本安型反井钻机用轻便操作台的制作方法

本实用新型涉及一种矿用本质安全型反井钻机用轻便操作台，适合用于井下工作面有一定危险的操作场合。

背景技术：

ZSYD1.0/40/60移动式上向反井钻机是实现崩落法开采的重要设备，能够完成由下而上钻进大直径槽孔，其动力输出位置与传统反井钻机不同，位于槽孔的下部巷道，故可以适用于上部无巷道的如煤炭、有色冶金等地下工程领域钻凿天井或槽孔开挖。该设备可以通过电控系统实现自动化控制钻进槽孔，连续作业。目前，该钻机已经申请国家煤安认证和俄罗斯海关联盟认证，属国内首台具有自主知识产权的电控移动式上向反井钻机。

不足之处是反井钻机司机操作反井钻机进行换钻、停钻和钻进等作业时与钻机的实时交互性较差，操作不方便，同时也因此增加了操作的危险性。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种本安型反井钻机用轻便操作台，能够完成反井钻机的所有操作功能，包括实现反井钻机换钻、停钻和钻进三个工艺状态所有操作，可有效解决反井钻机司机操作反井钻机时交互性差问题。

本实用新型的主要技术方案有：

一种本安型反井钻机用轻便操作台，包括本安壳体和固定在所述本安壳体内的信号采集模块，所述本安壳体的操作面板上设有若干按钮、拨钮开关、旋钮、手柄和指示灯；所述信号采集模块包括核心处理电路和与之连接的非易失性存储电路、RS485总线接口电路、开关量输入电路、电位器电阻检测电路和指示灯驱动电路，以及为上述各电路供电的电源电路；其中所述非易失性存储电路、RS485总线接口电路与所述核心处理电路双向通信连接，所述开关量输入电路、电位器电阻检测电路的输出端接入所述核心处理电路，所述核心处理电路的指示灯驱动输出端接入所述指示灯驱动电路；所述按钮和拨钮开关各自与所述开关量输入电路电性连接，所述旋钮和手柄各自与所述电位器电阻检测电路电性连接，所述指示灯与所述指示灯驱动电路电性连接；所述RS485总线接口电路包括两路，一路用于调试，另一路用于与上级控制器通信，其上连接有用于与上级控制器通信的通信电缆，两路所述RS485总线接口电路均满足通用Modbus RTU协议。

所述按钮优选包括带状态指示灯的主泵和液压油冷却水泵的启停按钮、显示控制按钮、复位按钮和带状态指示灯的钻头冷却水泵和补油泵的启停按钮。

所述手柄优选包括马达/主推油缸比例操作手柄和机械手操作手柄。

所述核心处理电路可以包括核心处理单片机、复位电路、调试接口和晶振电路，所述核心处理单片机优选采用STM32L4系列微处理器。

所述按钮均优选采用自复位常开开关，防水等级达IP67。

所述拨钮开关可以采用具有三个档位ON-OFF-ON的拨钮开关，默认置于OFF。

所述旋钮可以采用伯恩斯公司3590系列十圈5K电位器，电位器结构上带锁定机构。

所述手柄包括比例操作手柄和方向操作手柄，所述比例操作手柄优选为万向结构手柄，所述方向操作手柄优选为十字方向握杆型多轴操作手柄，手柄顶端带跷板式双位按钮，共6路开关量。

