矿用坑道液压钻机是煤层瓦斯抽采的核心装备，钻进过程中的扭矩、钻压、转速、钻速等参数直接决定钻孔施工质量与效率。传统钻机仅通过简易液压仪表显示部分参数，无扭矩、钻速等关键数据监测及存储功能，且井下作业环境恶劣，电磁干扰、防爆要求高，依靠人工经验判断孔内工况易出现误判，存在施工安全隐患。
为实现钻进参数的实时监测、数据存储及工况智能识别，依托 PLC 的工业控制优势与 LabVIEW 的虚拟仪器开发特性，设计矿用钻机钻进参数监测系统，解决井下钻进参数监测的精准性、实时性和防爆性问题，适配煤矿井下自动化、智能化施工需求。
系统整体架构
系统由信息采集、设备供电、数据处理三大模块组成，形成 “传感器采集 - PLC 处理 - LabVIEW 交互” 的闭环监测体系。
信息采集模块通过多类型本安型传感器获取扭矩、钻压、转速、钻速、油液温度、液位等物理量，将其转化为 4~20mA 标准电信号传输至 PLC；供电模块采用 AC127V 矿用电源，经转化为非安 24V 和本安 12V，分别为 PLC 控制器和各类传感器供电，满足井下防爆供电要求；数据处理模块以 LabVIEW 为核心，通过 CAN-Open 总线接收 PLC 处理后的数据，实现参数实时显示、图形绘制、数据存储、工况识别等功能。
系统硬件选型兼顾矿用防爆与监测精度，核心硬件包括 GPD35/GUYS 型压力传感器、WFD60 型位移传感器、M12NJK5002C 型霍尔转速传感器、PT100 温度传感器、TB124B 液位传感器及 DVP60ES00R2 型 PLC 主控制器，所有传感器均为本安型，数据采集器与上位机采用隔爆兼本安型设计。
LabVIEW 软件设计
软件整体框架
基于 LabVIEW 开发的监测软件适配 Windows 系统，采用模块化设计，包含系统设置、数据处理、工况识别、显示输出四大核心模块，操作界面简洁，适配井下现场工程师的操作习惯，支持参数实时调取、历史数据回溯、工况异常预警，且具备良好的拓展性，可根据现场需求新增监测参数与功能模块。
系统设置功能
LabVIEW 的系统设置模块实现传感器参数标定、CAN 总线通讯参数配置、工况判别阈值设定及显示界面自定义。工程师可通过图形化界面完成压力、转速等传感器的量程校准，设置通讯波特率、数据传输周期，调整工况识别的参数阈值范围，同时可自定义数据显示的刷新频率、图形绘制的坐标尺度，无需编写代码，通过鼠标拖拽即可完成参数设置，大幅降低现场调试难度。
数据处理功能
针对井下强电磁干扰导致的传感器信号噪声问题，LabVIEW 集成多算法数据处理功能，实现信号的精准滤波与平滑处理。对压力、转速、位移传感器的瞬时动态信号，采用小波去噪算法，在去除高频噪声的同时保留信号原始趋势；对温度、液位的慢变信号，通过幅值滤波剔除杂波；所有采集数据均经连续 5 点均值平滑处理，消除离散数据绘制曲线的毛刺问题，提升数据准确性。
LabVIEW 的数据流编程特性可实现多通道数据的并行处理，支持扭矩、钻压等 6 路以上参数的同步采集与处理，数据处理延迟低于 100ms，满足井下实时监测要求，同时可将处理后的数据自动存储为 TDMS 格式，兼容矿用数据管理系统，支持数据导出与离线分析。
工况识别功能
突破传统单一阈值判别的局限性，LabVIEW 开发的工况识别模块采用 “阈值判别 + 典型工况对比” 双重判定机制。首先通过 LabVIEW 建立不同地质条件下的钻进参数典型工况数据库，存储钻头遇坚硬岩层、松软煤层、空载状态等场景的参数变化特征；当监测参数超出设定阈值时，系统自动调取典型工况数据，对多参数变化趋势进行对比分析，实现工况的精准识别。
例如，当扭矩、钻压同步上升，转速、钻速同步下降时，系统判定钻头遇坚硬岩层，并通过界面弹窗与声光提示实现异常预警，为现场工程师调整钻进工艺提供数据支撑。LabVIEW 的数组与矩阵运算功能可快速完成多参数的趋势对比与特征匹配，工况识别准确率达 95% 以上。
显示输出功能
LabVIEW 的图形化编程优势在显示模块中充分体现，开发的监测主界面实现多参数的可视化展示，包括扭矩、钻压、转速等参数的数字实时显示，以及各参数随时间变化的曲线绘制，曲线支持放大、缩小、暂停等操作，工程师可直观观察参数波动趋势；同时界面集成数据文件查询、历史曲线回溯功能，可通过时间节点调取任意时段的监测数据，支持曲线叠加对比，便于分析钻进过程的工况变化规律。
系统性能测试
室内精度测试
在钻机性能测试平台开展扭矩、钻压、转速三大核心参数的对比测试，每组参数设置 3 次重复试验，通过 LabVIEW 软件记录监测数据并与预设值对比。测试结果显示，扭矩测量误差约 0.069%，转速测量误差 0.01475%，钻压测量误差 0.0638%，所有参数测量误差均低于 0.12%，验证了系统的监测精度。LabVIEW 的数据分析功能可自动计算测试数据的平均值、最大值、最小值及误差率，生成测试报告，大幅提升测试效率。
模拟工况测试
搭建井上模拟实验平台，模拟煤层、坚硬岩层、松软层的地质条件，通过 LabVIEW 软件实时绘制钻进参数曲线。实验表明，钻头遇坚硬岩层时，LabVIEW 界面显示扭矩、钻压曲线上升，转速、钻速曲线下降；遇松软煤层时则相反，参数变化趋势与地质条件高度契合，系统可准确识别不同地质工况的转换节点，为井下工况判断提供数据依据。
现场工业测试
将系统配套液压钻机开展井下工业性试验，LabVIEW 软件全程采集钻进参数，通过分析参数曲线波动，成功识别出钻头遇坚硬岩层、松软煤层的时间段，与现场孔口返渣情况一致，验证了系统在井下复杂环境中的稳定性、可靠性与适用性。LabVIEW 的本安型界面适配井下防爆计算机，操作响应灵敏，无数据丢失、卡顿等问题。
LabVIEW 技术优势
- 图形化编程：无需传统文本编程，通过控件与连线实现功能开发，降低工业现场工程师的开发门槛，便于系统调试与后期维护，可快速根据现场需求修改软件功能。
- 虚拟仪器特性：将数据采集、处理、显示、存储集成于一体，替代传统物理仪器，减少井下硬件设备的布置，降低系统体积与成本，同时提升系统的便携性。
- 多通道并行处理：依托数据流编程模式，实现多参数的同步采集与处理，满足井下钻进参数的实时监测要求，数据处理效率高、延迟低。
- 强大的数据分析与可视化：集成丰富的算法库与图形显示控件，支持小波去噪、均值平滑等数据处理算法，可快速实现参数曲线绘制、数据统计分析，直观展示钻进过程。
- 良好的兼容性与拓展性：支持 CAN、RS485 等多种工业总线通讯，可与 PLC、传感器等工业设备无缝对接；软件模块可灵活增减，可新增振动、瓦斯浓度等监测参数，适配煤矿智能化升级需求。
