井下凿岩台车无线遥控系统设计

ＳｅｒｉａｌＮｏ.５９７Ｊａｎｕａｒｙ.２０１９
现㊀代㊀矿㊀业
ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ
总第５９７期２０１９年１月第１期
㊀㊀吕海波(１９８４ )ꎬ男ꎬ工程师ꎬ０６３７００河北省唐山市滦县响嘡镇ꎮ
井下凿岩台车无线遥控系统设计
吕海波１㊀谢广峰１㊀周向欣２
(１.河钢集团矿山设计有限公司ꎻ２.河钢集团矿业有限公司司家营铁矿)
㊀㊀摘㊀要㊀如何将原有的传统设备改造升级是目前矿山面临的亟需解决的问题ꎮ为此ꎬ以阿特拉斯凿岩台车设备为研究对象ꎬ进行设计了一套基于ＳＴＭ３２微控制器无线遥控系统ꎬ并对其进行了一系列技术改造ꎮ系统包括遥控操作单元(ＯＵ)㊁车载接收单元(ＭＵ)㊁倾角传感器采集单元ꎮ研究结果表明ꎬ该套系统在不影响整车原有电气系统的前提下ꎬ将有线操控升级为无线遥控ꎬ大幅度提高操作人员人身安全和工作效率ꎮ
关键词㊀凿岩台车㊀无线遥控㊀微控制器㊀倾角传感器ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７４￣６０８２.２０１９.０１.０３９
㊀㊀随着露天矿业资源的减少ꎬ矿产开采由露天逐渐转移到地下ꎬ使得地下采矿工艺技术得到了飞速发展ꎬ与其配套的钻孔设备水平也不断提高ꎬ由于我国采矿设备技术工艺和西方发达国家还有较大差距[１]ꎬ所以大多数矿业集团依然采用的是进口的设备ꎮ阿特拉斯凿岩台车不仅在性能和结构上占有优势ꎬ而更重要的莫过于适合我国矿业的地下开采环境ꎬ这些设备大多数都是以电缆为信号传输介质的潜孔钻设备ꎮ随着无线技术应用在各行各业的逐步普及ꎬ无线控制技术在矿业设备控制中发挥了很大的作用ꎮ
阿特拉斯凿岩台车主要是在井下进行钻孔作业ꎬ采用扇面布孔ꎮ操作人员通过２根有线通讯电缆分别连接的钻孔操作台和定位操作台进行动作操作ꎬ由于线缆可传输距离的限制ꎬ以及现场需要经常移动设备ꎬ人员必须就近进行操作等多种因素ꎬ并且井下时常会出现顶板浮石掉落现象ꎬ极大威胁操作人员的安全ꎮ
针对以上问题ꎬ为提高进口设备最大生产效益和利用率ꎬ提出一种切实有效的基于ＳＴＭ３２微控制器的通信技术手段ꎬ对原有有线控制升级优化ꎬ并对钻孔操作台和定位操作台进行一体改造ꎬ设计替代成无线遥控控制ꎬ将电缆信号传输转换成无线信号控制[２￣４]ꎬ不仅操作方便ꎬ灵活ꎬ延长了设备的使用寿命ꎬ
还可以通过一些手段改善工作人员的工作环境ꎬ提高
安全性ꎬ提高了工作人员的工作环境质量ꎬ降低了职业病的发生几率ꎬ减少了每年的设备售后维护成本ꎬ提高了矿山的经济效益ꎬ具有很高的现实意义ꎮ
１㊀凿岩台车操作原理分析
钻孔机的的操作部分由２部分组成ꎬ分别为钻孔操作台(图１)和定位操作台(图２)ꎬ均为继电式开关ꎬ均为数字量信号ꎮ钻孔操作台除Ｒ１００为旋钮式的模拟量外ꎬ其他的操作通过对操作界面以及控制电路原理图的对比分析得知除了电源线和地线外ꎬ存在３３个数字量信如表１所示ꎮ定位操作台共有２２个数字量信号
ꎮ
图１㊀
钻孔操作台
图２㊀定位操作台
故无线控制中需要实现５５路数字量㊁１路模拟量和总线信号的无线数据可靠性传输ꎮ
９
５１
表１㊀操作台接插件线序及功能
功能引脚
＋２４ＶＡ㊁Ｂ㊁Ｃ㊁Ｄ㊁Ｆ㊁Ｇ㊁Ｓ㊁Ｘ㊁Ｙ
＋１０ＶＴ
ＧＮＤＥ㊁Ｈ㊁ｚ
数字输出ａ㊁ｂ㊁ｃ㊁ｄ㊁ｅ㊁ｆ㊁ｇ㊁ｈ㊁ｊ㊁ｋ㊁ｍ㊁ｎ㊁ｐ㊁ｑ㊁ｒ㊁ｕ㊁ｖ㊁
ｘ㊁Ｊ㊁Ｋ㊁Ｌ㊁Ｍ㊁Ｎ㊁Ｏ㊁Ｐ㊁Ｑ㊁Ｒ㊁Ｕ㊁Ｖ㊁Ｗ㊁Ｙ㊁Ｚ
模拟输出０~１０Ｖｗ
ＣＡＮｓ㊁ｔ
２㊀无线遥控系统整体设计方案
