CN106054795A - 中深孔台车控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于各种地下工程的钻孔设备。本发明提供一种中深孔台车控制系统及其方法，操作台分别与PLC数据采集模块一及无线通讯模块二连接，PLC数据采集模块一与无线通讯模块一连接，无线通讯模块一与PLC数据采集模块二连接，PLC数据采集模块二与驱动模块连接，PLC数据采集模块二与驱动模块分别与机车端连接；首先，系统采集操作端的操控数据及CAN总线数据；其次，系统将操控数据转换为数字信号后通过无线通讯模块一进行传输；并通过无线通讯模块二实现CAN总线数据的无线传输；然后，系统接收操控数据的数字信号并将其转换为控制信号；最后，系统将控制信号进行光电隔离并放大后传输给机车端进行响应控制。适用于井下中深孔钻机。

Description

中深孔台车控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及应用于各种地下工程的钻孔设备，特别涉及井下中深孔钻机。

背景技术

矿业公司兰尖矿进入地下开采铁矿阶段，地下开采铁矿的一个重要环节是利用中深孔凿岩台车进行打孔爆破。中深孔凿岩台车主要由两部分组成：一是操作台，二是台车。操作人员在距离台车数米远的地方通过操作台车进行打孔，操作台和台车之间目前是用内含数十回控制信号线的两根有线电缆实现信号传递。由于地下矿井地面积水、粗糙，两根电缆与地面经常接触、摩擦，容易破损，影响信号的传递，造成停工、窝工，严重影响生产效率。目前，在矿业开采行业中设备运用的常见的通讯方式主要是电缆通讯方式，仅有少量的无线通信方式的应用。随着地上矿业资源的减少，矿产开采场地逐渐转移到了地下，使得地下采矿工艺技术得到了飞速发展，与其配套的钻孔设备水平也不断的提高。由于我国制造业的欠发达，钻孔工具技术的发展与西方发达国家还有较大差距，因此，应用于各种地下工程的钻孔设备大部分还是依靠进口。

井下中深孔钻机采用阿特拉斯柯普乐公司的SIMBA H1354设备，具有效率高、冲击力大、作业速度快等优势。SIMBA H1354不仅在性能和结构上占有优势，而更重要的莫过于适合我国矿业的地下开采环境。但从安全事故上，还存在一定的缺陷：(1)机车在工作过程中常移动，传输电缆会在地面拖动，不仅导致移动不方便，还容易出现磨损，诸如钻孔落石和移动拖拽对电缆的破坏，影响控制信号传输，甚至设备停运；(2)现有SIMBA H1354操作中，操作人员和操作台直接暴露在井下环境中，井下作业环境恶劣，潮湿，噪音大，落石等不利因素都直接影响操作人员和设备的健康和安全，也不利于操作人员集中精力完成作业。在攀钢矿业的需求和协作下，对潜孔钻SIMBA H1354的控制系统进行了优化设计，以增强其开采的操作舒适性和安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种中深孔台车控制系统及其控制方法以实现将现有电缆传递的控制信号与操作状态信号通过无线数据传输装置进行传递，不改变现有设备操作模式，实现原有电缆连接的全部功能，且无线传输装置要求运行稳定可靠，不能出现误动作，抗干扰能力强，电磁辐射指标满足国家标准要求。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，中深孔台车控制系统，包括机车端及操作台，还包括PLC数据采集模块一、PLC数据采集模块二、无线通讯模块一、无线通讯模块 二、驱动模块及电源模块；所述操作台分别与PLC数据采集模块一及无线通讯模块二连接，PLC数据采集模块一与无线通讯模块一连接，无线通讯模块一与PLC数据采集模块二连接，PLC数据采集模块二与驱动模块连接，PLC数据采集模块二与驱动模块分别与机车端连接；

所述PLC数据采集模块一，用于采集操作台的操控数据，并将操控数据转换为数字信号传输给无线通讯模块一；

所述无线通讯模块一，用于将操控数据的数字信号传输给PLC数据采集模块二；

所述无线通讯模块二，用于实现CAN总线数据的无线传输；

所述PLC数据采集模块二，用于将接收到的操控数据的数字信号转换为控制信号传输给驱动模块；同时，采集机车端的连锁信号，并将其通过无线通讯模块一传输至操作台，操作台响应操作；

