煤礦用自動化鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)研制

王天龍，馬 斌，董洪波

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下鉆探在瓦斯高效抽采、頂板超前疏排水、底板隔水層注漿加固、井下隱蔽致災地質(zhì)因素探查等方面發(fā)揮著巨大作用,對保障煤炭安全生產(chǎn)、增加清潔能源供給等具有重要意義[1-2]。我國井下鉆探技術與裝備經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，取得了長足的進步。尤其是近些年以來，在創(chuàng)新驅(qū)動引領、行業(yè)發(fā)展需求導向、國家政策推動下，煤礦井下自動化、智能化鉆探技術的發(fā)展勢不可擋[3-4]。相繼研發(fā)出系列大功率定向長鉆孔鉆機以及自動化鉆機，例如中煤科工集團西安研究院有限公司（以下簡稱“西安研究院”）研制的ZDY4000LK、ZDY22000LDK 型鉆機，中煤科工集團重慶研究院有限公司（以下簡稱“重慶研究院”）研制的ZYWL-4000SY 型自動化鉆機，部分裝備與技術已經(jīng)處于國際領先水平[5-7]。這幾款鉆機均配備有鉆機監(jiān)測軟件，其中ZDY4000LK、ZDY22000LK 可顯示鉆機施工鉆進參數(shù)和運行參數(shù)；ZYWL-4000SY 鉆機可顯示鉆機參數(shù)和鉆機工況視頻，用來指導鉆機遠程遙控施工[8-9]。但這些監(jiān)測手段還存在以下問題：監(jiān)測參數(shù)簡單，不能很好判斷鉆機故障點、運行狀態(tài)和鉆場信息；處于多粉塵、多水霧的工況，不能很好指導鉆機遠程施工[10-12]；工人仍置身于危險的環(huán)境中，時刻受到煤與瓦斯突出、礦井突水等災害的威脅[13]。因此針對現(xiàn)有煤礦井下鉆機參數(shù)顯示不全、缺乏有效監(jiān)測、維修不便等問題，急需研制一套煤礦井下自動化鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)，為后續(xù)實現(xiàn)可靠的自動化鉆機地面控制提供強有力保障。

1 鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)方案設計

研制的煤礦井下自動化鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)由鉆機主體、傳感器組件、攝像機、控制器、地面監(jiān)測服務器及礦用通信設備等組成，并通過地面和井下環(huán)網(wǎng)連接。自動化鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示。鉆機主體為西安院ZDY4500LFK 自動化鉆機。攝像機、傳感器和控制器安裝在鉆機上。傳感器用來采集鉆機工況參數(shù)；攝像機用于采集現(xiàn)場工況視頻，共4 路；控制器用于采集鉆機參數(shù)和發(fā)送控制指令。傳感器均采用CAN 協(xié)議與控制器通信，經(jīng)過CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊利用以太網(wǎng)傳輸。攝像機采用礦用本安型攝像機，利用以太網(wǎng)傳輸視頻。礦用通信設備包括網(wǎng)關、交換機、環(huán)網(wǎng)等。所采集的鉆機參數(shù)和視頻信息通過網(wǎng)線進行傳輸，經(jīng)井下網(wǎng)關接入井下萬兆環(huán)網(wǎng)，最后經(jīng)交換機傳輸至地面鉆機遠程監(jiān)測服務器。遠程監(jiān)測服務器可對鉆機參數(shù)和狀態(tài)進行監(jiān)測。上述監(jiān)測信息可作為鉆機遠程控制的反饋信號。鉆機遠程操控臺控制井下鉆機時，地面控制指令通過地面服務器傳入井下環(huán)網(wǎng)，最后通過網(wǎng)關進入鉆機端的控制器，驅(qū)動電磁鐵執(zhí)行鉆機動作，進而實現(xiàn)鉆機的遠程控制。

圖1 自動化鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Remote monitoring system for automated drilling rigs

2 ZDY4500LFK 鉆機

2.1 鉆機組成

ZDY4500LFK 型鉆機是一種分體履帶式鉆機，由鉆車和泵車2 部分組成。可用于煤礦井下瓦斯抽采、井下探放水、地質(zhì)構(gòu)造探測等鉆孔施工，也可用于瓦斯突出、高沖擊地壓危險區(qū)域的防突卸壓鉆孔施工[14]。

