通用鉆機數(shù)控操作裝置—電控系統(tǒng)創(chuàng)新設計

張祖紅+劉清平

摘 要：鉆機是實現(xiàn)地質(zhì)類勘探工作最主要、最直接的機電設備。行業(yè)發(fā)展和用工需求倒逼鉆機設備制造業(yè)的發(fā)展。鉆機設備自動化升級改造勢在必得。鉆機設備的智能化程度是衡量設備制造行業(yè)發(fā)展的根本標尺。筆者對智能化操作控制系統(tǒng)做出多年的探索和實踐，成功應用到多種鉆機設備中，也升級了不少舊鉆機設備。

關鍵詞：鉆機；數(shù)控操作裝置；電控系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.008

0 概述

兩年來，通過到鉆機生產(chǎn)企業(yè)和地質(zhì)勘探企業(yè)實地調(diào)研和研究，筆者經(jīng)過多次測試和修改，設計出相對較穩(wěn)定的鉆機智能化操作控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝置既適合舊設備，又可以嵌入到新設備中。本系統(tǒng)原來設計的目的主要為舊設備改造升級服務的，故本系統(tǒng)還設計了操作桿、操作柄等機電控制驅(qū)動部件。通過遠程指令、無線傳輸和無線接收解碼，能很精確地控制機械部件動作，其步進動作優(yōu)于人工手控動作。

1 技術領域

通用鉆機全向數(shù)控操作系統(tǒng)裝置，是基于對我國鉆探行業(yè)通用機械—液壓舊鉆機結構模式，進行智能化改造升級的全自動信息化設備操控系統(tǒng)。主要包含信息編碼、無線傳輸、無線接收、圖像傳輸、圖像信號處理、機電傳動、機械部件驅(qū)動機構、驅(qū)動電路、信息檢測與控制電路等。實質(zhì)上，本設備是將電子信息技術、圖像處理技術、控制技術和軟件技術等綜合應用到舊設備中。

2 背景技術

我國數(shù)千家鉆機生產(chǎn)企業(yè)還停留在老工藝、老功能、老客戶、老用戶的理念上；鉆機企業(yè)越做越小、越做越窄；同技術層次產(chǎn)品，競爭激烈，利潤越來越低，研發(fā)投入少；企業(yè)疏于改造創(chuàng)新，設備難以升級；有教育背景和行業(yè)背景專業(yè)研發(fā)人員匱乏，市場關注程度不夠；高端產(chǎn)品都是進口，設備費用、技術費用、培訓費用等很高。

隨著勞動力減少和勞動力內(nèi)涵的變化，舊鉆機升級改造和鉆機數(shù)控操作系統(tǒng)設計勢在必行，而且有較大的市場化應用前景。據(jù)相關專業(yè)權威研究數(shù)據(jù)表明，舊鉆機智能化改造和升級市場份額有50億人民幣。這種現(xiàn)象有點類似于二十多年前舊機床的改造升級業(yè)務。本作品就是基于這樣的背景設計開發(fā)的。

3 創(chuàng)新點

（1）自主設計的鉆機操作程式智能化管理系統(tǒng)，將人為重復操作過程轉(zhuǎn)化為程序控制，進而控制機械驅(qū)動部件，最終控制設備操作桿，完全替代工人的現(xiàn)場操作和控制。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)車前進與后退；車左拐與右拐；鉆桿上升與下降；鉆桿左移與右移等功能。經(jīng)測試，完成時間略高于人工。

（2）精密機械控制驅(qū)動模塊，包含齒輪箱和齒輪，電路驅(qū)動電流大，線性范圍寬，自適應調(diào)節(jié)，級差小，適合遠距離精密控制。平移距離不小于20CM，響應時間不小于1MM/秒。

（3）可以設定距離、深度、時間要求，控制鉆機在規(guī)定的參數(shù)要求下完成鉆進、提升、平移、前進、后退等動作。

（4）現(xiàn)場工作環(huán)境條件自動監(jiān)測功能，遇到大雨、大風、油量、水量等不適合鉆機工作的條件，能自動告知控制臺。

（5）整機可以工作于手動和自動工作方式，互不干擾，靈活轉(zhuǎn)換和設置系統(tǒng)工作方式；在圖像監(jiān)控模塊，本機有圖像自動/手動跟蹤和展示功能。

4 創(chuàng)新原理

采用電子信息技術手段，真正做到把市場上需要人為現(xiàn)場操控鉆機完成生產(chǎn)的工作轉(zhuǎn)化為由設備完成的程控過程。系統(tǒng)基本在一定限度內(nèi)能代替人力工作，能大大減少地勘項目的人力成本和勞動強度。