所述驱动模块，用于接收控制信号，实现对机车端的响应控制。

具体的，所述无线通讯模块二包括CAN Bridge CAN中继器及CAN-wifi通信模块。

具体的，所述无线通讯模块一采用MODBUS通信协议,配置DTD433M无线数据终端进行无线信号传输。

具体的，还包括驱动电路，所述驱动模块通过驱动电路与及机车端连接；

所述驱动电路，用于将控制信号进行光电隔离并放大后传输给机车端进行响应控制。

具体的，所述电源模块包括直流24V操作电源及直流10V模拟量调节电源。

中深孔台车控制方法，包括以下步骤：

步骤1、系统采集操作台的操控数据及CAN总线数据；

步骤2、系统将操控数据转换为数字信号后通过无线通讯模块一进行传输；并通过无线通讯模块二实现CAN总线数据的无线传输；

步骤3、系统接收操控数据的数字信号并将其转换为控制信号；

步骤4、系统将控制信号进行光电隔离并放大后传输给机车端进行响应控制。

具体的，所述步骤1中，系统通过PLC控制柜采集操作台的操控数据及CAN总线数据。

具体的，所述步骤1中，所述无线通讯模块二包括CAN Bridge CAN中继器及CAN-wifi通信模块；所述无线通讯模块一采用MODBUS通信协议,配置DTD433M无线数据终端进行无线信号传输。

具体的，还包括系统采集机车端的连锁信号并通过无线通讯模块一将连锁信号传输至操作台，操作台接收连锁信号并响应。

本发明的有益效果是：本发明将操作台的操作信号经数据采集系统获取，然后将数字信号送至无线通讯模块一，将打包数据进行无线发送至驱动模块，将其转换为控制信号，实现 对机车端的响应控制；无线通讯模块二实现CAN总线数据的无线传输；无线数据通信系统分为两个部分，无线通讯模块一传输数字控制、模拟控制数据部分，主要是负责操作过程中每一操作事项所应传输的数据流，以满足钻孔机短距离的无线控制数据传输，根据具体的操作步骤，每一时刻的数据量都不是很大，通过无线数据通信模块可以达到原先电缆传输的速率，能够满足钻孔机的控制要求；另一部分是对于CAN总线数据的通信，因设备中这一数据主要是显示屏D501对钻头的俯仰角和钻孔深度进行实时的显示，本设计中将此部分单独用一个无线模块进行处理。另外，改造无线遥控装置后，由于去掉连接电缆，操作台自身无电源设计，在操作台端无线控制箱内设计开关电源，只需要提供操作台端需要的直流24V操作电源以及直流10V模拟量调节电源。最后，驱动模块一般通过电磁阀接触器驱动实际的负载，电磁阀、接触器都属于感性负载，在由接通到断开的时候会产生高压反电动势，这个高电压是重要的干扰源，会通过传导和辐射的方式影响到PLC等控制器，尤其是对模拟量信号和通讯信号产生不确定的干扰；驱动模块通过驱动电路与及机车端连接；一方面隔离驱动模块输出触点和电磁阀或者继电器，另一方面增加驱动模块输出触点的驱动容量；同时，控制信号经过光电隔离、放大，最终输出较大功率的控制信号，通过他来直接驱动电机、接触器、电磁阀等。输入输出级间采用光电隔离，两部分完全独立开来，有效的避免相因互干扰所引起的系统不稳定，有效地保护驱动模块输出节点，使设备工作起来更加稳定耐用。