泵車是在已有ZDY6000LD（F）泵車基礎上進行改進，減少設計時間與成本。主要由履帶車體、電機泵組、油箱、冷卻器等組成，為鉆機的行走、給進、回轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)運鉆桿等動作提供動力源[15]。鉆車由主機、履帶車體、操控臺、補桿裝置等構(gòu)成。主機包括夾持器、卸扣器、動力頭、給進機身以及主機械手。補桿裝置包括桿倉、副機械手、滑移裝置。泵車和鉆車結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ZDY4500LFK 自動化鉆機結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of ZDY4500LFK automatic drilling rig

2.2 鉆機功能特點

ZDY4500LFK 鉆機具有以下特點：①結(jié)合電控系統(tǒng)可實現(xiàn)一鍵鉆進、起鉆和一鍵啟停的功能。② 鉆進過程中實現(xiàn)全自動控制，有效提高施工效率、降低工人的勞動強度。③鉆機集成自動補桿桿倉，配置容量45 根0.75 m 鉆桿，能有效提高施工效率。④ 具有視覺內(nèi)遙控和手動控制功能，施鉆人員可以遠離孔口，施工安全性提高。

3 電控機載設備

鉆機的機載端電控設備包含機載控制器、傳感器和攝像機等。機載控制器采用西安院自主研發(fā)的KXJ127 型隔爆兼本安型控制器，該控制器作為煤礦井下全液壓鉆機自動化控制系統(tǒng)的核心控制部件，起到控制指令及傳感信號采集、邏輯運算與指令輸出、電磁開關閥及比例閥驅(qū)動信號輸出功能。

控制器具有豐富的輸入輸出接口，滿足多通道監(jiān)測及控制信號的通信需求。兼具CAN 總線、485、以太網(wǎng)、模擬量及開關量輸入輸出接口，也可接收操控指令及本安傳感器數(shù)據(jù)；控制器運算功能強大，可根據(jù)鉆機動作要求和邏輯關系自主設計相應的程序。此外，控制器具備24 V 直流電源輸出、本安開關量輸出，可用來驅(qū)動開關電磁閥、電液比例閥、本安聲光報警器等設備。

傳感器類型主要有旋轉(zhuǎn)編碼器、磁致伸縮傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、傾角傳感器以及行程開關等，分別采集鉆機方位、位移、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、傾角、啟停等信息。

共設置了4 路礦用本安型高清攝像機，用于監(jiān)測鉆機重要部件和鉆場情況。

4 網(wǎng)絡通信搭建

ZDY4500LFK 鉆機監(jiān)測系統(tǒng)基于礦方已有的井下環(huán)網(wǎng)搭建，通過礦區(qū)井下環(huán)網(wǎng)連通井下鉆場自動化鉆機與地面監(jiān)測服務器，實現(xiàn)鉆機工況參數(shù)與工作狀態(tài)的遠程監(jiān)測[16]。

由于井下設備種類繁多，為了便于管理維護，不同設備所設的網(wǎng)段不同。需要將掘進巷道中的鉆機網(wǎng)絡接入巷道口網(wǎng)關后才能接入井下環(huán)網(wǎng)。控制器包含有一路本安以太網(wǎng)接口，通過網(wǎng)線與井下網(wǎng)關連接進入井下環(huán)網(wǎng)，進行工況參數(shù)的傳輸。本安型攝像機具有4 路以太網(wǎng)光口和2 路以太網(wǎng)電口，為了減少接口數(shù)量，將4 路攝像機串連后接入網(wǎng)關。這樣接入網(wǎng)關的網(wǎng)口只需要2 路。通過網(wǎng)關后接入煤礦井下萬兆環(huán)網(wǎng)，最后經(jīng)過環(huán)網(wǎng)交換機將鉆機參數(shù)和視頻信息傳輸?shù)降孛孢h程監(jiān)測服務器。網(wǎng)絡拓撲圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲Fig.3 Topology of the system network

5 地面監(jiān)測軟件設計

5.1 地面監(jiān)測軟件架構(gòu)

為實現(xiàn)井下鉆機工況參數(shù)和工作狀態(tài)的地面顯示，在地面服務器上開發(fā)了V1.0 版本的自動化鉆機遠程監(jiān)測軟件。由于C/S 架構(gòu)可移植性差，需要安裝專門的軟件，筆者采用B/S 架構(gòu)[17]，在Web 開發(fā)平臺上進行開發(fā)。為了提高開發(fā)效率、提升系統(tǒng)擴展性、增加系統(tǒng)維護性，系統(tǒng)采用前后分離的設計模式，即分離成Web 服務端和Web 瀏覽器端。兩者數(shù)據(jù)交互時會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)庫單獨提取出來，就構(gòu)成了Web 瀏覽器、Web 服務器和數(shù)據(jù)庫3 大部分[18]。

