煤礦用自動鉆機快速組網技術研究

王清峰，王 興，肖玉清

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

2020年，國家八部委聯合發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》要求實施機械化換人、自動化減人，推進煤炭企業高質量發展。鉆機作為瓦斯、水害和沖擊地壓等煤礦災害治理的重要裝備，其自動化程度的提升，可減少井下作業人數，提高單人臺效，更好地保障鉆孔施工安全[1-3]。

國內煤礦井下鉆探裝備經過多年的發展，已相繼形成各類大功率定向鉆機和自動化鉆機兩類裝備，例如中煤科工集團重慶研究院有限公司研發的ZYWL-4000Y/SY、ZYWL-6000Y型自動鉆機，中煤科工集團西安研究院有限公司研發的ZDY-4500LFK型鉆機，可滿足不同的巷道條件和施工要求，部分技術已處于國際領先水平[4-5]。在無基礎設施的環境下，地面現有的無人機自組網技術、水下基于Ad Hoc模式的UUV通信組網技術均在各自領域取得了良好的效果[6-7]。由于煤礦井下具有環境復雜、干擾信號源多、電氣設備需防爆等特點，導致上述技術均不能適用于井下通信。

目前，煤礦井下用于地面監測和井下監控的礦用通信系統主要為有線方式，其基于CAN總線、RS485或RS232，將巷道中各設備的通信線路連接在總線上，以實現井上和井下的數據傳輸[8-10]。但此類手段存在以下問題：每一種信息都需1路以太網傳輸，施工布線繁瑣；長距離電纜信號損耗量大，監測范圍有限；發生故障時難以找到故障點，維護困難且成本較高[11-12]。

因此，研究基于無線通信的煤礦用鉆機快速組網技術，對促進井下“少人、無人化”具有重要意義。

1 鉆機快速組網方案設計

現有無線通信方式參數如表1所示，考慮到井下環境及信號傳輸距離，選擇ZigBee和WiFi的通信方式。但ZigBee數據傳輸速率比較低，在2.4 GHz的頻段下去掉信道應答和重傳等消耗，可利用的速率不足100 KiB/s，因此不適用于視頻文件之類的傳輸。故快速組網系統選擇通過WiFi無線通信方式進行信號傳輸。

表1 無線通信方式參數對比

通過對比,優先選擇適用于煤礦鉆場環境的快速組網硬件，構建鉆機快速組網拓撲結構，并對組網關鍵節點進行設備選型。自動鉆機快速組網系統由鉆機主體、攝像機、交換機、控制器、路由器和礦用通信系統等組成，其快速組網系統方案如圖1所示。鉆機主體選擇重慶研究院研制的自動鉆機[13-15]，攝像機、交換機均安裝于鉆機上，控制器和路由器集成安裝在鉆機電控箱內。控制器集成鉆機參數并發送控制指令；攝像機采用礦用本安型防爆攝像儀，經交換機集成為一路并傳輸數據。

圖1 自動鉆機快速組網系統方案

鉆機參數和視頻信息通過路由器進行WiFi無線傳輸，經無線基站接入井下環網，最后傳輸至地面控制臺。地面控制臺可對鉆機參數和狀態進行監測，將其信息作為鉆機遠程控制的反饋信號；鉆機地面操作臺控制井下鉆機時，控制指令通過操作臺傳入井下環網，再經無線基站、路由器傳至鉆機的控制器，驅動相關電磁閥模塊執行動作，進而達到遠程控制的目的。

2 自動鉆機

2.1 鉆機組成

以ZYWL-4000SY自動鉆機為例，其為一種分體履帶式鉆機，由主機和泵車兩部分組成。可用于施工瓦斯抽放孔、煤層注水孔、防突卸壓孔、地質勘探孔及其他工程孔，也可用于高瓦斯復雜地質環境鉆孔施工。

分體式結構方案大幅減小了單個履帶車的體積，通過性較好，尤其適用于較為狹窄的巷道。泵車主要由履帶車體、電動機泵組、油箱、電磁啟動器等組成，為鉆機的行走、鉆進、鉆桿裝卸等動作提供動力源；主機包括電控箱、操作臺、鉆桿箱、機械手、動力頭、雙夾持器等。泵車和主機結構如圖2所示。

(a)泵車結構

2.2 功能特點

ZYWL-4000SY自動鉆機具有以下特點：①通過電控箱內嵌的軟件程序發出鉆機指令，一鍵完成自動鉆進及退鉆；②配置的大容量(70根)鉆桿箱，有效提高施工效率；③采用機械手、鉆桿箱及雙夾持器配合，實現鉆桿自動加接和拆卸，可有效降低工人勞動強度；④配備無線遙控器可實現鉆機的遠程操作，遠離孔口，提高安全保障能力。