附图说明

图1为本发明实施例中深孔台车控制系统结构图；

图2为本发明实施例中SIMBA H1354钻孔机的操作界面面板；

图3为本发明实施例中SIMBA H1354钻孔机的操作界面小面板；

图4为本发明实施例中无线数据传输基本框图；

图5为本发明实施例中操作台操控数据的数字信号传输及CAN信号传输；

图6为本发明实施例中机车端操控数据的数字信号传输及CAN信号传输；

图7为本发明实施例中机械手操作逻辑图；

图8为本发明实施例中机械手操作路线图。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案：

本发明针对现有技术中井下中深孔钻机在工作过程中常移动，传输电缆会在地面拖动， 不仅导致移动不方便，还容易出现磨损，诸如钻孔落石和移动拖拽对电缆的破坏，影响控制信号传输，甚至设备停运及必须井下作业的问题，提供一种中深孔台车控制系统，包括机车端及操作台，还包括PLC数据采集模块一、PLC数据采集模块二、无线通讯模块一、无线通讯模块二、驱动模块及电源模块；所述操作台分别与PLC数据采集模块一及无线通讯模块二连接，PLC数据采集模块一与无线通讯模块一连接，无线通讯模块一与PLC数据采集模块二连接，PLC数据采集模块二与驱动模块连接，PLC数据采集模块二与驱动模块分别与机车端连接；所述PLC数据采集模块一，用于采集操作台的操控数据，并将操控数据转换为数字信号传输给无线通讯模块一；所述无线通讯模块一，用于将操控数据的数字信号传输给PLC数据采集模块二；所述无线通讯模块二，用于实现CAN总线数据的无线传输；所述PLC数据采集模块二，用于将接收到的操控数据的数字信号转换为控制信号传输给驱动模块；同时，采集机车端的连锁信号，并将其通过无线通讯模块一传输至操作台，操作台响应操作；所述驱动模块，用于接收控制信号，实现对机车端的响应控制。中深孔台车控制方法，首先，系统采集操作端的操控数据及CAN总线数据；其次，系统将操控数据转换为数字信号后通过无线通讯模块一进行传输；并通过无线通讯模块二实现CAN总线数据的无线传输；然后，系统接收操控数据的数字信号并将其转换为控制信号；最后，系统将控制信号进行光电隔离并放大后传输给机车端进行响应控制。本发明将操作台的操作信号经数据采集系统获取，然后将数字信号送至无线通讯模块一，将打包数据进行无线发送至驱动模块，将其转换为控制信号，实现对机车端的响应控制；无线通讯模块二实现CAN总线数据的无线传输；无线数据通信系统分为两个部分，无线通讯模块一传输数字控制、模拟控制数据部分，主要是负责操作过程中每一操作事项所应传输的数据流，以满足钻孔机短距离的无线控制数据传输，根据具体的操作步骤，每一时刻的数据量都不是很大，通过无线数据通信模块可以达到原先电缆传输的速率，能够满足钻孔机的控制要求；另一部分是对于CAN总线数据的通信，因设备中这一数据主要是显示屏D501对钻头的俯仰角和钻孔深度进行实时的显示，本设计中将此部分单独用一个无线模块进行处理。另外，改造无线遥控装置后，由于去掉连接电缆，操作台自身无电源设计，在操作台端无线控制箱内设计开关电源，只需要提供操作台端需要的直流24V操作电源以及直流10V模拟量调节电源。最后，驱动模块一般通过电磁阀接触器驱动实际的负载，电磁阀、接触器都属于感性负载，在由接通到断开的时候会产生高压反电动势，这个高电压是重要的干扰源，会通过传导和辐射的方式影响到PLC等控制器，尤其是对模拟量信号和通讯信号产生不确定的干扰；驱动模块通过驱动电路与及机车端连接；一方面隔离驱动模块输出触点和电磁阀或者继电器，另一方面增加驱动模块输出触点的驱动容量；同时，控制信号经过光电隔离、放大，最终输出较大功率的控制信号，通过他来直接驱动电机、接触器、电 磁阀等。输入输出级间采用光电隔离，两部分完全独立开来，有效的避免相因互干扰所引起的系统不稳定，有效地保护驱动模块输出节点，使设备工作起来更加稳定耐用。

实施例

本例以SIMBA H1354为例，设计无线控制装置，替代现有的操作台两条信号线缆的有线连接，能在近距离(小于50M)范围内，安全稳定地实现原有操作台指令、数据的往返发送和接收。设计制作独立的无线数据传输装置，将现有电缆传递的控制信号与操作状态信号通过无线数据传输装置进行传递，不改变现有设备操作模式，实现原有电缆连接的全部功能。无线传输装置要求运行稳定可靠，不能出现误动作，抗干扰能力强，电磁辐射指标满足国家标准要求。在确定改造内容与要求的基础上，确定改造方案和技术路线，保证整个开发过程的有效与工作效率，系统开发工作的主要内容包括:

1、从图纸分析控制台与台车间的信号数量及其规范；

2、现场测定各信号的格式及其规范，根据测得的信号规范在实验室模拟出各信号，以为后期测试用；

3、设计制作现场信号传递模拟环境；

4、设计H1354无线控制装置的软硬件系统，并以实验室模拟环境下测试、验证；

5、现场测试H1354无线控制装置性能；

系统现场安装与运行，主要采取的技术手段包括：

1、采用西门子S7-200系列PLC作为数据采集和驱动的主要部件，PLC作为主流的工业控制器件，具有性能稳定，工作可靠等特点，适合井下作业环境以及钻机对工作可靠性要求；

2、无线通信采用成熟的PLC MODBUS通信协议，通过无线数据传输模块实现MODBUS数据传输，工作频率433MHZ，传输数率高，可靠性好，方便实现点对点双向数据传输；

