煤矿用自动化钻机远程监测系统研制

王天龙，马 斌，董洪波

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤矿井下钻探在瓦斯高效抽采、顶板超前疏排水、底板隔水层注浆加固、井下隐蔽致灾地质因素探查等方面发挥着巨大作用,对保障煤炭安全生产、增加清洁能源供给等具有重要意义[1-2]。我国井下钻探技术与装备经过近几十年的发展，取得了长足的进步。尤其是近些年以来，在创新驱动引领、行业发展需求导向、国家政策推动下，煤矿井下自动化、智能化钻探技术的发展势不可挡[3-4]。相继研发出系列大功率定向长钻孔钻机以及自动化钻机，例如中煤科工集团西安研究院有限公司（以下简称“西安研究院”）研制的ZDY4000LK、ZDY22000LDK 型钻机，中煤科工集团重庆研究院有限公司（以下简称“重庆研究院”）研制的ZYWL-4000SY 型自动化钻机，部分装备与技术已经处于国际领先水平[5-7]。这几款钻机均配备有钻机监测软件，其中ZDY4000LK、ZDY22000LK 可显示钻机施工钻进参数和运行参数；ZYWL-4000SY 钻机可显示钻机参数和钻机工况视频，用来指导钻机远程遥控施工[8-9]。但这些监测手段还存在以下问题：监测参数简单，不能很好判断钻机故障点、运行状态和钻场信息；处于多粉尘、多水雾的工况，不能很好指导钻机远程施工[10-12]；工人仍置身于危险的环境中，时刻受到煤与瓦斯突出、矿井突水等灾害的威胁[13]。因此针对现有煤矿井下钻机参数显示不全、缺乏有效监测、维修不便等问题，急需研制一套煤矿井下自动化钻机远程监测系统，为后续实现可靠的自动化钻机地面控制提供强有力保障。

1 钻机远程监测系统方案设计

研制的煤矿井下自动化钻机远程监测系统由钻机主体、传感器组件、摄像机、控制器、地面监测服务器及矿用通信设备等组成，并通过地面和井下环网连接。自动化钻机远程监测系统如图1 所示。钻机主体为西安院ZDY4500LFK 自动化钻机。摄像机、传感器和控制器安装在钻机上。传感器用来采集钻机工况参数；摄像机用于采集现场工况视频，共4 路；控制器用于采集钻机参数和发送控制指令。传感器均采用CAN 协议与控制器通信，经过CAN 转以太网模块利用以太网传输。摄像机采用矿用本安型摄像机，利用以太网传输视频。矿用通信设备包括网关、交换机、环网等。所采集的钻机参数和视频信息通过网线进行传输，经井下网关接入井下万兆环网，最后经交换机传输至地面钻机远程监测服务器。远程监测服务器可对钻机参数和状态进行监测。上述监测信息可作为钻机远程控制的反馈信号。钻机远程操控台控制井下钻机时，地面控制指令通过地面服务器传入井下环网，最后通过网关进入钻机端的控制器，驱动电磁铁执行钻机动作，进而实现钻机的远程控制。

图1 自动化钻机远程监测系统Fig.1 Remote monitoring system for automated drilling rigs

2 ZDY4500LFK 钻机

2.1 钻机组成

ZDY4500LFK 型钻机是一种分体履带式钻机，由钻车和泵车2 部分组成。可用于煤矿井下瓦斯抽采、井下探放水、地质构造探测等钻孔施工，也可用于瓦斯突出、高冲击地压危险区域的防突卸压钻孔施工[14]。

泵车是在已有ZDY6000LD（F）泵车基础上进行改进，减少设计时间与成本。主要由履带车体、电机泵组、油箱、冷却器等组成，为钻机的行走、给进、回转以及转运钻杆等动作提供动力源[15]。钻车由主机、履带车体、操控台、补杆装置等构成。主机包括夹持器、卸扣器、动力头、给进机身以及主机械手。补杆装置包括杆仓、副机械手、滑移装置。泵车和钻车结构如图2 所示。

图2 ZDY4500LFK 自动化钻机结构Fig.2 Structure diagram of ZDY4500LFK automatic drilling rig

2.2 钻机功能特点

ZDY4500LFK 钻机具有以下特点：①结合电控系统可实现一键钻进、起钻和一键启停的功能。② 钻进过程中实现全自动控制，有效提高施工效率、降低工人的劳动强度。③钻机集成自动补杆杆仓，配置容量45 根0.75 m 钻杆，能有效提高施工效率。④ 具有视觉内遥控和手动控制功能，施钻人员可以远离孔口，施工安全性提高。