Web 服務端是由Java 語言實現(xiàn)，采用SpringBoot+MySQL 等技術構(gòu)建的分布式微服務集群。即由分布在多個服務器上的多個服務組成的服務體系。Web端是與用戶交互的部分，采用VUE.js+Element-UI+Mint-UI+CSS 技術搭建包括PC 端應用系統(tǒng)，通過瀏覽器展示。數(shù)據(jù)庫采用MySQL 數(shù)據(jù)庫，在Web 應用方面，MySQL 是最好的應用軟件之一[19]。MySQL 是開放源碼軟件，因此可以大大降低總體成本。

Web 瀏覽器和Web 服務器之間采用WebSocket 協(xié)議實現(xiàn)的通信[20]，這樣可以通過較小性能開銷實現(xiàn)客戶端和服務器之間實時數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 自動化鉆機監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.4 Software architecture of the automatic drilling rig monitoring system

5.2 地面監(jiān)測系統(tǒng)功能

整個軟件監(jiān)測內(nèi)容包括工況參數(shù)監(jiān)測與鉆機運行狀態(tài)監(jiān)測2 部分。其中運行狀態(tài)監(jiān)測有鉆機虛擬現(xiàn)實監(jiān)測和視頻監(jiān)測；工況參數(shù)監(jiān)測有傳感器信息監(jiān)測、運行流程監(jiān)測以及按鍵狀態(tài)監(jiān)測等。此外遠程監(jiān)測平臺還具有故障預警、日志報表等功能。遠程監(jiān)測軟件功能如圖5 所示，實際監(jiān)測界面如圖6 所示。

圖5 自動化鉆機監(jiān)測軟件功能Fig.5 Function diagram of the automated drilling rig monitoring software

圖6 自動化鉆機監(jiān)測界面Fig.6 Automated rig monitoring interface

5.2.1 參數(shù)監(jiān)測界面

鉆機的監(jiān)測參數(shù)包括安裝在鉆機上的各個傳感器反饋信號、遙控器主要動作控制信號以及鉆機運行流程。

傳感器參數(shù)包括壓力、油溫、液位。壓力監(jiān)測參數(shù)包括了Ⅰ泵壓力、Ⅱ泵壓力、機械手壓力、給進壓力、起拔壓力、回油壓力6 個壓力參數(shù)，另外預留了6 路壓力信息，以便后續(xù)的擴展。

遙控器參數(shù)監(jiān)測用來監(jiān)測遙控器主要動作的狀態(tài)。使用控制器操作鉆機動作時相應的動作指令會反映在監(jiān)測界面上，如果鉆機某個動作出現(xiàn)異常，則會彈出提示顯示動作異常，提醒操作者進行檢查。

鉆機主要動作有鉆進和起鉆。每個動作包括三大運行流程：副機械手送桿、主機械手放桿、主機運動。每個運行流程由若干個子動作組成。每個子動作通過安裝在機身上的行程開關觸發(fā)，1 個子動作出現(xiàn)問題則下一步動作將無法進行。流程運行時也設置有容錯功能，每個流程設置有定時器，設定時間值作為行程開關觸發(fā)標準，如果接收到的行程開關信號時間值大于允許的范圍，則提示該流程出現(xiàn)問題產(chǎn)生報警。

5.2.2 視頻監(jiān)測

為降低軟件開發(fā)難度節(jié)省成本，采用攝像機配套APP 軟件實現(xiàn)4 路視頻信息的分頻顯示。監(jiān)測鉆機部件的3 路視頻分別安裝在鉆機補桿裝置處、主機處和鉆機前端，用來監(jiān)測機械手抓卸鉆桿、主機動力頭、夾持器以及孔口情況；另外1 路視頻安裝在鉆場，用來監(jiān)測整個鉆場情況。

5.2.3 虛擬監(jiān)測

為了更好實現(xiàn)井下監(jiān)測，監(jiān)測界面中心設計了基于Web 的鉆機虛擬監(jiān)測部分。鉆場環(huán)境粉塵大、水霧大時，視頻不是很清楚的情況下，虛擬監(jiān)測可以作為遠程控制的輔助支撐。