台车传感器数据由台车上D120采集模块与操作台端显示器内D501之间通过CAN总线实现数据传输，为减小数据传输时延，CAN数据传输采用与操作数据独立的通道，通过成熟的无线CAN转WIFI模块实现数据通信，工作频率2.5GHZ，与操作数据传输通道频率差异大，避免相互干扰影响数据传输稳定。

基于上述内容，本例的中深孔台车控制系统结构如图1所示,包括机车端及操作台，还包括PLC数据采集模块一、PLC数据采集模块二、无线通讯模块一、无线通讯模块二、驱动模块及电源模块；所述操作台分别与PLC数据采集模块一及无线通讯模块二连接，PLC数据采集模块一与无线通讯模块一连接，无线通讯模块一与PLC数据采集模块二连接，PLC数据采集模块二与驱动模块连接，PLC数据采集模块二与驱动模块分别与机车端连接；所述PLC数据采集模块一，用于采集操作台的操控数据，并将操控数据转换为数字信号传输给无线通讯 模块一；所述无线通讯模块一，用于将操控数据的数字信号传输给PLC数据采集模块二；所述无线通讯模块二，用于实现CAN总线数据的无线传输；所述PLC数据采集模块二，用于将接收到的操控数据的数字信号转换为控制信号传输给驱动模块；同时，采集机车端的连锁信号，并将其通过无线通讯模块一传输至操作台，操作台响应操作；所述驱动模块，用于接收控制信号，实现对机车端的响应控制。其工作方法如下：

首先，系统采集操作台的操控数据及CAN总线数据；

其次，系统将操控数据转换为数字信号后通过无线通讯模块一进行传输；并通过无线通讯模块二实现CAN总线数据的无线传输；

然后，系统接收操控数据的数字信号并将其转换为控制信号；

最后，系统将控制信号进行光电隔离并放大后传输给机车端进行响应控制。

其中，还包括系统采集机车端的连锁信号并通过无线通讯模块一将连锁信号传输至操作台，操作台接收连锁信号并响应。

下面按照具体设计流程具体介绍本发明内容，具体设计流程如下:

1、控制信号梳理

SIMBA H1354钻孔机控制系统通信的优化主要是操作信号的传输方式改进，将电缆信号传输转换成无线信号传输，以减少设备因电缆被砸而停运维修的次数，同时减少了运行拖拉对电缆的磨损，提高设备的使用寿命。无线通信系统是以传输操作过程中的数字信号、模拟信号、CAN总线信号为目的而开发的通过PLC、CAN总线控制器、无线收发模块等元件构成的数据通信系统，通过一定的软件系统设计来实现数据的无线通信。

SIMBA H1354钻孔机的操作界面由两部分组成，如图2所示，面板所完成的控制比较多，R100为旋钮式的模拟量、41个数字量信号、电源线和地线。如图3所示，小面板均为继电式开关，产生的数字量信号总共有26个量；

2、系统方案设计

通过对系统的需求分析，基于无线通信技术的SIMBA H1354钻孔机无线控制设计中实现对操作过程中变化的数字量信号、模拟量信号的无线通信和无线CAN总线通信，系统基本构成包括接收和发送两部分，无线数据传输基本框图如图4所示。

系统优化设计的原理是操作端的操作信号经数据采集系统(西门子S7-200PLC)获取，并将其转换为数字信号，然后将数字信号送至无线数传模块发送器，将打包数据进行无线发送至机车端；机车端的无线数传模块接收器进行接收匹配的数据，把控制信号送入控制机构进行驱动，完成对设备的操作。无线数传模块发送器及无线数传模块接收器构成一组无线通讯模块。CAN总线信号通过CAN总线控制器、驱动器以及无线数传模块自主的来实现总线信 号的实时交互传递。

本例中，无线数据通信系统分为两个部分，无线通讯模块一主要是负责操作过程中每一操作事项所应传输的数字控制、模拟控制数据流即操控数据，以满足钻孔机短距离的无线控制数据传输。根据具体的操控数据，每一时刻的数据量都不是很大，通过无线数据通信模块可以达到原先电缆传输的速率，能够满足钻孔机的控制要求，通过一组单独的无线通讯模块进行无线传输。另一部分是对于CAN总线数据的通信，因设备中这一数据主要是显示屏D501对钻头的俯仰角和钻孔深度进行实时的显示，本设计中将此部分单独用无线通讯模块二进行处理。

