SIMBA H1354潜孔钻控制系统的优化设计

王士鑫 缪志农 任小花

(1.西华大学电气信息学院，四川 成都 610039；2.攀枝花学院电气信息学院，四川 攀枝花 617000)

SIMBA H1354潜孔钻控制系统的优化设计

王士鑫1缪志农2任小花1

(1.西华大学电气信息学院，四川 成都 610039；2.攀枝花学院电气信息学院，四川 攀枝花 617000)

介绍了SIMBA H1354潜孔钻无线控制技术系统优化的基本原理、装置组成及应用情况，并设计了一套结构简单、维修方便、灵活可靠的符合我国矿山条件的无线控制装置和软件控制系统。实验和现场运行表明了优化的系统实现了对SIMBA H1354潜孔钻车的可靠、高效的无线控制。此设计思路和优化方案不仅对提高矿山井下钻孔工作的安全以及改善工作环境有着重要意义，同时对现行的潜孔钻车控制系统的改造具有重要的参考价值。

潜孔钻车 优化 控制系统 CAN总线

随着地上矿业资源的减少，矿产开采逐渐转移到了地下，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地提高。全球采矿设备总的发展和趋势是将地上的设备引用到地下。由于我国制造业的钻孔工具技术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[1-2]。我国很多铁矿引进的是阿特拉斯公司的SIMBA H1354[3]潜孔钻设备。对比于其他设备，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。长期以来，我国有些企业在引进吸收消化国外先进技术和设备的同时大胆创新，独立自主地改进和开发适合国内地下采矿环境现状的钻孔技术，逐渐提高矿业地下开采的操作舒适性和安全性。本研究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。

1 系统总体设计概况及原理

对于SIMBA H1354潜孔钻控制系统的优化主要是改进操作信号的传输方式，将原来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，同时减少运行拖拉对电缆的磨损，提高设备的使用寿命。总体设计思路如图1所示。对于操作过程中的数字信号、模拟信号、CAN总线信号可通过单片机、CAN总线控制器、无线收发模块等元件构成的处理系统来完成，通过一定的软件控制设计来实现数据的无线传输。为了减少安全事故，改善钻孔技术人员的操作环境，设计了一款独特的移动式密封小车，操作台置于小车内，车体具备良好的防砸、除尘换气、隔音防噪、温度控制等功能。因小车部分另行加工，下面仅对信息传输优化进行分析。

图1 总体设计思路Fig.1 The overall design idea

依据设计的实施计划，将系统总体设计分2个部分：机车端设计和操作端设计，分别如图2、图3所示。

图2 机车端设计Fig.2 The design of locomotive end

图3 操作端设计Fig.3 The design of operation end

系统优化设计的原理是操作端的操作信号经信号采集模块获取，然后将其送入单片机系统；分析和处理后将需要传送的数据送至无线数传模块发送器，将信号无线发送至机车端；经机车端的无线数传模块接收，经单片机系统还原处理将控制信号送入控制机构进行驱动，完成设备操作。但CAN总线信号通过总线控制器、驱动器以及无线数传模块来实现总线信号的实时交互传递。

2 系统的硬件设计

依据系统优化目标方向，对SIMBA H1354潜孔钻车的控制原理、运作方式及作业环境进行了科学性的分析对比，确定了性价比高且功能实现简单的适合钻车工作环境的系统设计方案。包含有主控单元模块、CAN总线通信模块、无线通信模块。

2.1 主控单元模块

基于单片机技术、CAN总线通信技术、无线数据通信技术，本系统设计了以单片机为控制核心，辅以CAN总线控制及驱动和无线数据传输来实现SIMBA H1354潜孔钻车的无线数据通信。主控单元除负责数据处理外，还要触发无线通信模块和CAN总线通信模块工作，以便实现数据的无线传输，在整个系统中起着主导作用。无线通信模块采用nRF24L01通信芯片[3]，而CAN总线通信模块采用MCP2515控制器和MCP2551驱动器[4-6]，运用单片机MSP430f5438进行控制，实现系统的无线数据传输[7-9]。

