CN116480390A - 一种自动钻锚控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自动钻锚控制方法及系统，属于自动钻锚控制技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种自动钻锚控制方法及控制系统硬件结构的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：通过井下钻锚机的电控箱控制无线通信模块配置无线射频通讯信道，基于握手通信协议使遥控器和电控箱处在同一信道并能进行一对一的远程无线通信；启动电控箱，通过电控箱采集钻杆推送机构中传感器组当前采集的数据，由电控箱通过无线通信模块发送至监控室内的显示器进行显示；电控箱结合当前钻杆推送机构的状态信息以及摄像头采集的图像信息，进行自适应调姿和打孔，由电控箱控制钻杆推送机构中的电磁阀组及变频器；本发明应用于井下钻锚场所。

Description

一种自动钻锚控制方法及系统
技术领域
本发明提供一种自动钻锚控制方法及系统，属于自动钻锚控制技术领域。
背景技术
在连续采煤巷道工作面通常使用掘锚机执行掘进钻锚工作，该项工作能够保证煤矿的安全生产、提高劳动效率、提升质量效益；目前煤矿井下使用的大部分掘锚机都采用液压杆的操作形式，要求操作人员在作业现场，进行钻锚时距离锚杆近，打锚杆过程中会出现大量流水造成操作环境恶劣，并且钻杆还有可能因为形变过度而断杆或被甩飞，存在安全隐患，此外一个操作员同一时间只能控制一台钻臂，将严重影响工作效率。
为克服上述井下打锚杆及锚固时所处环境恶劣，以及锚杆旋转时断杆甩飞导致安全隐患等问题，需要对目前的掘进机钻孔锚固控制方法及控制系统进行改进，对于降低掘进设备损耗、提高作业安全系数、提高生产效率具有重要意义。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种自动钻锚控制方法及控制系统硬件结构的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种自动钻锚控制方法，包括如下自动钻锚控制步骤：
步骤一：通过井下钻锚机的电控箱控制无线通信模块配置无线射频通讯信道，基于握手通信协议使遥控器和电控箱处在同一信道并能进行一对一的远程无线通信；
步骤二：启动电控箱，通过电控箱采集钻杆推送机构中传感器组当前采集的数据，由电控箱通过无线通信模块发送至监控室内的显示器进行显示；
步骤三：电控箱结合当前钻杆推送机构的状态信息以及摄像头采集的图像信息，进行自适应调姿和打孔，由电控箱控制钻杆推送机构中的电磁阀组及变频器，控制比例电磁阀，驱动上下摆动油缸、左右摆动油缸实现自动找孔，且在打孔过程中通过摄像头对钻杆形变情况进行监控预警：
控制比例电磁阀调节阀门开口来控制液压流量，对打孔进给速度进行控制，根据进给压力传感器采集的数据对锚杆进给速度进行调节，由变频器控制驱动旋转电机实现对转速和扭矩的调节；
步骤四：在打孔完毕后进行自动锚固。
所述步骤二中显示器显示钻锚操作的运行参数信息包括：打孔深度、打孔数量、进给位移、支撑位移、滑移位移、进给压力、电机转速、变频器旋转扭矩、倾斜角度数据。
所述步骤三中执行的锚杆进给速度和电机旋转速度具体通过扭矩进给PID比例控制算法实现，针对锚杆的进给速度和旋转速度的计算公式为：
；
式中：为比例增益，/>与比例度成倒数关系；
为积分时间常数；
为微分时间常数；
U(t)为PID控制器的输出信号；
e(t)为给定值r(t)与测量值之差。
所述步骤三中对钻杆形变进行监控预警的方法为：
通过摄像头实时采集钻杆形变的图像数据，当检测到钻杆形变角度θ1超过预设的预警角度时，由电控箱控制增加钻杆旋转速度，并减小进给速度；
当检测到钻杆形变角度θ2超过预设的停车角度时，则判断钻杆形变过大，由电控箱控制紧急停车。