3、从站设计

(1)电源设计

从站电源在原电缆连接时，由电缆提供6路电源，一路是供R100的模拟信号电源，直流10V，另外4路电源由电缆中标号为A，B，C，D的线路供操作电源，直流24V，此4路电源存在连锁关系，A，B两路电源同时供电，C，D两路在满足操作条件的情况下由机车端供电，保证操作动作之间的逻辑关系，避免误操作。还有1路是供小操作面板的操作电源，由方头电缆1号线提供直流24V。改造无线通讯后，去掉连接电缆，由于操作台自身无电源设计，因此采用探照灯电源供电，现有探照灯由机车端通过探照灯电缆供电，交流24V，因此，在操作台端需为无线通讯系统设计开关电源，提供操作台端需要的直流24V操作电源以及直流10V模拟量调节电源。电源变换使用两个开关电源，一个采用JSM150AC/DC开关电源，具有体积小、效率高、稳压范围宽、稳压精度高、纹波噪声小、重量轻等优点将探照灯交流24V变换为直流12V，功率150W，满足操作台端电源供给及模拟量电源需要。在此基础上,选用KREE-12-24开关电源模块,将上述直流12V电源输出转换为直流24V,功率120W,满足操作台端操作电源及D501显示模块电源需要。

(2)控制信号采集

操作台端操作信号包括大操作面板上的41路数字信号及1路模拟信号,小操作面板上的26路数字信号,本例选用西门子S7-200系列PLC作为数据采集系统,选用型号CPU224XP,该型号集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100KHz)，2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。

此外,选配输入模块EM221,包括16点输入2块,32点输入1块,S7-200数字量模块是S7-200CPU模块的扩展模块。当CPU模块集成的数字量I/O点数或I/O信号不能满足实际应用需求时，可考虑增加S7-200数字量模块。数字量模块可安装在CPU模块右侧的任意位置。每个S7-200数字量模块都自带一根带状I/O总线电缆。选择的PLC及扩展模块配置,可提供74路数字信号,2路模拟信号输入,10路数字信号输出,满足操作数据(67路数字信号输入,1路模拟信号输入)采集需要。

(3)操控数据的数字信号传输及CAN信号传输，如图5及图6所示：

操控数据的数字信号利用西门子S7200系列PLC本身具有的MODBUS通信协议,配置DTD433M无线数据终端进行无线信号传输。Modbus是由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。ModBus是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。ModBus网络只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。

选用的DTD433M无线数据终端提供了透明的RS232/RS485接口，无线可靠传输距离在1米～3000米范围内均可使用。DTD433M既可以实现点对点通信，也适合于点对多点而且分散不便于挖沟布线等应用场合，不需要编写程序，不需要布线。DTD433M不仅能与PLC、DCS、智能仪表及传感器等设备组成无线测控系统，同时能与组态软件、人机界面、触摸屏、测控终端等工控产品实现自由协议、PPI协议、MODBUS协议的组态，为工业测控领域提供了中短距离无线通信的低成本解决方案。

CAN信号传输：

SIMBA1354中深孔钻机在操作台端通过显示模块D501可提供钻孔的各种参数,包括俯仰角,旋转角,钻孔深度以及钻机各工作参数,参数通过连接机车端传感器模块由1路CAN总线传递,原操作电缆中s,t两条线路即CAN总线通信中的CAN_L,和CAN_H通信线。改造为无线通讯控制系统后也需要无线连接实现CAN通信。本系统中从站采用CANBridge CAN中继器+CAN转wifi模块无线中继模块构成从站CAN模块。本系统中,由于原系统中D120及D501模块中设定的CAN通信波特率为250Kbps,因此,配置CANBridge也选择250Kbps波特率即可。CAN-WIFI通信模块：系统中选用的CAN-WIFI模块内部集成了工业级的WiFi通讯组件，能实现CAN总线设备通过无线网络进行联网和数据传输。该模块采用优化的嵌入式设计，具有实时性好，体积小、功耗低的显著特点。

另外，操作台端除完成操作数据采集之外,还有来自机车端连锁信号需要处理,其中包括:

来自机车端水压力检测K118,防卡钻继电器K109,推进到位继电器K107的连锁信号S,此信号由主站(机车端)读取,通过数字信号传输通道写入从站(操作台端),由操作台端输出供相应的操作电源。

来自机车端夹爪闭合继电器K117的连锁信号v,此信号由主站(机车端)读取,通过数字信号传输通道写入从站(操作台端),由操作台端输出供相应的操作电源。

来自机车端操作面板总报警信号G,此信号由主站(机车端)读取,通过数字信号传输通道写入从站(操作台端),由操作台端输出供相应的操作电源。

系统中的互锁信号采集模块采集机车端的连锁信号，并将其通过无线通讯模块一传输至操作台，操作台相应控制。

主站设计

(1)电源设计

机车端无线控制装置需要24v直流电源,原电缆连接操作台也通过电缆中A,B,C,D四条线路供给24v直流电源，但经过测试，该四路电源随井下工作设备的接入，波动很大，经测试，波动范围在26-48v范围，不能直接接入无线控制装置使用，同时考虑四条线路之间的逻辑关系和负载均衡，在接入无线控制装置前加装一级DC/DC稳压电源。