基于幾何模型的建模軟件很多，最常用的就是3DMAX 和Maya。大多數(shù)Web3D 軟件都支持3DMAX，可以把它生成的模型導入使用[21]。利用3DMAX 建立與自動化鉆機一樣的三維模型，將運動部件單獨建模，包括輔助部件和施工部件。輔助部件有穩(wěn)固裝置、調(diào)角裝置；施工部件有主機、主機械手、副機械手、轉(zhuǎn)運器等。建模完成后利用WedGL 中標準的、跨平臺的、統(tǒng)一的OpenGL 接口實現(xiàn)了模型渲染[22]。WebGL 第三方庫中的Three.js 是一款可以在瀏覽器中創(chuàng)建攝影機、光影、材質(zhì)等對象的3D 引擎。最后設計與真實鉆機一樣的動作，利用TCP/IP 協(xié)議將控制器采集得到的數(shù)據(jù)存入服務器中，再利用Web-Socket 協(xié)議實現(xiàn)Web 瀏覽器和Web 服務器之間通信，數(shù)據(jù)驅(qū)動Web 端的鉆機模型動作，實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實的同步。

5.2.4 故障預警、日志報表

如果采集到的液壓系統(tǒng)信息超過預設的閾值，則會在預警提示欄顯示預警信息。比如當泵壓過高、油溫過高、油液過低、位移傳感器數(shù)值有誤等。鉆機啟停時間、登錄信息、每班/天進尺、鉆機壓力等信息可以通過日志報表查詢。

6 現(xiàn)場試驗

煤礦用自動化鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)研制成功后，利用ZDY4500LFK 自動化鉆機在鄂爾多斯華興能源有限責任公司唐家會煤礦進行了現(xiàn)場試驗。設計的2 個探放水鉆孔施工時進行了鉆機工況參數(shù)和狀態(tài)的遠程監(jiān)測。試驗結(jié)果表明，鉆機參數(shù)準確性和實時性滿足鉆機監(jiān)測要求。借助于串口調(diào)試助手經(jīng)過發(fā)送、接收數(shù)據(jù)進行對比，沒有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和溢出現(xiàn)象。同時鉆機三維模型和視頻監(jiān)測效果流暢，未出現(xiàn)明顯卡滯，符合鉆機遠程監(jiān)控的需求。圖7 為鉆機壓力參數(shù)監(jiān)測界面。

圖7 鉆機試驗壓力監(jiān)測Fig.7 Pressure monitoring in the rig test

試驗施工過程中，鉆機出現(xiàn)一次主機械手傾角行程開關損壞的情況，主機械手停止動作，流程進行不下去，主機械手流程監(jiān)測模塊提示該行程開關出現(xiàn)故障，更換行程開關后問題解決。這一功能不僅可以快速判斷出故障出現(xiàn)的位置，節(jié)省維修時間，還可以統(tǒng)計出傳感器損壞的位置和次數(shù)，有助于后期鉆機電控器件穩(wěn)定性分析。圖8 為鉆進流程監(jiān)測界面。

圖8 鉆機試驗流程監(jiān)測Fig.8 Flow monitoring in the rig test

試驗中存在的問題：目前鉆機進尺計數(shù)是通過一次全流程自動鉆進或起拔時所使用鉆桿數(shù)量的增加或減少來計算。當全自動施工流程出現(xiàn)故障，需切換到人工操作時，鉆桿數(shù)量的增加減少未能準確統(tǒng)計，影響了進尺統(tǒng)計的準確性，后續(xù)鉆桿計數(shù)的準確性還需改進。

7 結(jié) 論

a.開發(fā)的自動化鉆機遠程監(jiān)測軟件內(nèi)容豐富，人機交互性強，具有鉆機傳感器信息監(jiān)測、鉆機流程監(jiān)測、鉆機控制指令監(jiān)測、鉆機狀態(tài)虛擬監(jiān)測和鉆機狀態(tài)視頻監(jiān)測等功能。

b.該監(jiān)測系統(tǒng)在鄂爾多斯唐家會煤礦進行工業(yè)試驗，在ZDY4500LFK 自動化鉆機上進行了功能驗證。試驗表明遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確、效果良好，實現(xiàn)了軟件預期的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)井下自動化鉆機工況參數(shù)和鉆機狀態(tài)的實時顯示。

c.該軟件豐富的監(jiān)測內(nèi)容能夠為自動化鉆機遠程控制提供支撐，同時也可以融合于西安研究院開發(fā)的透明地質(zhì)保障系統(tǒng)中，為煤礦鉆機智能化、地質(zhì)透明化提供借鑒。

d.軟件后續(xù)需要對鉆桿計數(shù)功能進行優(yōu)化，提高計數(shù)準確性，并結(jié)合鉆機地面遠程操控臺實現(xiàn)自動化鉆機的遠程控制功能。