所述步骤三中进行自动打孔的具体步骤为：
步骤3.1：控制电控箱预设如下的自动打孔参数：
钻孔深度为L1，设定钻孔冲水时间为T1；
药卷凝固时间为T2，药卷搅拌时间为T3，紧固药卷转矩为P1；
钻箱钻孔转速为R1，钻箱搅拌转速为R2，钻箱紧固转速为R3；
进给初始速度为V1，进给下降速度为V2；
进给步距调整为△1，钻箱步距调整为△2；
步骤3.2：控制遥控器开始执行自动钻孔操作：
控制水阀打开后向钻头供水，控制钻箱以R1转度正转，钻头以V1速度进给，在钻头触煤后检测触媒压力；
根据钻头进给速度进行PID自动调节；
当检测到进给压力大于进给压力上限Pmax时控制降低进给速度；
当检测到进给压力小于进给压力下限Pmin时控制提高进给速度；
使进给压力维持恒定；
根据钻头旋转速度进行PID自动调节；
当检测到进给压力大于进给压力上限Pmax时控制提高转速；
当检测到进给压力小于进给压力下限Pmin时控制降低转速；
步骤3.3：当进给位移达到预设深度L1时，判断钻到位，控制停止进给，则控制钻头原地旋转T1时间，进行扩孔并把孔内煤泥冲刷干净，以方便钻杆推杆，然后控制钻头停止旋转，并以V2速度退钻杆，等待钻杆退到初始位移时判断自动打孔流程结束。
所述步骤四中进行自动锚固的具体步骤为：
控制遥控器开始执行自动锚固操作：
控制锚杆以V1速度进给，当钻杆上升到L1=50mm时停止进给，控制钻箱以R2速度搅拌药卷，控制搅拌T3时间，然后控制钻箱停止旋转，等待药卷凝固T2时间，然后控制钻箱以R3速度正转，紧固螺母，使变频转矩>P1，紧固完成后控制钻箱停止旋转，控制钻杆进给下降，等待搅拌器退到初始位移时判断自动锚固流程结束。
一种自动钻锚控制系统，包括设置在井下钻锚机上的电控箱，在电控箱的后端设置有变频器，在电控箱的前端设置有钻杆推送机构，在钻杆推送机构的后端设置有摄像头，所述电控箱上还设置有无线通信模块；
所述电控箱通过导线分别与变频器、钻杆推送机构、摄像头、无线通信模块的控制端相连；
所述电控箱还通过导线与设置在监控室内的显示器相连，在监控室内使用遥控器通过无线网络与无线通信模块无线连接；
所述钻杆推送机构内部设置有用于控制钻孔和锚固的传感器组和电磁阀组。
所述传感器组包括：旋转压力传感器、进给压力传感器、倾斜左右位移传感器、倾斜上下位移传感器、滑移左位移传感器、滑移右位移传感器、进给位移传感器、支撑位移传感器；
所述电磁阀组包括：供水电磁阀、提升电磁阀、倾斜左右电磁阀、倾斜上下电磁阀、滑移电磁阀、夹钳电磁阀、进给电磁阀、支撑电磁阀。
所述电控箱具体采用KXJ3-24矿用隔爆兼本安型电控箱；
所述变频器具体采用BPB1-15/380矿用隔爆型交流变频器；
所述显示器具体采用CH3-24矿用本安型显示器；
所述遥控器具体采用YFY50矿用本安型遥控器。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种基于交互页面的自动钻锚方法及控制系统，该控制系统能够基于人机交互页面进行自动钻锚的控制，可以实现远程一键式自动打孔及锚固，从根本上改善操作人员的工作环境，规避工作中存在的淋水、受伤等风险；钻锚控制系统中使用包括遥控器、电控箱、显示器、变频器等硬件设备，主要操作遥控器通过无线射频把信息发送至电控箱，由显示器显示电控箱当前状态信息，电控箱在收到遥控器指令后通过预设的PWM占空比策略的方法控制相应电磁阀的开度，从而实现对钻头进给速度的调节，该套系统制作成本低，结构紧凑，不易损坏，可广泛适用于各种连续采煤机及多臂钻机。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明控制系统的结构示意图；
图2为本发明控制系统的电路结构示意图；
图3为本发明控制电磁阀组的电路结构示意图；
图4为本发明监控钻杆形变的示意图；
图5为本发明控制自动打孔的步骤流程图；
图6为本发明控制自动锚固的步骤流程图；