設備操作桿加裝螺紋柱型桿（自制）與步進電機螺紋桿相匹配，通過無線傳輸指令，控制螺桿間相互作用，驅(qū)使設備操作桿完成平移運動，從而控制鉆機完成功能操作。

軟件控制板能控制攝像頭自動跟蹤設備動作，故障出現(xiàn)時能自動傳遞設備現(xiàn)場圖像，工作人員能及時診斷、調(diào)整、上報維修等。鉆機工作過程是固定的，每個動作會對應一個狀態(tài)，每個狀態(tài)會對應電路控制部分、驅(qū)動部分的電壓和電流。根據(jù)檢測到的電位大小方位即可以判別設備狀態(tài)，這就是自動跟蹤軟件算法編寫的實質(zhì)和來源。

設備工作模式能自由設定，含軟件的功能轉(zhuǎn)換控制板能根據(jù)工作需要，靈活控制設的操控形式，全自動、電動、手動等。

5 系統(tǒng)結構圖

整個電控系統(tǒng)包含三大部分，鉆機操作控制接收部分、圖像采集與傳輸部分和操作指令發(fā)送與圖像監(jiān)測?？驁D如圖1所示。

鉆機操作與接收部分，主要安裝在執(zhí)行設備上。電路模塊會實時接收并處理操作臺發(fā)來的加密指令，解碼后回控制執(zhí)行機構動作。驅(qū)動電路要求具備一定的功率，驅(qū)動管要選擇高頻特性較好的配對功率管。

圖像采集與傳輸部分，主要用來實時監(jiān)測鉆機的動作情況，判別鉆機功能動作是否正常，是否符合軟件操控要求，向監(jiān)控臺傳送圖像信號。

操控臺，主要采用點動或者全自動的方式向接收裝置發(fā)送指令，并實時監(jiān)測設備運行情況。異常情況，可以點動停止。

6 系統(tǒng)設計

6.1 硬件設計

主要采用了無線傳輸模塊、圖像傳輸模塊、處理器控制模塊電路、CPLD圖像處理電路、互補對稱功率放大電路等。因篇幅原因，就不對具體電路進行分析和說明。本文給出部分原理圖，如圖2所示。

6.2 軟件設計

主要針對單片機和CPLD兩部分編寫程序，協(xié)調(diào)管理、信號分些、控制驅(qū)動系統(tǒng)功能實現(xiàn)。具體程序算法和程序結構圖在此就不表述。

6.3 機械部件設計

這部分還是很有講究的。因為舊設備的操作桿、操作柄位置固定，只能圍繞固定點做圓周運動。要設計符合運動軌跡特點的螺桿相配合，才能在驅(qū)動電機的帶動下，順利完成操作。

7 使用方法

（1）圖像系統(tǒng)采用獨立蓄電池逆變供電；設備控制驅(qū)動電路采用蓄電池逆變或者設備自帶發(fā)電機供電；控制室可以采用蓄電池逆變供電也可以采用工頻電源供電。按接線圖連接好工作模塊。

（2）通電，系統(tǒng)進入自檢狀態(tài)，快速檢測若干關鍵點電位大小、頻率變化以及通訊數(shù)據(jù)等。出錯會報警提示。

（3）測試圖像傳輸系統(tǒng)及攝像頭控制系統(tǒng)工作狀態(tài)；測試鉆機機電驅(qū)動控制系統(tǒng)工作態(tài)；

（4）按工作要求對系統(tǒng)進行參數(shù)設定，如工作時間、前進距離、鉆進距離或者工作過程組合等。進入自動工作狀態(tài)，視頻系統(tǒng)會自動跟蹤設備，自動切換圖像畫面，供監(jiān)控。

（5）系統(tǒng)也可以進入點動控制狀態(tài)，適合比較細做的工作過程。只要配合攝像頭，即便能完成全向操作和控制。

（6）關閉控制系統(tǒng)，設備也可以進入純現(xiàn)場人工手動操作狀態(tài)。故電控系統(tǒng)損壞，不會影響設備的手動工作。

（7）系統(tǒng)三個模塊電源獨立，功能控制互相聯(lián)系。

8 結語

本文只是很大概描述設備的電控部分的設計，重點介紹了設備的電控電路對裝置創(chuàng)新功能的實現(xiàn)和支撐。給出了設備部分結構框圖和電原理圖，但電路功能的實現(xiàn)，需要不斷調(diào)試硬件電路參數(shù)和軟件配合；系統(tǒng)功能實現(xiàn)需要各模塊電路和機械部件相互配合。另外，攝像頭如何跟蹤設備動作？軟件如何判別設備動作等關鍵技術的算法還有待優(yōu)化和改進。

參考文獻：

[1]工程地質(zhì)手冊[K].

[2]張祖紅，劉清平.鉆機數(shù)控操作系統(tǒng)規(guī)劃與設計研究[Z].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012（15）.endprint