洞。因此，该条件实时跟踪了具体岩石条件的变动。

3.2.2卡钻事故的处理

（1）缓慢卡钻的处理：防缓慢卡钻是利用减少推进压力以达到防止因排渣不完全或岩石性质不均导致的钻头偏离引起卡钻的目的。但若仅仅是因为回转力升高超过最大量就停止推进，显然会阻碍凿岩的速度。由于回转压力超过最大值初始阶段，卡钻并不严重，若由短时间的偶发因素引起，则微减推进力就可以。所以，对此类卡钻行为可通过使推进压力随回转压力而无极降低来解除卡钻。

（2）溶洞卡钻的处理：第一，可通过牙轮钻机钻头回退来预防以降低推进速度；若回转阻力矩变大则再回退。当回转阻力矩比稳定钻进时的回转阻力距小时，则再次推进钻杆，回转阻力矩落在正常范围内时恢复正常动作。处理过程分为两个阶段，第一阶段卡钻处理主要是降低当前推进速度，在保证凿岩效率的同时实现卡钻的第一阶段处理。第二阶段实时监测回转阻力矩，当回转阻力矩比稳定钻进时的回转阻力距大时，则令电磁阀换向回退。直至回转阻力矩回复正常值后，再重新正常凿岩。

4结论

本文设计了可用于矿山钻机的控制系统，设计过程中先分析了牙轮钻机的钻进进程，再以此为依据建立智能钻进控制系统的模型。根据不同阶段钻进过程各的动作特点，设计了相应的控制措施，同时分析了这些措施之间的相互联系和可能出现的故障与处理方法。文中重点介绍了钻孔偏斜和卡钻故障的识别和处理方法，通过对其故障产生原因和原理的研究，考虑到产生故障时液压系统的变化特征，提出了用于快速准确识别故障类别的方法；最后以恢复正常钻进为目的，建立了依照故障类型进行快速处理事故的措施。

参考文献

[1]赵秀美.一种海洋工程大型结构物非滑道拖拉工艺[J].港口装卸,2021(02):68-70.

[2]张云柱,韩国生.浅孔留矿法变形方案与应用实践[J].甘肃冶金,2021,43(02):7-9+12.

[3]KERMALM,TATA TRIKOZ.专注采矿 钻凿核心问题[J].矿业装备,2014(01):26-29.

[4]易欣.地下采矿之天井钻机[J].矿业装备,2018(02):12-14.

作者简介：贾志奇（1988-）男，陕西人，助理工程师，主要研究方向：矿山工程.