通过对凿岩台车钻头和定位原理分析ꎬ无线遥控系统设计方案主要由无线遥控单元(ＯＵ)㊁车载接收单元(ＭＵ)㊁倾角传感器采集单元３部分组成ꎬ改造后的整体架构如图３所示
ꎮ
图３㊀无线遥控系统整体架构
原阿特拉斯凿岩台车的钻孔操作台和定位操作台的通讯电缆一端插接到面板ꎬ另一端连接到车上的控制柜和外挂端子箱上ꎬ控制柜内主要是时间继电器㊁接触器和各功能动作电磁阀构成ꎬ完成逻辑控制功能ꎬＣＡＮ总线主要是显示屏Ｄ５０１对钻头倾斜角和钻孔深度进行显示功能ꎮ无线遥控改造是在不改变控制柜内部继电器和外挂端子内的接触器和电磁阀等电气元器件的前提下ꎬ在台车上安装车载接收装置并通过原车接头即插即用ꎬ使原钻孔操作台和定位操作台合二为一改造即无线遥控单元ꎬ使一个控制面板即可操作钻台也可以操作定位功能ꎬ无线遥控单元与车载接收单元通过采用５０ｍＷ发射功率的无线串口模块(ＵＡＲＴ)ꎬ透明传输方式ꎬ工作在２２５~２３７.６ＭＨｚ电力频段(默认２３０ＭＨｚ)ꎬ窄带传输ꎬＴＴＬ电平输出ꎬ兼容３.３Ｖ与５Ｖ的ＩＯ口电压ꎬ穿透绕射能力强ꎬ并实现控制与检测自锁功能ꎮ无线遥控单元和车载接收单元内部各采用１块ＳＴＭ３２主控制芯片作为核心元件搭建ꎬ在主板上做好外设接口㊁电源接口㊁串口接口ꎬ实现数字量和模拟量信号输入输出功能ꎮ控制器的功能配置都在编程软件内实现ꎬ这里就不再详细说明ꎮ
３㊀系统功能设计
３.１㊀无线遥控单元ＯＵ
无线遥控单元主要实现原台车遥控操作台和定位操作台功能ꎬ通过７寸液晶屏显示钻头倾斜角和深度ꎮ主要功能有:推进手柄开关㊁机械臂功能开关㊁钻孔操作开关㊁储钎器开关㊁夹钳器开关㊁空气与水选择开关㊁定位横滚动作开关㊁定位俯仰动作开关㊁钻孔推进压力调节旋钮㊁电池电量检测㊁紧急停止开关㊁电气启动开关等ꎬＯＵ开关量信号定义见表
２ꎮ基于ＳＴＭ３２微控制器的ＧＰＩＯ引脚采集遥控开关组合按键数字量和模拟量信号ꎬ通过串口ＵＳＡＲＴ连接无线透传模块ꎬ传输和接收ＭＵ单元的无线模块ꎬ再利过ＤＭＡ串口到寄存器发送到车载接收单元执行相应的命令ꎬ并且接收车载单元返回的数据进行自锁㊁检测功能ꎮ安装在车体钻台上的倾角传感器ꎬ通过定位操作的不同位置输出相应的俯仰和横滚数值ꎬ数值由无线接收单元通过ＣＡＮ总线采集到寄存器保存ꎬ并通过无线模块发送到无线遥控单元显示数值的变化情况ꎮ无线遥控单元内部增加大容量蓄电池组ꎬ输出ＤＣ２４Ｖꎬ供电给主控制器和液晶显示屏ꎬ可不间断待机８ｈꎮ无线遥控单元内部结构见图４ꎮ
３.２㊀车载接收单元ＭＵ
车载接收单元主要接收无线遥控单元发送的数据命令ꎬ进行串口到寄存器编译ꎬ通过ＧＰＩＯ输出高低电平ꎬ在利用中间继电器执行凿岩台车逻辑控制ꎬＭＵ单元通过原有的插接引脚连接车的防卡传感器和水流量传感器等进行内部检测自锁ꎬ如发现前端故障可停止ＯＵ单元的危险操作ꎮ车载接收单元面板上设置切换开关ꎬ可选择无线遥控和本地操作ꎬ确保在无线遥控设备故障时ꎬ可有另外方式进行操作ꎬ大大提高系统的安全性ꎬ内部原理如图５ꎮ
３.３㊀倾角传感器单元
原阿特拉斯凿岩台车系统自带了２个倾角传感器ꎬ内部采用机械式原理ꎬ维护成本大ꎮ通过选择国产陀螺仪式倾角传感器ꎬ可有效降低成本ꎬ维护方便ꎬ和可靠性通过最优算法保证测量精度ꎬ同时密封设计以及严格工艺保证产品在恶劣的环境下仍能精密地测量载体的角速度㊁加速度和姿态等运动参数ꎬ精度控制在１ʎꎬ采用ＣＡＮ总线进行与无线遥控通讯ꎮ４㊀结㊀语
所述的无线遥控系统是对原有凿岩台车的传统有线控制系统进行升级优化ꎬ将原车的电缆信号传输转换成无线信号控制ꎬ不仅操作方便ꎬ灵活ꎬ延长了设备的使用寿命ꎬ并且有效的改善工作人员的工作环境ꎬ提高安全性ꎬ提高了工作人员的工作环境质