3 鉆機機載設備

3.1 控制器

鉆機控制器作為自動鉆機電控系統的控制中樞，是鉆機主機與打鉆現場交互信息的平臺，接收信號并控制鉆機動作，采集并處理傳感器的信息，完成檢測與診斷，并向其他設備發送控制信號。鉆機控制器原理如圖3所示。

圖3 鉆機控制器原理

控制器是和鉆機主機及打鉆現場交互信息的平臺，主要作用是采集并處理傳感器的信息，完成檢測與診斷，并向遙控器或地面操作臺發送信息；輸出信號完成對鉆機執行機構的控制(包含控制電動機的急停)；為其他與控制器連接的本安或防爆設備供電。

按結構劃分，控制器主要由電源模塊、隔離模塊及PLC控制器組成。其中，電源模塊將輸入端AC127 V非本安電源轉換為DC18/12/5 V本安輸出和DC24/12 V非本安輸出，為本安設備和其他非本安設備供電，同時轉換為PLC控制模塊和隔離模塊所需的電壓，為其供電；隔離模塊用于本安、非本安電路的隔離，可承受本安接線端與非本安接線端AC1 500 V、持續1 min的工頻耐壓；PLC控制器內嵌有控制程序，執行邏輯計算，通過數字或模擬式輸入，輸出鉆機各執行機構的控制信號。

3.2 路由器

井下無線路由器安裝于隔爆電控箱中，考慮到電控箱內部空間有限，且要求能快速組建虛擬局域網，實現虛擬網內控制器、手持終端與通信系統的互通。故選擇體積較小的R300系列無線路由器，其開啟加密傳輸后，P2P模式下的數據將使用RAS2048/AES的方式加密，可有效保護鉆機傳輸信息。路由器的主要性能參數如下：①2個100 Mibit/s以太網接口，通過網線實現與控制器互連；②尺寸96 mm×94 mm×28 mm，支持DIN35 mm軌道安裝；③擁有RS232、RS485串行接口；④無線WiFi傳輸，吞吐量大于90 Mibit/s；⑤雙電源供電方式，標準電源12 V，端子供電DC寬電壓5～36 V。

3.3 交換機

交換機連接各本安終端設備，各設備經交換機進行數據傳輸；交換機對數據進行完整快速傳輸處理，把經過交換的數據轉發傳輸至更遠的網絡交換機或者中心站。自動鉆機作業環境惡劣，要求所用交換機應具備防塵、防水等功能。礦用本安型網絡交換機主要功能是將所有攝像儀組成網絡，然后將視頻信號傳輸至視頻存儲服務器和手持監控終端上,如圖4所示。

圖4 交換機外圍設備連接框圖

3.4 攝像儀

設置2路礦用本安型高清攝像儀，用于監測鉆機工作狀況和鉆場情況。攝像儀接口為本質安全型，額定工作電壓DC12 V，能夠在具有甲烷混合物及煤塵爆炸危險的礦井環境中使用，對外提供2路以太網電端口，最大傳輸距離100 m；具有低照度下圖像實時采集和傳輸、日夜轉換及紅外照射、網絡通信狀態指示和語音采集功能。此外，供給電源具有過流、過壓、短路等保護功能，可保障硬件設施安全工作。

使用手持終端在無線網絡覆蓋范圍內對鉆機進行可移動遠程無線視頻監視，該監視系統由鉆機電控箱供電，經控制器內電源模塊轉換為本安型12 V直流電源輸出，供攝像儀工作。攝像儀通過交換機信號處理，與手持終端同時接入路由器組建的虛擬局域網，在手持終端可通過APP軟件對鉆機進行視頻監視。

4 礦用通信系統

自動鉆機通信系統基于礦方已有的井下環網搭建，通過無線基站連通井下自動鉆機與地面控制臺，實現鉆機動作的遠程控制與工況參數的實時監測[16-18]。

由于井下設備種類繁多，為保證信號傳輸的準確性，采用2.4 GHz低頻信號傳輸，其信號傳輸繞射強、抗干擾強、傳輸距離遠。控制器含有1路本安以太網接口，通過無線路由器與無線基站連接進入井下環網，進行控制信號的傳輸。本安攝像儀具有2路電接口，為減少接口數量，將2路攝像儀通過交換機進行信號處理，如此接入無線路由器的網口僅需要1路，也便于未來攝像儀數量的添加。通過無線基站接入井下萬兆環網，最后將鉆機參數和視頻信息傳輸至地面控制臺。網絡拓撲圖如圖5所示。