A，B，C，D四路机车端24v直流电源分别进入四个DC/DC模块，输出介入相应的控制线路，实现控制装置的电源供给。

同时，机车端无线控制装置输出需要驱动模块来驱动电磁阀等用电设备，考虑驱动电源与控制电源分离和负载情况，从机车端另选稳定的24v直流电源作为装置的驱动电源。

(2)驱动信号

机车端无线控制装置输出需要驱动模块来驱动电磁阀等一系列用电设备，同时，很多操作比如接杆等需要输出能够得到快速响应。因此，在选配机车端无线控制装置的驱动模块时，本例选择PLC输出模块并选择了两种输出模块，晶体管输出和继电器输出6ES7214-2BD23-0XB0，同时考虑到驱动靠电磁阀和接触器控制，即PLC输出开关信号，通过电磁阀接触器驱动实际的负载，电磁阀、接触器都属于感性负载，在由接通到断开的时候会产生高压反电动势，这个高电压是重要的干扰源，会通过传导和辐射的方式影响到PLC等控制器，尤其是对模拟量信号和通讯信号产生不确定的干扰。因此,在PLC输出和电磁阀，驱动继电器之间增加一级驱动电路，一方面隔离PLC输出触点和电磁阀或者继电器，另一方面增加PLC输出触点的驱动容量。经过光电隔离、放大，最终输出较大功率的控制信号，通过他来直接驱动电机、接触器、电磁阀等。输入输出级间采用光电隔离，两部分完全独立开来，有效的 避免相因互干扰所引起的系统不稳定，有效地保护PLC输出节点，使设备工作起来更加稳定耐用。

(3)CAN信号传输

CAN信号传输部分设计与从站设计相同，参见从站设计部分。

(4)互锁信号传输

互锁信号指由机车端送入操作台端的互锁电源信号，即操作或者机车工作参数满足一定条件时，由机车端向操作台段提供操作电源，防止误操作，包括电缆中的G，S，v三个信号，由互锁信号采集模块采集机车端的连锁信号，并将其通过无线通讯模块一传输至操作台。本例可以从机车端无线控制装置中PLC输入端采集，并通过通信传输程序写入操作台端控制装置，操作台端控制装置在PLC输出端输出电压信号以供操作。

4、程序设计

控制程序采用主从站方式，机车端控制装置设置为主站，操作台端控制装置设置为从站，从站程序主要是通信初始化，接收主站通信指令并执行，收发数据等，主站程序则完成通信主要工作以及对数据的处理、输出以及驱动。PLC程序核心部分在于利用modbus协议库的通信程序，同时，针对本应用的特殊处理，包括一对一的通信设计，模拟量是否变化检测，写入数字量变化检测，通信错误处理，机械手点动延时处理等等。

(1)一对一通信设计

电缆连接天然解决了信号传递的一一对应,无线传输则需要保证两个操作面板上操作的对应实现,防止误操作，同时，井下多台设备同时作业时，操作面板上的各种操作,台车端的状态数据反馈,实现设备间的一一对应,防止多台设备间的误操作，为此，在硬件接线上，在机车端和操作台端的控制装置上，均把PLC输入端I1.4，I1.5作为设备地址信号，本项目中，选择两输入端均接入24v电源，即设备地址均设置为3的办法，通信建立前，首先验证地址信息，两端地址匹配才进行数据通信，解决设备与通信的一一对应问题。

LD I1.4＝M0.0

LD I1.5＝M0.1

(2)通信程序优化

SIMBA 1354中深孔钻机的操作数据包括三个部分，一是操作人员在操作面板上通过各种按钮，手柄，开关产生的数字量操作数据，二是通过操作面板上R100旋钮产生的模拟量操作数据，此两类数据传输方向均为操作台向机车端，从程序设计的角度是主站读取数据，此外还有第三种数据，即由机车端产生的连锁信号，即前述的G，S，v三个电压信号，需要从机车端向操作台端传输，从通信程序的角度，是主站向从站写入数据。在三类数据中，操作数 据随操作人员对钻机的控制发生变化，随时都会有新的数据产生需要传输，所以，程序运行的每个周期都需要主站读取这部分操作数据。

