本课题是山西金鼎高宝钻探有限责任公司委托项目“矿用智能化千米定向钻机电控系统开发”的主体内容，它是针对目前国内高档千米定向钻机依靠进口，其技术封锁，价格昂贵，配件更新不及时等严重制约煤层气开发的问题而提出的。众所周知，瓦斯抽采是减少煤与瓦斯突出现象的重要技术，是预防煤矿瓦斯灾害发生的根本措施，同时也是保证煤矿生产安全的重要手段之一。井下坑道水平千米定向钻机（简称千米定向钻机），是瓦斯抽采、井下探放水、地质构造和煤层厚度探测、煤层注水、顶底板注浆等各种定向钻孔施工作业过程中必备的工具，其可靠性和安全性直接影煤矿生产安全及作业效率。作为千米定向钻机的动力单元的重要组成部分——驱动电动机和液压油箱，其工作性能和运行状态直接关系着钻进进度和钻进效率。因此，开发具有自主知识产权的动力单元控制与监测系统（电控系统）具有重要的现实意义和实用价值。
　　通过对国内外千米定向钻机电控系统的调查研究发现，目前应用中的千米定向钻机大多仍然使用传统的点动控制型电控系统，即通过各种继电器节点的串并联完成整个系统的控制，其在系统设计的灵活性、安全闭锁及电气保护算法的可靠性、功能的多样性等方面存在不足。针对上述问题，本文以智能化千米定向钻机电控系统为研究目标，采用仿真与试验相结合的研究方法，对电控系统的总体方案、故障机理、保护方法、软硬件电路进行了深入研究，具体研究内容如下：
　　首先根据智能化千米定向钻机的技术要求，在分析钻机系统组成、系统控制及保护功能的基础上，确定了影响千米定向钻机工作稳定性的状态参数和控制参数，基于先进的计算机控制技术，设计了基于多控制器的智能化千米定向钻机电控系统的总体方案，采用STM32F407作为中央控制器，配合搭载嵌入式微控制器的功能模块电路，构成现场分布式、模块化的监测监控系统，实现了千米定向钻机的信息检测、状态分析、故障诊断和智能控制。为保证钻定向千米钻机的可靠工作提供的技术保障。
　　作为机电液一体化大型矿用装备，千米定向钻机的电气故障和单元间的安全隐患是影响其可靠工作的主要因素。在分析电动机常见故障的基础上，揭示了其产生机理，确定了其表征参量，设计了故障检测和保护方案。基于钻场的特殊环境，分析了影响电气系统和非电系统之间存在的安全隐患，确定了本质安全型电控系统的保安措施，为电控系统安全稳定工作提供了技术保障。
　　电控系统的硬件电路是实现千米定向钻机功能控制、状态监测和安全闭锁的关键环节，根据总体方案的技术要求、电动机保护及系统安全闭锁原理，基于模块化和嵌入式设计思想，设计了实现各控制和保护功能的硬件电路，包括主控制模块、电压电流检测模块、漏电检测模块、漏电闭锁模块、开关量安全栅模块等，特别是创新设计了热电阻安全栅模块和先导电路模块，保证在远控电路不论是开路、短路，还是单点接地、多点接地时，均能保证先导电路不误发信号，而且在故障时，故障电流小于引燃瓦斯的最小电流，保障了电控系统的本质安全性。
　　其次，一个优良的控制系统除了具有可靠的硬件电路之外，还必须具有强大的软件支持。根据项目提出的基本功能和技术指标，基于标准C语言和Keil5平台，根据结构化程序设计思想，设计了电控系统的控制程序和各功能程序，主要包括主控程、系统保护程序、漏电检测模块程序、通讯程序及其他相关功能程序。通过试验调试，验证了所设计程序的合理性和正确性。
　　最后根据智能化千米定向钻机的技术要求和煤矿安全规程，设计了试验系统，搭建了实验平台，对所设计的软硬件电路进行功能试验和指标测试。实验结果表明，所设计的各功能模硬件电路性能稳定，工作可靠；所设计的模块化软件可靠性高，冗余性好，各项技术指标达到了设计要求；解决了传统系统存在各种问题的同时，满足对千米定向钻机动力系统的基本控制、实时监测及安全保护要求。