圖5 通信系統網絡拓撲

自動鉆機施工地點一般是長距離運輸巷、底抽巷等，該類型巷道由于距離長，中間無取電位置，導致無線基站無法就近布置。此類巷道采用本安電源對無線基站供電，經信號拉伸實現巷道內無線信號的覆蓋。

4.1 無線基站

無線基站選擇一種礦用無線通信基站，用于實現礦用無線通信系統有線信號與無線信號的轉換及無線信號的覆蓋。主要性能參數如下：①工作電壓DC15.0～24.0 V，工作電流≤800 mA；②支持TCP/IP通信協議，網線通過防爆喇叭口接入井下環網；③WiFi無線信號接口2個，RFID信號接口1個，WiFi無線信號接口外接天線；④基站到礦用本安設備之間的最大通信距離200 m。

4.2 無線基站電源

無線基站功耗12.0～19.2 W(滿負載時運行功率最大)，礦井使用高峰期為鉆機運行時間，三班制工作時間、每個時間段工作4 h，折算高峰使用率為0.5。因此取無線基站功耗16 W為設計電源功率。

基站工作電流≤800 mA，選用本安電源傳輸介質MHYV 1×4×7/0.52礦用電纜傳輸線阻抗值為12.8 Ω/km，本安電源額定輸出電壓為DC18 V。

基站功耗滿足式(1)，傳輸電纜損耗滿足式(2)：

(1)

R=12.8×4×(L/1000)

(2)

式中：U為基站工作電壓，取最低電壓值15 V；R為傳輸電纜損耗；L為電纜傳輸距離，m。

通過計算得知，L=188 m。故選擇電纜傳輸距離為100 m，該距離下本安電源可滿足2個基站的供電需求。

4.3 無線基站天線

無線基站WiFi信號接口有2個，即天線為2T2R模式，設定時間延遲為10 ms。針對井下巷道空間，天線左右兩方向均分，每個方向天線的最大輸出功率24 dBm，接收靈敏度-70 dBm，遠距離信號傳輸頻率為2.4 GHz。信號傳輸距離滿足如下公式：

Los=32.44+20lgD+20lgF

(3)

式中：Los為傳輸損耗，取94 dB；D為無線傳輸距離，km；F為傳輸頻率，MHz。

計算得知，自由空間中無線基站理論傳輸距離D為0.49 km。考慮到巷道環境對信號的損耗，實際信號傳輸距離為200～300 m。

故每隔200 m設置1臺無線基站，巷道網絡拓撲如圖6所示。無線基站200 m范圍內覆蓋的作業線為巷道內所有自動鉆機，為保證數據傳輸安全、可靠，巷道內所有作業線包含的自動鉆機容量≤10臺。

圖6 巷道網絡拓撲

5 現場試驗

煤礦用自動鉆機快速組網系統研制成功后，利用ZYWL-4000Y型自動鉆機在河南平寶煤業有限公司進行了現場試驗。在穿層瓦斯抽放孔施工過程中進行了鉆機工況參數的遠程監測和地面控制鉆機。試驗結果表明，通過快速組網系統，地面控制臺中的鉆機參數準確性和控制指令實時性滿足使用要求；鉆機屏幕顯示的鉆機工況參數也可通過路由器同步到手持終端Pad上，且網絡頻段可根據所處位置進行自動切換和連接；視頻信息效果流暢，未出現明顯卡滯，如圖7所示。

圖7 地面控制臺監測畫面

試驗施工過程中，鉆機運轉正常，運動件磨損較小，除更換過易損件外未出現其他零部件損壞現象；通過組網系統，地面操作臺實現了井下鉆機自動鉆進、卸鉆、程序升級、故障診斷及狀態參數監測等功能。但仍存在以下問題：配套裝置自動化程度不夠，如孔口除渣等工序尚未實現自動化作業，缺少可連續作業用于鉆屑脫水的渣水分離技術，后續仍需在此方面進行技術攻關[19-20]。

6 結語

1)采用WiFi無線通信進行信號傳輸的煤礦用自動鉆機快速組網系統方案設計合理，人機交互性強，既可在井下遠距離監控鉆機工況，也可在地面控制臺實時監測和發送鉆機控制指令。

2)由無線路由器組建的虛擬局域網，使范圍內的操作人員通過手持終端Pad遠距離監控鉆機工況參數和打鉆狀況，可利用遙控器遠距離控制鉆機。

3)礦用通信系統基于井下環網搭建而成，利用無線基站聯通井下自動鉆機與地面控制臺；每隔200 m設置1臺無線通信基站，通過信號拉伸保證網絡覆蓋范圍內的數臺鉆機數據傳輸的安全性及可靠性。

4)現場試驗表明，快速組網系統數據傳輸準確、效果良好，實現了井下自動鉆機的遠程控制和可視化監測。