所述指示灯驱动电路可以为基于ULN2003A达林顿驱动芯片的12路指示灯驱动电路，典型输出电流值为10mA。

所述按钮、拨钮开关、旋钮、手柄和指示灯各自与所述信号采集模块以较短连接线电性连接，各连接线之间无交叉。

所述按钮和手柄的个数均为双数，它们各自优选为左右对称式布置在所述操作面板上，并靠近所述操作面板的左右两边。

所述信号采集模块还可以包括CAN总线接口电路，所述CAN总线接口电路与所述核心处理电路双向通信连接。

所述核心处理电路与所述CAN总线接口电路、RS485总线接口电路均为直接总线连接。

本实用新型的有益效果是：

通过在操作面板上设置若干按钮、拨钮开关、旋钮、手柄和指示灯等多种操作装置，且单个操作装置可以对应多种操作，例如按钮采用带状态指示灯的启停按钮，手柄采用十字方向握杆型多轴操作手柄，共6路开关量，可实现机械手升降、伸缩和正反向旋转六个维度动作，拨钮开关分别用于控制浮动油缸、插板油缸、扶正油缸、主油缸的升降，以及水泵自动进水状态控制、状态功能切换、照明灯控制等。可见，本实用新型能以相对简单的结构组成实现对用户输入的多路开关量和多路模拟量输入进行采集以及对上级控制器的多种状态的显示，能够完成反井钻机的所有操作功能，实现反井钻机换钻、停钻和钻进三个工艺状态所有操作，显著提高反井钻机司机操作反井钻机作业时与钻机的实时交互性。

本实用新型本质安全，适合用于井下工作面有一定危险的操作场合，防水性能可达IP67，且重量轻巧、搬运轻便，可配套用于各种上向反井钻机中，提高司机操作反井钻机时的人机交互性，具有良好的用户体验性、可靠性和安全性。

由于设置CAN总线接口电路作为备用通信接口，可用于扩展无线通信模块及其他外扩模块，以用于接收手持式设备的操作信号，从而扩展所述操作台的应用。

所述按钮、拨钮开关、旋钮、手柄和指示灯采用合理的布置方式，实现了简捷性、对称性和操作便利性的兼顾。同时使得他们各自与所述信号采集模块都能以较短连接线电性连接，且连接线间无交叉，因此使连接线功能更清晰，电性连接更可靠，从而提高整个操作台的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的操作面板布局示意图；

图2是本实用新型的一个实施例的电路原理结构框图；

图3是本实用新型在电控箱中的布置位置示意图。

附图标记：1、带状态指示灯的主泵和液压油冷却水泵的启停按钮；2、马达/主推油缸比例操作手柄；3、故障状态指示灯；4、机械手操作手柄；5、显示控制按钮；6、复位按钮；7、旋钮；8、拨钮开关；9、带状态指示灯的钻头冷却水泵和补油泵的启停按钮；11、本安型反井钻机用轻便操作台；12、急停按钮；13、显示屏；21、核心处理电路；22、非易失性存储电路；23、CAN总线接口电路；24、RS485总线接口电路；25、开关量输入电路；26、电位器电阻检测电路；27、指示灯驱动电路；28、电源电路；29、本安壳体。

具体实施方式

本实用新型公开了一种本安型反井钻机用轻便操作台(以下简称操作台)11，如图1、2所示，包括本安壳体29和固定在所述本安壳体内的信号采集模块，所述本安壳体的操作面板上设有若干按钮、拨钮开关8、旋钮7、手柄和指示灯3，用于操作人员操作反井钻机或监视反井钻机的状态；所述信号采集模块包括核心处理电路21和与之连接的非易失性存储电路22、RS485总线接口电路24、开关量输入电路25、电位器电阻检测电路26和指示灯驱动电路27，以及为上述各电路供电的电源电路28；其中所述非易失性存储电路、RS485总线接口电路与所述核心处理电路双向通信连接，所述开关量输入电路、电位器电阻检测电路的输出端接入所述核心处理电路，所述核心处理电路的指示灯驱动输出端接入所述指示灯驱动电路；所述按钮和拨钮开关各自与所述开关量输入电路电性连接，所述旋钮和手柄各自与所述电位器电阻检测电路电性连接，所述指示灯与所述指示灯驱动电路电性连接；所述RS485总线接口电路包括两路，一路用于调试，另一路用于与上级控制器通信，其上连接有用于与上级控制器通信的通信电缆，用于将各操作信息处理后发送给上级控制器执行，两路所述RS485总线接口电路均满足通用Modbus RTU协议。