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总第５９７期现代矿业２０１９年１月第１期
表２㊀ＯＵ开关量信号定义
器件名称器件功能操作器件Ｓ０急停按钮暂无
Ｓ１０６启动油泵自恢复按钮开关Ｓ１０５
停止油泵
自锁按钮(常闭)Ｓ１８０
(推进手柄开关)
０档用于ｓ１７９的钻孔功能左手手柄￣中位１档后退(反提)
左手手柄￣后２档
快后退(快反提)
左手手柄￣后￣后３档推进左手手柄￣前４档快推进左手手柄￣前￣前
５档接杆ꎬ接钎杆功能ꎬ有旋入接钎杆的推进和接钎杆的旋转
左手手柄￣左６档卸杆ꎬ卸钎杆功能ꎬ和５档原理一样就是方向是反的ꎬ用于卸钎杆
左手手柄￣右７档重冲击(高)ꎬ凿岩机的直接高冲击的功能左手手柄￣顶端￣右８档轻冲击(低)ꎬ凿岩机的直接低冲击的功
左手手柄￣顶端￣左Ｓ１１１
(机械臂功能开关)
０档无
右手手柄￣中位１档机械臂往停臂方向动作ꎬ臂从储钎器位回到凿岩机位右手手柄￣右２档机械臂直接回到停止位
右手手柄￣右￣右３档机械臂往储钎器方向动作ꎬ臂从停臂位到凿岩机位
右手手柄￣左４档使机械臂直接到储钎器位右手手柄￣左￣左
５档打开机械手(夹持器)右手手柄￣前６档跟７档一样的功能ꎬ平时很少用
右手手柄￣后
７档使机械手保持在握钎杆状态ꎬ停止抓紧钎杆
右手手柄￣顶端￣右８档机械手的抓紧钎杆的启动按钮ꎬ只要按一下按钮ꎬ机械手将抓紧ꎬ
用于从储钎器里取出钎杆和从凿岩机位卸下钎杆的抓紧右手手柄￣顶端￣左Ｓ１７９
(钻孔操作开关)
０档用于启动液压系统
５档旋钮开关
１档打开水ꎬ在不启动液压系统时ꎬ１档就只能打开水阀ꎬ不启动水泵
２档开始有钻孔ꎬ这是用于开孔时的钻孔输出低水压水流和低冲击ꎬ推进也是固定的
３档低冲击压力钻孔在二档的基础上大开了大流量的水ꎬ其他功能保持不变
４档
全速钻孔ꎬ这一档是使用最常功能ꎬ冲击是高冲击ꎬ
推进受ｒ１００电阻可调ꎬ水保持大流量供水
Ｓ１８２
(储钎器开关)１档锁紧耦合(启动压紧储钎器中间离合器ꎬ使其接触受旋转油缸控制)操作杆￣前２档打开耦合(松开中间离合器ꎬ保证旋转油缸不在带动储钎器运转ꎬ主要固定储钎器)
操作杆￣后３档退杆(顺时针旋转)ꎬ让旋转油缸做伸出动作
操作杆￣右４档送杆(逆时针旋转)ꎬ让旋转油缸回缩ꎬ使储钎器运转
操作杆￣左
Ｓ１１０(夹钳器开关)１档１.用于启动液压系统ꎻ２.供电给ｙ３５４ａ夹紧夹钳器ꎬ保持开始工作的安全
３档旋钮开关２档夹钳器导向功能３档打开夹钳器
Ｓ１８１
(空气与水选择开关)
１档气４档旋钮开关２档水３档回转
４档
回转＋气
图４㊀
无线遥控单元内部结构
图５㊀车载接收单元内部结构
量ꎬ降低了发生职业病几率ꎬ减少了设备后期维护成
本ꎮ在金属㊁非金属矿山实际应用后ꎬ达到了很高的经济效益及社会效益ꎮ
参㊀考㊀文㊀献
[１]㊀郝树林.我国潜孔钻具的现状与发展[Ｊ].矿业研究与开发ꎬ２００６ꎬ２６(Ｓ１):１０３￣１０４.
[２]㊀候天星ꎬ王凤新.基于ｎＲＦ２４０１的无线数据传输系统[Ｊ].中国
农学通报ꎬ２００９ꎬ２５(７):２５８￣２６３.
[３]㊀蔡㊀型ꎬ张思全.短距离无线通信技术综述[Ｊ].现代电子技
术ꎬ２００４ꎬ１７０(３)６５￣６７.
[４]㊀莫利斯.无线通信[Ｍ].北京:电子工业出版社ꎬ２００８.
(收稿日期２０１８￣０９￣０２㊀责任编辑㊀徐志宏)
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