3 电控机载设备

钻机的机载端电控设备包含机载控制器、传感器和摄像机等。机载控制器采用西安院自主研发的KXJ127 型隔爆兼本安型控制器，该控制器作为煤矿井下全液压钻机自动化控制系统的核心控制部件，起到控制指令及传感信号采集、逻辑运算与指令输出、电磁开关阀及比例阀驱动信号输出功能。

控制器具有丰富的输入输出接口，满足多通道监测及控制信号的通信需求。兼具CAN 总线、485、以太网、模拟量及开关量输入输出接口，也可接收操控指令及本安传感器数据；控制器运算功能强大，可根据钻机动作要求和逻辑关系自主设计相应的程序。此外，控制器具备24 V 直流电源输出、本安开关量输出，可用来驱动开关电磁阀、电液比例阀、本安声光报警器等设备。

传感器类型主要有旋转编码器、磁致伸缩传感器、转速传感器、压力传感器、温度传感器、倾角传感器以及行程开关等，分别采集钻机方位、位移、转速、压力、温度、倾角、启停等信息。

共设置了4 路矿用本安型高清摄像机，用于监测钻机重要部件和钻场情况。

4 网络通信搭建

ZDY4500LFK 钻机监测系统基于矿方已有的井下环网搭建，通过矿区井下环网连通井下钻场自动化钻机与地面监测服务器，实现钻机工况参数与工作状态的远程监测[16]。

由于井下设备种类繁多，为了便于管理维护，不同设备所设的网段不同。需要将掘进巷道中的钻机网络接入巷道口网关后才能接入井下环网。控制器包含有一路本安以太网接口，通过网线与井下网关连接进入井下环网，进行工况参数的传输。本安型摄像机具有4 路以太网光口和2 路以太网电口，为了减少接口数量，将4 路摄像机串连后接入网关。这样接入网关的网口只需要2 路。通过网关后接入煤矿井下万兆环网，最后经过环网交换机将钻机参数和视频信息传输到地面远程监测服务器。网络拓扑图如图3 所示。

图3 系统网络拓扑Fig.3 Topology of the system network

5 地面监测软件设计

5.1 地面监测软件架构

为实现井下钻机工况参数和工作状态的地面显示，在地面服务器上开发了V1.0 版本的自动化钻机远程监测软件。由于C/S 架构可移植性差，需要安装专门的软件，笔者采用B/S 架构[17]，在Web 开发平台上进行开发。为了提高开发效率、提升系统扩展性、增加系统维护性，系统采用前后分离的设计模式，即分离成Web 服务端和Web 浏览器端。两者数据交互时会产生大量数据文件，将数据库单独提取出来，就构成了Web 浏览器、Web 服务器和数据库3 大部分[18]。

Web 服务端是由Java 语言实现，采用SpringBoot+MySQL 等技术构建的分布式微服务集群。即由分布在多个服务器上的多个服务组成的服务体系。Web端是与用户交互的部分，采用VUE.js+Element-UI+Mint-UI+CSS 技术搭建包括PC 端应用系统，通过浏览器展示。数据库采用MySQL 数据库，在Web 应用方面，MySQL 是最好的应用软件之一[19]。MySQL 是开放源码软件，因此可以大大降低总体成本。

Web 浏览器和Web 服务器之间采用WebSocket 协议实现的通信[20]，这样可以通过较小性能开销实现客户端和服务器之间实时数据传输。系统软件架构如图4 所示。

图4 自动化钻机监测系统软件架构Fig.4 Software architecture of the automatic drilling rig monitoring system

5.2 地面监测系统功能

整个软件监测内容包括工况参数监测与钻机运行状态监测2 部分。其中运行状态监测有钻机虚拟现实监测和视频监测；工况参数监测有传感器信息监测、运行流程监测以及按键状态监测等。此外远程监测平台还具有故障预警、日志报表等功能。远程监测软件功能如图5 所示，实际监测界面如图6 所示。

图5 自动化钻机监测软件功能Fig.5 Function diagram of the automated drilling rig monitoring software

图6 自动化钻机监测界面Fig.6 Automated rig monitoring interface

5.2.1 参数监测界面

钻机的监测参数包括安装在钻机上的各个传感器反馈信号、遥控器主要动作控制信号以及钻机运行流程。

传感器参数包括压力、油温、液位。压力监测参数包括了Ⅰ泵压力、Ⅱ泵压力、机械手压力、给进压力、起拔压力、回油压力6 个压力参数，另外预留了6 路压力信息，以便后续的扩展。

遥控器参数监测用来监测遥控器主要动作的状态。使用控制器操作钻机动作时相应的动作指令会反映在监测界面上，如果钻机某个动作出现异常，则会弹出提示显示动作异常，提醒操作者进行检查。