所述按钮包括：带状态指示灯的主泵和液压油冷却水泵的启停按钮1，分别用于控制主泵、液压油冷却水泵的启动与停止；显示控制按钮5，用于控制显示屏的翻屏及其他显示操作；复位按钮6，用于复位电控系统检测到的故障及报警；带状态指示灯的钻头冷却水泵和补油泵的启停按钮9，分别用于控制钻头冷却水泵、补油泵的启动与停止。

所述拨钮开关有多个，分别用于控制浮动油缸、插板油缸、扶正油缸、主油缸的升降，以及水泵自动进水状态控制、状态功能切换、照明灯控制等。

所述旋钮也有多个，采用旋钮电位器，分别用于调节马达正转压力和副泵出口压力。

所述手柄包括：马达/主推油缸比例操作手柄2(属于比例操作手柄)，用于控制马达的正反转和主推油缸的升降，实现联动；机械手操作手柄4(属于方向操作手柄)，用于控制机械手的升降、伸缩及左右翻转共六个维度的灵活动作。

所述指示灯(也称故障状态指示灯)为多个，用于预警电控系统检测到的故障，包括油温、油压、通迅中断等故障。

所述本安外壳主要是把所有电路板及操作面板上按钮、拨钮开关、旋钮、指示灯和手柄组装在一起，并确保所述操作台整体为本质安全型，可以在高瓦斯等危险场合安全应用。

所述信号处理模块为全本安型，具有开关量输入、电位器阻值检测模拟量输入、指示灯驱动输出和Modbus总线接口传输功能，其用于所述按钮、拨钮开关、旋钮和手柄信号的采集，使所述操作台能够实时获取操作人员操作按钮、拨钮开关、旋钮和手柄的操作信号，并将信号通过Mobus总线方式传输给上级控制器，用于上级控制器(往往是主控模块)控制钻机实现相应动作，同时所述操作台能够实时指示出上级控制器的状态，以便操作人员了解钻机的当前状况。所述操作台适合用于井下工作面有一定危险的操作场合，可有效解决反井钻机司机操作反井钻机时交互性差问题，具有良好的用户体验性、可靠性和安全性。

以下是适用于ZSYD1.0/40/60移动式上向反井钻机的所述操作台的一个实施例。

所述按钮均采用自复位常开开关，防水等级达IP67，用于泵启停控制的8个按钮自身带状态指示灯，其中泵启开关带绿灯，泵停开关带红灯，用于复位、显示的按钮不带指示灯。

所述拨钮开关具有三个档位ON-OFF-ON，默认置于OFF。操作时可控制一组电磁换向阀实现升降，拨钮操作时应具有适中的阻尼系数，既满足操作手感，又防止误动作。

所述旋钮采用伯恩斯公司3590系列十圈5K电位器，满足系统对于油路压力的精细控制，电位器结构上带锁定机构。

所述比例操作手柄为万向结构，用于实现对马达的正反转和主推油缸的升降的联动控制，电位器阻值选5K；所述方向操作手柄为十字方向握杆型多轴操作手柄，手柄顶端带跷板式双位按钮，共6路开关量，实现机械手升降、伸缩和正反向旋转六个维度动作。

所述指示灯发光部位清晰，色彩柔和，使用寿命长。

所述信号处理模块具有44路本安开关量输入和8路电位器信号输入。所述信号采集模块优选采用嵌入式实时操作系统，能够快速检测开关量、模拟量信号输入。

所述核心处理电路包括核心处理单片机、复位电路、调试接口和晶振电路等，其中核心处理单片机选用STM32L4系列微处理器，该处理器是基于高性能ARM Cortex-M4的32位RISC内核的超低功耗微控制器，工作频率高达80MHz，具有嵌入高速存储器(闪存高达1MB，SRAM高达128KB)和灵活的外接存储器控制器(FSMC)，闪存接口和各种增强的I/O和外设。此外，器件还有三个快速12位ADC，两个比较器，两个运放，两个DAC通路和一个基准电压缓冲器，低功耗RTC。复位电路以ST公司复位芯片为核心。调试接口使用简洁的SWD方式。晶振采用8M有源晶振。