2.2 CAN总线通信模块

CAN是控制器局域网的简称，是一种串行数据通信总线，为现在工业数据通信的主流技术之一[7]。系统优化设计完成了CAN总线数据节点与显示屏之间的无线通信，为功能实现的设计核心。为了满足操作台显示器实时显示机车钻头倾角及打孔深度的要求，本部分作为独立的模块，系统上电即工作。硬件采用独立式的MCP2515总线控制器及MCP2551总线驱动器，所要传输的数据通过对控制器编写入控制器芯片的发送缓冲区里发送出去，通过nRF24L01通信芯片实现无线通信，而目的节点则负责把数据接收到数据接收缓冲区里，运用单片机控制各器件的触发。CAN总线通信硬件原理图如图4所示。

图4 CAN总线通信硬件原理图Fig.4 The hardware principle diagram of CAN bus communication

2.3 无线通信模块

无线通信模块采用nRF24L01通信芯片，该芯片具有内置地址解码器、选入现出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等功能模块，只需要很少的外围元件，使用非常方便。同时，此芯片的通信频段为2.4～2.5 GHz世界通用的ISM频段的芯片，省去了申请使用特定频段的麻烦。单片机MSP430f5438的串口与nRF24L01通信芯片相连接，实现信号的传输。操作端发送与机车端接收的硬件设计具有映射关系，具有通用性。

3 系统的软件设计

根据系统设计分析，为了保证CAN总线信号的连续性，分别进行2部分的数据通信，即数字、模拟信号通信和CAN总线通信各用1个无线通信芯片。系统功能实现的软件设计如图5所示。但是，对于系统程序的设计将分为发送程序和接收程序设计。

图5 系统功能实现的软件设计Fig.5 The software design of achievement of system functions

3.1 发送程序结构设计

一般情况下，程序设计首先编写的就是初始化程序，再者就是功能性程序。对于本系统的发送程序，主要是单片机的初始化程序、nRF24L01的初始化程序、MCP2515的初始化程序、数据编码发送程序。主程序开始将先调用单片机初始化程序，来完成工作参数设置，然后依据采集的操作信号的改变，调用数据发送函数，向机车端发送控制信号。发送程序结构设计的程序流程如图6所示。

图6 发送程序设计的程序流程Fig.6 The program flow chart of design to send program

3.2 接收程序结构设计

相对于发送程序，机车端的接收程序设计可视为其反过程。同样，具有单片机初始化程序、nRF24L01的初始化程序、MCP2515的初始化程序、数据解码接收程序。其主程序开始调用完初始化程序后，设置工作参数，根据操作端的操作信号的改变，调用数据接收函数，通过解码操作还原操作信号，实现对设备的控制。

4 系统设计中的抗干扰措施

本系统硬件设计中出现的干扰有过渡干扰、地线干扰、模拟开关带来的各种环境噪声干扰、电源中的噪声干扰等。对于数模混合电路中的过渡干扰，设计时用铁氧磁珠将模拟5 V和其他数字电路隔离来消除。地线干扰可将模拟地和数字地分开走线，为确保模拟信号的稳定，可用1个电感将模拟地和信号地连接于1点。模拟开关带来的干扰采用软件延时加以消除。

对于无线电等外界的干扰，因矿井下具有天然屏蔽环境，有利于消除此干扰。

对于井下其他无线通信的干扰，本设计工作频段选择在2.4～2.5 GHz世界通用的ISM频段，与其他通信频段进行区分避免干扰产生。

通信过程中，不同巷道工作的设备之间可能出现的误操作，在软件设计过程中对不同的设备进行编号，采用设备配对的原则进行设计，排除误操作的可能性。

5 结 论

通过工业试验结果表明，本系统的设计能很好地实现无线数据通信，达到了工业控制的安全性、可靠性和实时性的要求。本设计为插拔式外接模块，便于此系统的推广。我们应正视国内钻孔设备技术现状，未来的钻井工具的发展应积极借鉴国外先进技术的同时还应注重技术的自主创新性，本项目的实施为今后的钻车进行改进积累了经验。