图中：1为电控箱、2为变频器、3为摄像头、4为无线通信模块、5为显示器、6为遥控器。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明提供一种基于交互页面的自动钻锚方法及钻锚时使用的一套控制系统，主要包括遥控器、电控箱、显示器、变频器等硬件设备，通过操作遥控器通过无线射频把信息发送至电控箱，由显示器显示电控箱当前状态信息，电控箱在收到遥控器指令后通过预设的“PWM占空比策略”的方法控制相应电磁阀的开度，从而实现对钻头进给速度的调节；此外电控箱通过预设的“变频器IGBT开环矢量控制（SVC）策略”的方法驱动旋转电机，从而实现对转速和扭矩的控制；电控箱采用找孔PID控制、转速PID控制、进给PID控制算法相结合的方式能够实现自动找孔到自动打孔，再到自动锚固的一体化操作。
进一步的，本发明提供一种基于智能人机交互页面的自动钻锚方法，应用于煤矿连续采煤巷道工作面的掘锚机控制场所，提出的自动钻锚方法主要包括：
配置无线433MHz射频通讯信道，基于握手通信协议使遥控器和电控箱处在同一信道，在不影响自动钻臂控制的前提下，进行一对一的远程无线通信；
操作电控箱控制显示器实时显示当前钻锚操作的运行参数信息，包括：打孔深度、打孔数量、进给位移、支撑位移、滑移位移、进给压力、旋转扭矩、倾斜角度。
电控箱内部集成射频通讯模块、以太网通信模块、485通讯模块、电磁阀比例控制模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块；
启动电控箱后，电控箱结合当前状态信息，进行自适应调姿和打孔，在打孔完毕后进行自动锚固。
本发明提供的自动钻锚控制系统主要包括四个模块设备：YFY50矿用本安型遥控器、KXJ3-24矿用隔爆兼本安型电控箱、CH3-24矿用本安型显示器、BPB1-15/380矿用隔爆型交流变频器，上述设备联合实现控制操作。
所述电控箱主要通过“扭矩PID比例微积分控制+进给PID比例微积分控制”算法联合控制实现，其中针对锚杆的进给速度和旋转速度的计算公式为：
；
式中：为比例增益，/>与比例度成倒数关系；
为积分时间常数；
为微分时间常数；
U(t)为PID控制器的输出信号；
e(t)为给定值r(t)与测量值之差。
如图4所示，在自动钻锚过程中，所述电控箱外接摄像头采集钻杆形变的图像数据，为实现锚孔检测功能，当检测到钻杆形变角度θ1超过预设的预警角度时，增加钻杆旋转速度，并减小进给速度；当检测到钻杆形变角度θ2超过预设的停车角度时，则认为钻杆形变过大，电控箱将控制紧急停车。
本发明采用摄像头实现自动找孔功能，再通过摆动PID算法，控制比例电磁阀，驱动上下摆动油缸、左右摆动油缸以实现自动找孔。
本发明为实现自动钻锚的控制，电控箱内部采用microchip公司的64 引脚低功耗高性能MCU-PIC18F66K40控制芯片，该控制芯片结合了超低功耗技术，配备了10 位带计算功能的ADC，支持自动电容分压器技术，提供一组独立于内核的外设，例如互补波形发生器、窗口看门狗定时器、循环冗余校验/ 存储器扫描、过零检测和外设引脚选择，用于提高设计灵活性和降低系统成本。
进一步的，本发明为实现远程控制钻臂进行自动打孔及自动锚固，且要确保打孔深度误差及锚固质量，需要使用到如下硬件模块：
由遥控器负责远程控制：硬件采用433M射频通讯，软件采用自研握手协议，保证遥控器与电控箱实现一对一匹配，确保多台钻架之间无干扰。
由显示器负责显示当前钻锚状态：进给位移、支撑位置、进给压力等传感器信息，电机转速、转矩等变频器信息，各种设备的运行状态信息。
由变频器负责驱动电机，实时检测当前钻箱运行电压、运行电流、运行转速、运行扭矩、IGBT状态、电机温度，并把信息传给电控箱。