非易失性存储电路用于存储模拟掉电需要保存的数据，例如授权信息、运行时间等。开关量输入电路包含44路非隔离本安型开关量输入，接收来自按钮、拨钮开关等的数字信号输入。电位器电阻检测电路检测所述旋钮和比例操作手柄的电位器电阻值，经过外围模拟处理电路接入核心处理单片机AD口，典型电阻变化范围值为0-5K。所述电位器检测电路具备断路和短路报警功能，断路和短路时控制器程序均会检出并屏蔽AD口浮空电压，以避免误动作。

所述指示灯驱动电路为基于ULN2003A达林顿驱动芯片的12路指示灯驱动电路，典型输出电流值为10mA。

所述电源电路为其他各电路提供电源，由于前级供电单元为稳压本安电源输出，本实施例中所述电源电路采用12V线性稳压电源。

对于包含有CAN总线接口电路的所述信号采集模块，所述CAN总线接口电路与所述核心处理电路双向通信连接。CAN总线接口电路可作为备用通信接口，用于扩展无线通信模块及其他外扩模块，无线通信模块可用于接收手持式操作信号。

所述核心处理电路与所述CAN总线接口电路、RS485总线接口电路均为直接总线连接。总线调度由所述核心处理电路中的核所述核心处理单片机处理。

所述信号采集模块的电路板是由该电路板原理结构框图设计的电路板，称之为ZXIO模块。该ZXIO模块PCB设计过程中考虑到与拨钮开关、按钮、手柄和指示灯等的连接线非常短，因此采用多插头布局方案。ZXIO模块各插头中均带有12V电源，用于开关量输入和指示灯输出等。ZXIO模块对外仅四根芯线，即电源线和通迅线，即所述操作台与电控箱的连接只有一根所述通迅电缆，内含四根芯线，方便所述操作台的移动，相应的电缆插座设置在所述本安外壳上。所述通迅电缆可以长达6米，以方便将操作台移动到反井钻机附近就地操作。

所述信号采集模块置于所述操作台的本安壳体的内部，由于较好的布局规划，所述按钮、拨钮开关、旋钮、手柄和指示灯各自与所述信号采集模块以较短连接线可靠电性连接，各连接线功能清晰，且相互之间无交叉。

所述按钮和手柄的个数均为双数，它们各自左右对称式布置在所述操作面板上，并靠近所述操作面板的左右两边。该种布置方式兼顾了简捷性、对称性和操作便利性。

所述信号处理模块是ZSYD1.0/40/60移动式上向反井钻机的电控系统的一部分。所述电控系统是以主控模块(是所述操作台的上级控制模块)、信号处理模块和比例阀驱动模块为主的分布式控制系统，各模块间通过CAN总线和RS485总线高速可靠通信。主控模块通过隔离RS485总线与显示屏进行通信、通过隔离CAN总线与比例阀驱动模块通信、通过本安隔离RS485总线接口与信号处理模块通信。

在ZSYD1.0/40/60移动式上向反井钻机中，所述操作台及其上级控制器均安装于电控箱中。图3是本实用新型在电控箱中的布置位置示意图。所述操作台11布置于电控箱的中部。所述电控箱内设有急停按钮12和显示屏13，急停按钮用于紧急状态下的快速停机保护，显示屏用于显示主控制器的各种状态信息。操作人员操作所述操作台时，可通过正前方的所述显示屏观测主控制器的状态信息，实现良好的人机交互。针对部分需要实时观测被控体(即受控制对象)动作的操作情况，可将所述操作台从电控箱中取出，移动到被控体附近进行操作。

本实用新型采用本安结构，符合以下国家标准：GB 3836.1-2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求》、GB 3836.2-2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“d”》，防水性能可达IP67，且重量轻巧、搬运轻便，可配套用于其他类似的上向反井钻机中。