LD M2.0＝L60.0

LD M2.0EU＝L63.7

LD L60.0

CALL SBR2,L63.7,MB0,1,1,+8,&VB5000,M1.1,MB8

LD M1.1EU LPS AB<>MB8,0S M5.1,1

LRDR M2.0,1

LPP S M2.1,1

LD M2.1＝L60.0

LD M2.1EU＝L63.7

LD L60.0

CALL SBR2,L63.7,MB0,0,10001,+80,&VB200,M1.2,MB9

模拟量数据在操作过程中较少发生变化，因此，通信程序只需要在模拟量发生变化时传输这部分数据。

LD M1.3LPS AB<>MB6,0

S M5.3,1

LPP EU

LPSR M2.2,1

AW>C1,0

S M2.0,1

LRD AW<＝C1,0

S M2.1,1

LPP R M2.5,1

LD M5.0EU

LD M5.1EU OLD

LD M5.2EU OLD

LD M5.3EU OLD

LD M7.2

CTU C0,+20

同样，主站采集的机车端连锁信号，根据机车端钻机的工作参数产生，也不是随时发生 变化，也只需要在发生变化时写入从站，由从站输出到操作台。

LD M1.2

AN M2.5

TON T32,+2

LD T32EU

LPS AW>C1,0

S M2.0,1

LPP AW<＝C1,0

S M2.1,1

LD M2.2＝L60.0

LD M2.2EU＝L63.7

LD L60.0

CALL SBR2,L63.7,MB0,0,30001,+1,&VB1000,M1.3,MB6

上述三类数据中模拟量，需要写入的数字量采取变化检测，发生变化后再进行传输，主要是为了减少数据传输的数据量，在整个通信过程中减去模拟量和连锁数据的传输时间，提高无线控制装置对操作人员操作数据的响应速度。

(3)机械手控制优化

机械手的运动控制是整个系统控制的难点，在接杆过程中，需要机械手的运动较为精确，电缆控制时，精确控制是通过操作人员对操作手柄的点动操作控制，改装无线控制装置后，由于无线数据传输的时延，PLC扫描周期的限制，机械手的精确控制成为一个难点。

程序设计中，机械手的向内外双向连续运动，无需特殊处理，与电缆控制时相同，点动控制时，程序通过对操作手柄的点动检测，获取手柄触点的闭合脉冲，以此为点动启动信号，启动机械手运动电磁阀，结合PLC内置定时器，使机械手实现100ms微动，由此实现机械手点动时的精确控制，机械手操作逻辑如图7所示，机械手控制手柄在1、3位置为点动控制，对应控制线路图如图8所示。

对应的程序控制为：

LD M5.0EU

LD M5.1EU

OLD LD M5.2EU

OLD LD M5.3EU

OLD LD M7.0

CTU C0,+20

LD SM0.0

R M5.0,4

R M7.0,4

LDN C0

LPS

反向点动：

LD M5.0EU

LD M5.1EU

OLD LD M5.2EU

OLD LD M5.3EU

OLD LD M7.3

CTU C0,+20

LD SM0.0

R M5.0,4

R M7.0,4

LDN C0

LPS

(4)通信错误控制

SIMBA 1354作业环境为井下作业，电磁环境较为理想，除机车端接触器、继电器工作产生的电磁干扰外，无其他强电磁干扰，数据传输使用频率433MHz，CAN数据传世使用2.5GHz，也是工业无线控制常用的作业频率，基本可以保证数据传输的可靠性。

考虑作业时设备和人员安全，对可能发生的通讯错误进行复位处理，即在通信的每个周期，累计程序检测到的通信故障，超过5次(按照通信周期200ms计算，错误发生周期为1s)即在操作台端产生一个停车信号，PLC输出端数据清零并驱动所有电磁阀、继电器复位，整车处于停止工作状态，保证设备及人员安全。