本发明的实现方法，主要是通过控制比例电磁阀调节阀门开口，从而控制液压流量，对打孔进给速度进行控制，再根据进给压力传感器采集的数据对进给速度进行全程微调，并利用变频器的转速及扭矩控制功能，对电机的转速及转矩进行全程微调；该控制系统还可以增加对外通讯功能，例如wifi通讯协议，连入井下环网，实时上传钻架信息到地面，实现地面的数字孪生管理。
本发明提供的自动钻锚控制系统在使用时，首先进行自动钻锚系统的搭建，搭建设备包含配套的传感器组、配套电磁阀、摄像头、变频器、遥控器、显示器。
然后预设以下自动打孔参数：
设定钻孔深度为L1，设定钻孔冲水时间为T1；
药卷凝固时间为T2，药卷搅拌时间为T3，紧固药卷转矩为P1；
钻箱钻孔转速为R1，钻箱搅拌转速为R2，钻箱紧固转速为R3；
进给初始速度为V1，进给下降速度为V2；
进给步距调整为△1，钻箱步距调整为△2；
本发明提供的自动打孔流程，参考图5：对遥控器同时按下“SHIFT辅助+AUTO钻孔”按钮2s以上，开始执行自动钻孔操作，操作步骤为：
自动打孔开始：
控制水阀打开后向钻头供水，控制钻箱以R1转度正转，钻头以V1速度进给，在钻头触煤后检测触媒压力；
根据钻头进给速度进行PID自动调节；
当检测到进给压力大于进给压力上限Pmax时控制降低进给速度；
当检测到进给压力小于进给压力下限Pmin时控制提高进给速度；
使进给压力维持恒定；
根据钻头旋转速度进行PID自动调节；
当检测到进给压力大于进给压力上限Pmax时控制提高转速；
当检测到进给压力小于进给压力下限Pmin时控制降低转速；
当进给位移达到预设深度L1时，认为钻到位则控制停止进给，则控制钻头原地旋转T1时间，进行扩孔并把孔内煤泥冲刷干净，以方便钻杆推杆，然后控制钻头停止旋转，并以V2速度退钻杆，等待钻杆退到初始位移时判断自动打孔流程结束。
本发明提供的自动锚固流程，参考图6：对遥控器同时按下“SHIFT辅助+AUTO锚固”按钮2s以上，开始执行自动锚固操作，操作步骤为：
自动锚固开始：
控制锚杆以V1速度进给，当钻杆上升到L1=50mm时停止进给，控制钻箱以R2速度搅拌药卷，控制搅拌T3时间，然后控制钻箱停止旋转，等待药卷凝固T2时间，然后控制钻箱以R3速度正转，紧固螺母，使变频转矩>P1，紧固完成后控制钻箱停止旋转，控制钻杆进给下降，等待搅拌器退到初始位移时判断自动锚固流程结束。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种自动钻锚控制方法，其特征在于：包括如下自动钻锚控制步骤：
步骤一：通过井下钻锚机的电控箱（1）控制无线通信模块（4）配置无线射频通讯信道，基于握手通信协议使遥控器（6）和电控箱（1）处在同一信道并能进行一对一的远程无线通信；
步骤二：启动电控箱（1），通过电控箱（1）采集钻杆推送机构中传感器组当前采集的数据，由电控箱（1）通过无线通信模块（4）发送至监控室内的显示器（5）进行显示；
步骤三：电控箱（1）结合当前钻杆推送机构的状态信息以及摄像头（3）采集的图像信息，进行自适应调姿和打孔，由电控箱（1）控制钻杆推送机构中的电磁阀组及变频器，控制比例电磁阀，驱动上下摆动油缸、左右摆动油缸实现自动找孔，且在打孔过程中通过摄像头（3）对钻杆形变情况进行监控预警：
控制比例电磁阀调节阀门开口来控制液压流量，对打孔进给速度进行控制，根据进给压力传感器采集的数据对锚杆进给速度进行调节，由变频器（2）控制驱动旋转电机实现对转速和扭矩的调节；
步骤四：在打孔完毕后进行自动锚固。
2.根据权利要求1所述的一种自动钻锚控制方法，其特征在于：所述步骤二中显示器（5）显示钻锚操作的运行参数信息包括：打孔深度、打孔数量、进给位移、支撑位移、滑移位移、进给压力、电机转速、变频器旋转扭矩、倾斜角度数据。
3.根据权利要求2所述的一种自动钻锚控制方法，其特征在于：所述步骤三中执行的锚杆进给速度和电机旋转速度具体通过扭矩进给PID比例控制算法实现，针对锚杆的进给速度和旋转速度的计算公式为：
；
式中：为比例增益，/>与比例度成倒数关系；
