礦用履帶式鉆機的遠程智能化監控系統研究

周文宇

（華晉焦煤有限責任公司沙曲二號煤礦， 山西 呂梁 033300）

0 引言

履帶式鉆機是煤礦井下進行地質勘探、瓦斯鉆孔的核心設備，其工作的穩定性和可靠性對提升井下鉆進效率具有十分重要的意義。目前多數履帶式鉆機的控制系統只能簡單的顯示鉆進速度、鉆進深度等，不僅無法對鉆機的運行狀態進行監測，而且無法對故障點位和鉆場信息進行監測，整個控制系統的反應速度較慢、控制精度差，難以滿足井下高效、安全鉆進的需求。

1 ZDY4500LFK 型鉆機結構

ZDY4500LFK 型鉆機是一種廣泛應用在煤礦井下的履帶式鉆機[1]，主要包括了鉆車本體和泵車兩個部分，能夠用于進行瓦斯抽采、礦井下探放水、井下地質構造鉆探等，同時也能夠用在井下高瓦斯區域的防突施工。其中鉆車部分包括了注漿、操控太、補桿裝置等，而泵車包括了車體、冷卻機構、電機組等，該鉆機泵車和鉆車結構如圖1 所示[2]。

圖1 ZDY4500LFK 型鉆機結構示意圖

2 鉆機遠程監測系統

為了滿足對鉆機工作時的全面監測需求，文章介紹了一種新的鉆機自動化監測系統，其主要包括了各類傳感器組件、高清攝像機系統、控制器、網絡通信設備等，用于滿足對井下鉆進環境和鉆機運行狀態實時監測和預警的需求，該鉆機遠程監測系統結構如圖2所示[3]。

圖2 鉆機遠程監測系統示意圖

由圖2 可知，該鉆機遠程監測系統包括了傳感器組件、視頻監測組件、數據通信系統和監測服務單元。其中傳感器組件主要分布在鉆機的油缸、電機、執行機構處，用于對鉆機工作時的系統壓力、工作姿態、運行狀態等進行監測。視頻監測組件主要是安裝在鉆機周圍的四組攝像裝置，該攝像裝置能夠滿足井下高塵、高壓環境下對鉆機周圍環境監測可靠性的需求。數據通信系統主要是以CAN 數據總線為基礎[4]，能夠滿足在井下復雜地質環境情況下的通信可靠性需求，監測服務單元主要用于顯示鉆機工作時的鉆進參數和運行狀態參數，當出現異常時能第一時間預警并進行故障定位，便于工作人員快速確認，提高鉆機運行可靠性。

3 網絡通信系統

由于煤礦井下的地質條件復雜，干擾因素多，因此數據在傳輸過程中受到的干擾大、數據傳輸效率低，為了滿足鉆機監測時對視頻信息、各類監測傳感器信息快速、高效、精確的傳輸需求，文章提出了一種新的網絡拓撲結構[5]。

在控制器內設置了一路本安以太網接口，然后通過高速光纖數據網絡與井下網關連接進入到環網并進行數據工況的傳輸，在攝像機上設置了4 組以太網接口和2 組以太網電口，系統中的四組視頻攝像裝置以串聯的形式接入到網關內[6]。控制器采用了標準協議接口，能夠滿足多通道監測和數據控制的需求，能夠同時容納CAN 數據總線、以太網、開關量輸入接口控制等，能夠實現對各類傳感器和控制系統的靈活驅動，滿足控制信息傳輸靈活性的需求。該高速網絡通信系統結構如圖3 所示[7]。

圖3 井下高速網絡通信系統結構示意圖

4 監測軟件系統

該監測系統的核心是對鉆機的運行狀態進行實時監測，當出現運行異常時能夠及時進行異常信息的定位和分析，幫助工作人員及時確定故障位置并進行修復。根據鉆機運行狀態監測系統的控制模式[8]，該軟件監測系統主要包括了兩個部分，第一個部分是對鉆機的工況參數進行監測，第二部分是對鉆機的運行狀態進行監測。

對鉆機運行工況參數的監測主要是由傳感器信息監測和按鍵狀態監測，能夠通過雙重監控的模式，確保對鉆機運行工況的監測可靠性，該監測軟件系統的控制邏輯如圖4 所示[9]。

圖4 鉆機監測系統邏輯示意圖

5 應用情況分析

目前該自動控制系統已經在ZDY4500LFK 型鉆機上投入應用，并在煤礦井下進行了實際使用，根據對優化前后鉆機的使用情況對比，優化后新控制系統下，實現了對履帶式鉆機工作過程的全面自動化監測，而且在鉆進是發出調控指令后系統的執行反應時間由最初的4.4 s 降低到了目前的0.99 s，反應速度比優化前提升了約77.4%，有效提升了鉆機在工作過程中的反應靈敏性。

由于實現了鉆機在鉆進過程中鉆機姿態、鉆機參數的全方位監測，因此當出現偏差后系統會自動對鉆機的鉆進姿態和參數進行調整，從而很大程度上能夠提升其運行時的調整精度，根據實際驗證，其鉆機時的調控精度由最初的±47.5 mm 提升到了目前的±17.8 mm，實際調控精度提升了約62.6%。鉆機在鉆進過程中能夠進行鉆進狀態的實時監測和分析，當出現異常運行參數時能夠自動進行識別和故障原因分析，并顯示在監控界面上，便于工作人員能夠快速進行故障排除和修復，將運行時的故障率降低了83.3%，有效提升了鉆進控制系統的運行可靠性和穩定性。

6 結論

1）新的鉆機自動化監測系統，包括了各類傳感器組件、高清攝像機系統、控制器、網絡通信設備等，能夠滿足對井下鉆進環境和鉆機運行狀態實時監測和預警的需求；

2）新的網絡通信系統設置了一路本安以太網接口，然后通過高速光纖數據網絡與井下網關連接進入到環網并進行數據工況的傳輸，滿足了數據高速傳輸需求；

3）新的控制系統能夠將調控反應速度提升77.4%，將調控精度提升62.6%，將運行故障降低83.3%。