LD M5.0EU

LD M5.1EU

OLD LD M5.2EU

OLD LD M5.3EU

OLD LD M7.2

CTU C0,+20

LD SM0.0

R M5.0,4

R M7.0,4

LDN C0

LPS

BMB VB200,VB4000,10

MOVW VW1000,VW3000

ITD VW3000,VD3002

AENO

DTR VD3002,VD3002

AENO*R 0.95,VD3002

AENO ROUND VD3002,VD3002

AENO DTI VD3002,VW3000

LPP

综上所述，本发明将操作台的操作信号经数据采集系统获取，然后将数字信号送至无线通讯模块一，将打包数据进行无线发送至驱动模块，将其转换为控制信号，实现对机车端的响应控制；无线通讯模块二实现CAN总线数据的无线传输；无线数据通信系统分为两个部分，无线通讯模块一传输数字控制、模拟控制数据部分，主要是负责操作过程中每一操作事项所应传输的数据流，以满足钻孔机短距离的无线控制数据传输，根据具体的操作步骤，每一时刻的数据量都不是很大，通过无线数据通信模块可以达到原先电缆传输的速率，能够满足钻孔机的控制要求；另一部分是对于CAN总线数据的通信，因设备中这一数据主要是显示屏D501对钻头的俯仰角和钻孔深度进行实时的显示，本设计中将此部分单独用一个无线模块进行处理。另外，改造无线遥控装置后，由于去掉连接电缆，操作台自身无电源设计，在操作台端无线控制箱内设计开关电源，只需要提供操作台端需要的直流24V操作电源以及直流10V模拟量调节电源。最后，驱动模块一般通过电磁阀接触器驱动实际的负载，电磁阀、接触器都属于感性负载，在由接通到断开的时候会产生高压反电动势，这个高电压是重要的干扰源，会通过传导和辐射的方式影响到PLC等控制器，尤其是对模拟量信号和通讯信号产生不确定的干扰；驱动模块通过驱动电路与及机车端连接；一方面隔离驱动模块输出触点和电磁阀或者继电器，另一方面增加驱动模块输出触点的驱动容量；同时，控制信号经过光电隔离、放大，最终输出较大功率的控制信号，通过他来直接驱动电机、接触器、电磁阀等。输入输出 级间采用光电隔离，两部分完全独立开来，有效的避免相因互干扰所引起的系统不稳定，有效地保护驱动模块输出节点，使设备工作起来更加稳定耐用。

Claims (9)

1.中深孔台车控制系统，包括机车端及操作台，其特征在于，还包括PLC数据采集模块一、PLC数据采集模块二、无线通讯模块一、无线通讯模块二、驱动模块及电源模块；所述操作台分别与PLC数据采集模块一及无线通讯模块二连接，PLC数据采集模块一与无线通讯模块一连接，无线通讯模块一与PLC数据采集模块二连接，PLC数据采集模块二与驱动模块连接，PLC数据采集模块二与驱动模块分别与机车端连接；

所述PLC数据采集模块一，用于采集操作台的操控数据，并将操控数据转换为数字信号传输给无线通讯模块一；

所述无线通讯模块一，用于将操控数据的数字信号传输给PLC数据采集模块二；

所述无线通讯模块二，用于实现CAN总线数据的无线传输；

所述PLC数据采集模块二，用于将接收到的操控数据的数字信号转换为控制信号传输给驱动模块；同时，采集机车端的连锁信号，并将其通过无线通讯模块一传输至操作台，操作台响应操作；

所述驱动模块，用于接收控制信号，实现对机车端的响应控制。

2.根据权利要求1所述的中深孔台车控制系统，其特征在于，所述无线通讯模块二包括CAN Bridge CAN中继器及CAN-wifi通信模块。

3.根据权利要求1所述的中深孔台车控制系统，其特征在于，所述无线通讯模块一采用MODBUS通信协议,配置DTD433M无线数据终端进行无线信号传输。

4.根据权利要求1所述的中深孔台车控制系统，其特征在于，还包括驱动电路，所述驱动模块通过驱动电路与及机车端连接；

所述驱动电路，用于将控制信号进行光电隔离并放大后传输给机车端进行响应控制。

5.根据权利要求1所述的中深孔台车控制系统，其特征在于，所述电源模块包括直流24V操作电源及直流10V模拟量调节电源。

6.中深孔台车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、系统采集操作台的操控数据及CAN总线数据；

步骤2、系统将操控数据转换为数字信号后通过无线通讯模块一进行传输；并通过无线通讯模块二实现CAN总线数据的无线传输；

步骤3、系统接收操控数据的数字信号并将其转换为控制信号；

步骤4、系统将控制信号进行光电隔离并放大后传输给机车端进行响应控制。

7.根据权利要求6所述的中深孔台车控制方法，其特征在于，所述步骤1中，系统通过PLC控制柜采集操作台的操控数据及CAN总线数据。

8.根据权利要求6所述的中深孔台车控制方法，其特征在于，所述步骤1中，所述无线通讯模块二包括CAN Bridge CAN中继器及CAN-wifi通信模块；所述无线通讯模块一采用MODBUS通信协议,配置DTD433M无线数据终端进行无线信号传输。

9.根据权利要求6所述的中深孔台车控制方法，其特征在于，还包括系统采集机车端的连锁信号并通过无线通讯模块一将连锁信号传输至操作台，操作台接收连锁信号并响应。