为积分时间常数；
为微分时间常数；
U(t)为PID控制器的输出信号；
e(t)为给定值r(t)与测量值之差。
4.根据权利要求3所述的一种自动钻锚控制方法，其特征在于：所述步骤三中对钻杆形变进行监控预警的方法为：
通过摄像头（3）实时采集钻杆形变的图像数据，当检测到钻杆形变角度θ1超过预设的预警角度时，由电控箱（1）控制增加钻杆旋转速度，并减小进给速度；
当检测到钻杆形变角度θ2超过预设的停车角度时，则判断钻杆形变过大，由电控箱（1）控制紧急停车。
5.根据权利要求4所述的一种自动钻锚控制方法，其特征在于：所述步骤三中进行自动打孔的具体步骤为：
步骤3.1：控制电控箱（1）预设如下的自动打孔参数：
钻孔深度为L1，设定钻孔冲水时间为T1；
药卷凝固时间为T2，药卷搅拌时间为T3，紧固药卷转矩为P1；
钻箱钻孔转速为R1，钻箱搅拌转速为R2，钻箱紧固转速为R3；
进给初始速度为V1，进给下降速度为V2；
进给步距调整为△1，钻箱步距调整为△2；
步骤3.2：控制遥控器（6）开始执行自动钻孔操作：
控制水阀打开后向钻头供水，控制钻箱以R1转度正转，钻头以V1速度进给，在钻头触煤后检测触媒压力；
根据钻头进给速度进行PID自动调节；
当检测到进给压力大于进给压力上限Pmax时控制降低进给速度；
当检测到进给压力小于进给压力下限Pmin时控制提高进给速度；
使进给压力维持恒定；
根据钻头旋转速度进行PID自动调节；
当检测到进给压力大于进给压力上限Pmax时控制提高转速；
当检测到进给压力小于进给压力下限Pmin时控制降低转速；
步骤3.3：当进给位移达到预设深度L1时，判断钻到位，控制停止进给，则控制钻头原地旋转T1时间，进行扩孔并把孔内煤泥冲刷干净，以方便钻杆推杆，然后控制钻头停止旋转，并以V2速度退钻杆，等待钻杆退到初始位移时判断自动打孔流程结束。
6.根据权利要求5所述的一种自动钻锚控制方法，其特征在于：所述步骤四中进行自动锚固的具体步骤为：
控制遥控器（6）开始执行自动锚固操作：
控制锚杆以V1速度进给，当钻杆上升到L1=50mm时停止进给，控制钻箱以R2速度搅拌药卷，控制搅拌T3时间，然后控制钻箱停止旋转，等待药卷凝固T2时间，然后控制钻箱以R3速度正转，紧固螺母，使变频转矩>P1，紧固完成后控制钻箱停止旋转，控制钻杆进给下降，等待搅拌器退到初始位移时判断自动锚固流程结束。
7.一种自动钻锚控制系统，其特征在于：包括设置在井下钻锚机上的电控箱（1），在电控箱（1）的后端设置有变频器（2），在电控箱（1）的前端设置有钻杆推送机构，在钻杆推送机构的后端设置有摄像头（3），所述电控箱（1）上还设置有无线通信模块（4）；
所述电控箱（1）通过导线分别与变频器（2）、钻杆推送机构、摄像头（3）、无线通信模块（4）的控制端相连；
所述电控箱（1）还通过导线与设置在监控室内的显示器（5）相连，在监控室内使用遥控器（6）通过无线网络与无线通信模块（4）无线连接；
所述钻杆推送机构内部设置有用于控制钻孔和锚固的传感器组和电磁阀组。
8.根据权利要求7所述的一种自动钻锚控制系统，其特征在于：所述传感器组包括：旋转压力传感器、进给压力传感器、倾斜左右位移传感器、倾斜上下位移传感器、滑移左位移传感器、滑移右位移传感器、进给位移传感器、支撑位移传感器；
所述电磁阀组包括：供水电磁阀、提升电磁阀、倾斜左右电磁阀、倾斜上下电磁阀、滑移电磁阀、夹钳电磁阀、进给电磁阀、支撑电磁阀。
9.根据权利要求7所述的一种自动钻锚控制系统，其特征在于：所述电控箱（1）具体采用KXJ3-24矿用隔爆兼本安型电控箱；
所述变频器（2）具体采用BPB1-15/380矿用隔爆型交流变频器；
所述显示器（5）具体采用CH3-24矿用本安型显示器；
所述遥控器（6）具体采用YFY50矿用本安型遥控器。
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