通用钻机数控操作装置—电控系统创新设计

张祖红+刘清平

摘 要：钻机是实现地质类勘探工作最主要、最直接的机电设备。行业发展和用工需求倒逼钻机设备制造业的发展。钻机设备自动化升级改造势在必得。钻机设备的智能化程度是衡量设备制造行业发展的根本标尺。笔者对智能化操作控制系统做出多年的探索和实践，成功应用到多种钻机设备中，也升级了不少旧钻机设备。

关键词：钻机；数控操作装置；电控系统

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

0 概述

两年来，通过到钻机生产企业和地质勘探企业实地调研和研究，笔者经过多次测试和修改，设计出相对较稳定的钻机智能化操作控制系统。该系统装置既适合旧设备，又可以嵌入到新设备中。本系统原来设计的目的主要为旧设备改造升级服务的，故本系统还设计了操作杆、操作柄等机电控制驱动部件。通过远程指令、无线传输和无线接收解码，能很精确地控制机械部件动作，其步进动作优于人工手控动作。

1 技术领域

通用钻机全向数控操作系统装置，是基于对我国钻探行业通用机械—液压旧钻机结构模式，进行智能化改造升级的全自动信息化设备操控系统。主要包含信息编码、无线传输、无线接收、图像传输、图像信号处理、机电传动、机械部件驱动机构、驱动电路、信息检测与控制电路等。实质上，本设备是将电子信息技术、图像处理技术、控制技术和软件技术等综合应用到旧设备中。

2 背景技术

我国数千家钻机生产企业还停留在老工艺、老功能、老客户、老用户的理念上；钻机企业越做越小、越做越窄；同技术层次产品，竞争激烈，利润越来越低，研发投入少；企业疏于改造创新，设备难以升级；有教育背景和行业背景专业研发人员匮乏，市场关注程度不够；高端产品都是进口，设备费用、技术费用、培训费用等很高。

随着劳动力减少和劳动力内涵的变化，旧钻机升级改造和钻机数控操作系统设计势在必行，而且有较大的市场化应用前景。据相关专业权威研究数据表明，旧钻机智能化改造和升级市场份额有50亿人民币。这种现象有点类似于二十多年前旧机床的改造升级业务。本作品就是基于这样的背景设计开发的。

3 创新点

（1）自主设计的钻机操作程式智能化管理系统，将人为重复操作过程转化为程序控制，进而控制机械驱动部件，最终控制设备操作杆，完全替代工人的现场操作和控制。本系统可以实现车前进与后退；车左拐与右拐；钻杆上升与下降；钻杆左移与右移等功能。经测试，完成时间略高于人工。

（2）精密机械控制驱动模块，包含齿轮箱和齿轮，电路驱动电流大，线性范围宽，自适应调节，级差小，适合远距离精密控制。平移距离不小于20CM，响应时间不小于1MM/秒。

（3）可以设定距离、深度、时间要求，控制钻机在规定的参数要求下完成钻进、提升、平移、前进、后退等动作。

（4）现场工作环境条件自动监测功能，遇到大雨、大风、油量、水量等不适合钻机工作的条件，能自动告知控制台。

（5）整机可以工作于手动和自动工作方式，互不干扰，灵活转换和设置系统工作方式；在图像监控模块，本机有图像自动/手动跟踪和展示功能。

4 创新原理

采用电子信息技术手段，真正做到把市场上需要人为现场操控钻机完成生产的工作转化为由设备完成的程控过程。系统基本在一定限度内能代替人力工作，能大大减少地勘项目的人力成本和劳动强度。

设备操作杆加装螺纹柱型杆（自制）与步进电机螺纹杆相匹配，通过无线传输指令，控制螺杆间相互作用，驱使设备操作杆完成平移运动，从而控制钻机完成功能操作。

软件控制板能控制摄像头自动跟踪设备动作，故障出现时能自动传递设备现场图像，工作人员能及时诊断、调整、上报维修等。钻机工作过程是固定的，每个动作会对应一个状态，每个状态会对应电路控制部分、驱动部分的电压和电流。根据检测到的电位大小方位即可以判别设备状态，这就是自动跟踪软件算法编写的实质和来源。

设备工作模式能自由设定，含软件的功能转换控制板能根据工作需要，灵活控制设的操控形式，全自动、电动、手动等。

5 系统结构图

整个电控系统包含三大部分，钻机操作控制接收部分、图像采集与传输部分和操作指令发送与图像监测。框图如图1所示。

钻机操作与接收部分，主要安装在执行设备上。电路模块会实时接收并处理操作台发来的加密指令，解码后回控制执行机构动作。驱动电路要求具备一定的功率，驱动管要选择高频特性较好的配对功率管。

图像采集与传输部分，主要用来实时监测钻机的动作情况，判别钻机功能动作是否正常，是否符合软件操控要求，向监控台传送图像信号。

操控台，主要采用点动或者全自动的方式向接收装置发送指令，并实时监测设备运行情况。异常情况，可以点动停止。

6 系统设计

6.1 硬件设计

主要采用了无线传输模块、图像传输模块、处理器控制模块电路、CPLD图像处理电路、互补对称功率放大电路等。因篇幅原因，就不对具体电路进行分析和说明。本文给出部分原理图，如图2所示。

6.2 软件设计

主要针对单片机和CPLD两部分编写程序，协调管理、信号分些、控制驱动系统功能实现。具体程序算法和程序结构图在此就不表述。

6.3 机械部件设计

这部分还是很有讲究的。因为旧设备的操作杆、操作柄位置固定，只能围绕固定点做圆周运动。要设计符合运动轨迹特点的螺杆相配合，才能在驱动电机的带动下，顺利完成操作。

7 使用方法

（1）图像系统采用独立蓄电池逆变供电；设备控制驱动电路采用蓄电池逆变或者设备自带发电机供电；控制室可以采用蓄电池逆变供电也可以采用工频电源供电。按接线图连接好工作模块。

（2）通电，系统进入自检状态，快速检测若干关键点电位大小、频率变化以及通讯数据等。出错会报警提示。

（3）测试图像传输系统及摄像头控制系统工作状态；测试钻机机电驱动控制系统工作态；

（4）按工作要求对系统进行参数设定，如工作时间、前进距离、钻进距离或者工作过程组合等。进入自动工作状态，视频系统会自动跟踪设备，自动切换图像画面，供监控。

（5）系统也可以进入点动控制状态，适合比较细做的工作过程。只要配合摄像头，即便能完成全向操作和控制。

（6）关闭控制系统，设备也可以进入纯现场人工手动操作状态。故电控系统损坏，不会影响设备的手动工作。

（7）系统三个模块电源独立，功能控制互相联系。

8 结语

本文只是很大概描述设备的电控部分的设计，重点介绍了设备的电控电路对装置创新功能的实现和支撑。给出了设备部分结构框图和电原理图，但电路功能的实现，需要不断调试硬件电路参数和软件配合；系统功能实现需要各模块电路和机械部件相互配合。另外，摄像头如何跟踪设备动作？软件如何判别设备动作等关键技术的算法还有待优化和改进。

参考文献：

[1]工程地质手册[K].

[2]张祖红，刘清平.钻机数控操作系统规划与设计研究[Z].产业与科技论坛，2012（15）.endprint