[1] 恭明玺.地下金属采矿技术及潜孔钻机的进展与趋势[J].湖南有色金属，1998(5):5-8. Gong Mingxi.The advancement and trend of technology and DTH drill for underground metals mining[J].Hunan Nonferrous Metals，1998(5):5-8.

[2] 郭 勇,周振华.潜孔钻机的应用现状与发展趋势[J].矿业快报,2008(4):13-15. Guo Yong，Zhou Zhenhua.Application actualities and development trend of down-the-hole drill[J].Express Information of Mining Industry， 2008(4):13-15.

[3] 侯天星,王凤新.基于nRF2401的无线数据传输系统[J].中国农学通报,2009,25(7):258-263. Hou Tianxing,Wang Fengxin.A wireless data transmission system based on nRF2401[J].Chinese Agricultural Science Bulletin，2009,25(7):258-263.

[4] 吴文秀,吴修得，李应刚.基于CAN总线的液压车装钻机监控系统[J].石油机械，2006(9):89-91. Wu Wenxiu，Wu Xiude，Li Yinggang.Hydraulic vehicle mounted rig monitoring system based on CAN bus[J].China Petroleum Machinery， 2006(9):89-91.

[5] 饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003. Rao Yuntao，Zou Jijun，Zheng Yongyun.Principle and Application of the Technology of CAN Field Bus[M].Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2003.

[6] 王黎明,夏 立,邵 英,等.CAN现场总线系统的设计与应用[M].北京：电子工业出版,2008. Wang Liming，Xia Li，Shao Ying，et al.Design and Application of CAN Field Bus System[M].Beijing：Electronic Industry Press,2008.

[7] 李金刚,刘永鸿.基于AT89C51型单片机的CAN总线智能节点设计[J].电子设计工程，2006(8)：26-29. Li Jingang，Liu Yonghong.Design of smart node in the CAN bus based on AT89C51[J].Electronic Design Engineering，2006(8):26-29.

[8] 张艳红,来清民,王 路.基于单片机的无线数据传送系统[J].河南教育学院学报:自然科学版，2010(3):21-22. Zhang Yanhong,Lai Qingmin,Wang Lu.Wireless data communication system based on single chip[J].Journal of Henan Institute of Education:Natural Science Edition,2010(3):21-22.

[9] 孙 涛.基于MSP430f5438的网络终端系统设计[D].太原:太原理工大学,2012. Sun Tao.The Design of Network Terminal System Based on MSP430f5438 [D].Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2012.

(责任编辑 徐志宏)

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The Optimal Design of Control System of SIMBA H1354 DTH Drill

Wang Shixin1Miao Zhinong2Ren Xiaohua1

(1.SchoolofElectricalandInformationEngineering，XihuaUniversity,Chengdu610039,China; 2.SchoolofElectricalandInformationEngineering，PanzhihuaUniversity,Panzhihua617000,China)

The basic principles，device constitution and its application of the optimal scheme of the wireless control technology of the SIMBA H1354 DTH Drill are introduced.And a set of wireless control device and software control system with simple structure，easy maintenance，and flexible and reliable operation which is in line with our mining conditions are designed.The field performance and experiments showed that the optimized system made the realization of a reliable and efficient wireless control to the SIMBA H1354 DTH Drill.This design idea and optimized program improves the safety of the underground drilling work and the working environment.It also has important reference value to the transformation of existing DTH Drill control system.

DTH drill，Optimization，Control system，CAN bus

2013-11-22

王士鑫(1987—)，男，硕士研究生。

TD63+2.9

A

1001-1250(2014)-01-116-04