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(zhì)勘探、瓦斯鉆孔的核心設(shè)備，其工作的穩(wěn)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(shù)履帶式鉆機的控制系統(tǒng)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(tài)進行監(jiān)測，而且無法對故障點位和鉆場信息進行監(jiān)測，整個控制系統(tǒng)的反應(yīng)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(jié)構(gòu)

ZDY4500LFK 型鉆機是一種廣泛應(yīng)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(zhì)構(gòu)造鉆探等，同時也能夠用在井下高瓦斯區(qū)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(gòu)、電機組等，該鉆機泵車和鉆車結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 ZDY4500LFK 型鉆機結(jié)構(gòu)示意圖

2 鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)

為了滿足對鉆機工作時的全面監(jiān)測需求，文章介紹了一種新的鉆機自動化監(jiān)測系統(tǒng)，其主要包括了各類傳感器組件、高清攝像機系統(tǒng)、控制器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等，用于滿足對井下鉆進環(huán)境和鉆機運行狀態(tài)實時監(jiān)測和預(yù)警的需求，該鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

由圖2 可知，該鉆機遠程監(jiān)測系統(tǒng)包括了傳感器組件、視頻監(jiān)測組件、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和監(jiān)測服務(wù)單元。其中傳感器組件主要分布在鉆機的油缸、電機、執(zhí)行機構(gòu)處，用于對鉆機工作時的系統(tǒng)壓力、工作姿態(tài)、運行狀態(tài)等進行監(jiān)測。視頻監(jiān)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(huán)境下對鉆機周圍環(huán)境監(jiān)測可靠性的需求。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要是以CAN 數(shù)據(jù)總線為基礎(chǔ)[4]，能夠滿足在井下復雜地質(zhì)環(huán)境情況下的通信可靠性需求，監(jiān)測服務(wù)單元主要用于顯示鉆機工作時的鉆進參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)，當出現(xiàn)異常時能第一時間預(yù)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(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

由于煤礦井下的地質(zhì)條件復雜，干擾因素多，因此數(shù)據(jù)在傳輸過程中受到的干擾大、數(shù)據(jù)傳輸效率低，為了滿足鉆機監(jiān)測時對視頻信息、各類監(jiān)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[5]。

在控制器內(nèi)設(shè)置了一路本安以太網(wǎng)接口，然后通過高速光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與井下網(wǎng)關(guān)連接進入到環(huán)網(wǎng)并進行數(shù)據(jù)工況的傳輸，在攝像機上設(shè)置了4 組以太網(wǎng)接口和2 組以太網(wǎng)電口，系統(tǒng)中的四組視頻攝像裝置以串聯(lián)的形式接入到網(wǎng)關(guān)內(nèi)[6]。控制器采用了標準協(xié)議接口，能夠滿足多通道監(jiān)測和數(shù)據(jù)控制的需求，能夠同時容納CAN 數(shù)據(jù)總線、以太網(wǎng)、開關(guān)量輸入接口控制等，能夠?qū)崿F(xiàn)對各類傳感器和控制系統(tǒng)的靈活驅(qū)動，滿足控制信息傳輸靈活性的需求。該高速網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示[7]。

圖3 井下高速網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 監(jiān)測軟件系統(tǒng)

該監(jiān)測系統(tǒng)的核心是對鉆機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，當出現(xiàn)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(jù)鉆機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的控制模式[8]，該軟件監(jiān)測系統(tǒng)主要包括了兩個部分，第一個部分是對鉆機的工況參數(shù)進行監(jiān)測，第二部分是對鉆機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。

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

圖4 鉆機監(jiān)測系統(tǒng)邏輯示意圖

5 應(yīng)用情況分析

目前該自動控制系統(tǒng)已經(jīng)在ZDY4500LFK 型鉆機上投入應(yīng)用，并在煤礦井下進行了實際使用，根據(jù)對優(yōu)化前后鉆機的使用情況對比，優(yōu)化后新控制系統(tǒng)下，實現(xiàn)了對履帶式鉆機工作過程的全面自動化監(jiān)測，而且在鉆進是發(fā)出調(diào)控指令后系統(tǒng)的執(zhí)行反應(yīng)時間由最初的4.4 s 降低到了目前的0.99 s，反應(yīng)速度比優(yōu)化前提升了約77.4%，有效提升了鉆機在工作過程中的反應(yīng)靈敏性。

由于實現(xiàn)了鉆機在鉆進過程中鉆機姿態(tài)、鉆機參數(shù)的全方位監(jiān)測，因此當出現(xiàn)偏差后系統(tǒng)會自動對鉆機的鉆進姿態(tài)和參數(shù)進行調(diào)整，從而很大程度上能夠提升其運行時的調(diào)整精度，根據(jù)實際驗證，其鉆機時的調(diào)控精度由最初的±47.5 mm 提升到了目前的±17.8 mm，實際調(diào)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(tài)的實時監(jiān)測和分析，當出現(xiàn)異常運行參數(shù)時能夠自動進行識別和故障原因分析，并顯示在監(jiān)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(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

1）新的鉆機自動化監(jiān)測系統(tǒng)，包括了各類傳感器組件、高清攝像機系統(tǒng)、控制器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等，能夠滿足對井下鉆進環(huán)境和鉆機運行狀態(tài)實時監(jiān)測和預(yù)警的需求；

2）新的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)置了一路本安以太網(wǎng)接口，然后通過高速光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與井下網(wǎng)關(guān)連接進入到環(huán)網(wǎng)并進行數(shù)據(jù)工況的傳輸，滿足了數(shù)據(jù)高速傳輸需求；

3）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒄{(diào)控反應(yīng)速度提升77.4%，將調(diào)控精度提升62.6%，將運行故障降低83.3%。