钻机主要动作有钻进和起钻。每个动作包括三大运行流程：副机械手送杆、主机械手放杆、主机运动。每个运行流程由若干个子动作组成。每个子动作通过安装在机身上的行程开关触发，1 个子动作出现问题则下一步动作将无法进行。流程运行时也设置有容错功能，每个流程设置有定时器，设定时间值作为行程开关触发标准，如果接收到的行程开关信号时间值大于允许的范围，则提示该流程出现问题产生报警。

5.2.2 视频监测

为降低软件开发难度节省成本，采用摄像机配套APP 软件实现4 路视频信息的分频显示。监测钻机部件的3 路视频分别安装在钻机补杆装置处、主机处和钻机前端，用来监测机械手抓卸钻杆、主机动力头、夹持器以及孔口情况；另外1 路视频安装在钻场，用来监测整个钻场情况。

5.2.3 虚拟监测

为了更好实现井下监测，监测界面中心设计了基于Web 的钻机虚拟监测部分。钻场环境粉尘大、水雾大时，视频不是很清楚的情况下，虚拟监测可以作为远程控制的辅助支撑。

基于几何模型的建模软件很多，最常用的就是3DMAX 和Maya。大多数Web3D 软件都支持3DMAX，可以把它生成的模型导入使用[21]。利用3DMAX 建立与自动化钻机一样的三维模型，将运动部件单独建模，包括辅助部件和施工部件。辅助部件有稳固装置、调角装置；施工部件有主机、主机械手、副机械手、转运器等。建模完成后利用WedGL 中标准的、跨平台的、统一的OpenGL 接口实现了模型渲染[22]。WebGL 第三方库中的Three.js 是一款可以在浏览器中创建摄影机、光影、材质等对象的3D 引擎。最后设计与真实钻机一样的动作，利用TCP/IP 协议将控制器采集得到的数据存入服务器中，再利用Web-Socket 协议实现Web 浏览器和Web 服务器之间通信，数据驱动Web 端的钻机模型动作，实现虚拟和现实的同步。

5.2.4 故障预警、日志报表

如果采集到的液压系统信息超过预设的阈值，则会在预警提示栏显示预警信息。比如当泵压过高、油温过高、油液过低、位移传感器数值有误等。钻机启停时间、登录信息、每班/天进尺、钻机压力等信息可以通过日志报表查询。

6 现场试验

煤矿用自动化钻机远程监测系统研制成功后，利用ZDY4500LFK 自动化钻机在鄂尔多斯华兴能源有限责任公司唐家会煤矿进行了现场试验。设计的2 个探放水钻孔施工时进行了钻机工况参数和状态的远程监测。试验结果表明，钻机参数准确性和实时性满足钻机监测要求。借助于串口调试助手经过发送、接收数据进行对比，没有发现数据丢失和溢出现象。同时钻机三维模型和视频监测效果流畅，未出现明显卡滞，符合钻机远程监控的需求。图7 为钻机压力参数监测界面。

图7 钻机试验压力监测Fig.7 Pressure monitoring in the rig test

试验施工过程中，钻机出现一次主机械手倾角行程开关损坏的情况，主机械手停止动作，流程进行不下去，主机械手流程监测模块提示该行程开关出现故障，更换行程开关后问题解决。这一功能不仅可以快速判断出故障出现的位置，节省维修时间，还可以统计出传感器损坏的位置和次数，有助于后期钻机电控器件稳定性分析。图8 为钻进流程监测界面。

图8 钻机试验流程监测Fig.8 Flow monitoring in the rig test

试验中存在的问题：目前钻机进尺计数是通过一次全流程自动钻进或起拔时所使用钻杆数量的增加或减少来计算。当全自动施工流程出现故障，需切换到人工操作时，钻杆数量的增加减少未能准确统计，影响了进尺统计的准确性，后续钻杆计数的准确性还需改进。

7 结 论

a.开发的自动化钻机远程监测软件内容丰富，人机交互性强，具有钻机传感器信息监测、钻机流程监测、钻机控制指令监测、钻机状态虚拟监测和钻机状态视频监测等功能。

b.该监测系统在鄂尔多斯唐家会煤矿进行工业试验，在ZDY4500LFK 自动化钻机上进行了功能验证。试验表明远程监控系统数据传输准确、效果良好，实现了软件预期的功能，能够实现井下自动化钻机工况参数和钻机状态的实时显示。

c.该软件丰富的监测内容能够为自动化钻机远程控制提供支撑，同时也可以融合于西安研究院开发的透明地质保障系统中，为煤矿钻机智能化、地质透明化提供借鉴。

d.软件后续需要对钻杆计数功能进行优化，提高计数准确性，并结合钻机地面远程操控台实现自动化钻机的远程控制功能。