煤矿用自动钻机快速组网技术研究

王清峰，王 兴，肖玉清

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

2020年，国家八部委联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》要求实施机械化换人、自动化减人，推进煤炭企业高质量发展。钻机作为瓦斯、水害和冲击地压等煤矿灾害治理的重要装备，其自动化程度的提升，可减少井下作业人数，提高单人台效，更好地保障钻孔施工安全[1-3]。

国内煤矿井下钻探装备经过多年的发展，已相继形成各类大功率定向钻机和自动化钻机两类装备，例如中煤科工集团重庆研究院有限公司研发的ZYWL-4000Y/SY、ZYWL-6000Y型自动钻机，中煤科工集团西安研究院有限公司研发的ZDY-4500LFK型钻机，可满足不同的巷道条件和施工要求，部分技术已处于国际领先水平[4-5]。在无基础设施的环境下，地面现有的无人机自组网技术、水下基于Ad Hoc模式的UUV通信组网技术均在各自领域取得了良好的效果[6-7]。由于煤矿井下具有环境复杂、干扰信号源多、电气设备需防爆等特点，导致上述技术均不能适用于井下通信。

目前，煤矿井下用于地面监测和井下监控的矿用通信系统主要为有线方式，其基于CAN总线、RS485或RS232，将巷道中各设备的通信线路连接在总线上，以实现井上和井下的数据传输[8-10]。但此类手段存在以下问题：每一种信息都需1路以太网传输，施工布线繁琐；长距离电缆信号损耗量大，监测范围有限；发生故障时难以找到故障点，维护困难且成本较高[11-12]。

因此，研究基于无线通信的煤矿用钻机快速组网技术，对促进井下“少人、无人化”具有重要意义。

1 钻机快速组网方案设计

现有无线通信方式参数如表1所示，考虑到井下环境及信号传输距离，选择ZigBee和WiFi的通信方式。但ZigBee数据传输速率比较低，在2.4 GHz的频段下去掉信道应答和重传等消耗，可利用的速率不足100 KiB/s，因此不适用于视频文件之类的传输。故快速组网系统选择通过WiFi无线通信方式进行信号传输。

表1 无线通信方式参数对比

通过对比,优先选择适用于煤矿钻场环境的快速组网硬件，构建钻机快速组网拓扑结构，并对组网关键节点进行设备选型。自动钻机快速组网系统由钻机主体、摄像机、交换机、控制器、路由器和矿用通信系统等组成，其快速组网系统方案如图1所示。钻机主体选择重庆研究院研制的自动钻机[13-15]，摄像机、交换机均安装于钻机上，控制器和路由器集成安装在钻机电控箱内。控制器集成钻机参数并发送控制指令；摄像机采用矿用本安型防爆摄像仪，经交换机集成为一路并传输数据。

图1 自动钻机快速组网系统方案

钻机参数和视频信息通过路由器进行WiFi无线传输，经无线基站接入井下环网，最后传输至地面控制台。地面控制台可对钻机参数和状态进行监测，将其信息作为钻机远程控制的反馈信号；钻机地面操作台控制井下钻机时，控制指令通过操作台传入井下环网，再经无线基站、路由器传至钻机的控制器，驱动相关电磁阀模块执行动作，进而达到远程控制的目的。

2 自动钻机

2.1 钻机组成

以ZYWL-4000SY自动钻机为例，其为一种分体履带式钻机，由主机和泵车两部分组成。可用于施工瓦斯抽放孔、煤层注水孔、防突卸压孔、地质勘探孔及其他工程孔，也可用于高瓦斯复杂地质环境钻孔施工。

分体式结构方案大幅减小了单个履带车的体积，通过性较好，尤其适用于较为狭窄的巷道。泵车主要由履带车体、电动机泵组、油箱、电磁启动器等组成，为钻机的行走、钻进、钻杆装卸等动作提供动力源；主机包括电控箱、操作台、钻杆箱、机械手、动力头、双夹持器等。泵车和主机结构如图2所示。

(a)泵车结构

2.2 功能特点

ZYWL-4000SY自动钻机具有以下特点：①通过电控箱内嵌的软件程序发出钻机指令，一键完成自动钻进及退钻；②配置的大容量(70根)钻杆箱，有效提高施工效率；③采用机械手、钻杆箱及双夹持器配合，实现钻杆自动加接和拆卸，可有效降低工人劳动强度；④配备无线遥控器可实现钻机的远程操作，远离孔口，提高安全保障能力。

3 钻机机载设备

3.1 控制器

钻机控制器作为自动钻机电控系统的控制中枢，是钻机主机与打钻现场交互信息的平台，接收信号并控制钻机动作，采集并处理传感器的信息，完成检测与诊断，并向其他设备发送控制信号。钻机控制器原理如图3所示。

图3 钻机控制器原理

控制器是和钻机主机及打钻现场交互信息的平台，主要作用是采集并处理传感器的信息，完成检测与诊断，并向遥控器或地面操作台发送信息；输出信号完成对钻机执行机构的控制(包含控制电动机的急停)；为其他与控制器连接的本安或防爆设备供电。

按结构划分，控制器主要由电源模块、隔离模块及PLC控制器组成。其中，电源模块将输入端AC127 V非本安电源转换为DC18/12/5 V本安输出和DC24/12 V非本安输出，为本安设备和其他非本安设备供电，同时转换为PLC控制模块和隔离模块所需的电压，为其供电；隔离模块用于本安、非本安电路的隔离，可承受本安接线端与非本安接线端AC1 500 V、持续1 min的工频耐压；PLC控制器内嵌有控制程序，执行逻辑计算，通过数字或模拟式输入，输出钻机各执行机构的控制信号。

3.2 路由器

井下无线路由器安装于隔爆电控箱中，考虑到电控箱内部空间有限，且要求能快速组建虚拟局域网，实现虚拟网内控制器、手持终端与通信系统的互通。故选择体积较小的R300系列无线路由器，其开启加密传输后，P2P模式下的数据将使用RAS2048/AES的方式加密，可有效保护钻机传输信息。路由器的主要性能参数如下：①2个100 Mibit/s以太网接口，通过网线实现与控制器互连；②尺寸96 mm×94 mm×28 mm，支持DIN35 mm轨道安装；③拥有RS232、RS485串行接口；④无线WiFi传输，吞吐量大于90 Mibit/s；⑤双电源供电方式，标准电源12 V，端子供电DC宽电压5～36 V。

3.3 交换机

交换机连接各本安终端设备，各设备经交换机进行数据传输；交换机对数据进行完整快速传输处理，把经过交换的数据转发传输至更远的网络交换机或者中心站。自动钻机作业环境恶劣，要求所用交换机应具备防尘、防水等功能。矿用本安型网络交换机主要功能是将所有摄像仪组成网络，然后将视频信号传输至视频存储服务器和手持监控终端上,如图4所示。

图4 交换机外围设备连接框图

3.4 摄像仪

设置2路矿用本安型高清摄像仪，用于监测钻机工作状况和钻场情况。摄像仪接口为本质安全型，额定工作电压DC12 V，能够在具有甲烷混合物及煤尘爆炸危险的矿井环境中使用，对外提供2路以太网电端口，最大传输距离100 m；具有低照度下图像实时采集和传输、日夜转换及红外照射、网络通信状态指示和语音采集功能。此外，供给电源具有过流、过压、短路等保护功能，可保障硬件设施安全工作。

使用手持终端在无线网络覆盖范围内对钻机进行可移动远程无线视频监视，该监视系统由钻机电控箱供电，经控制器内电源模块转换为本安型12 V直流电源输出，供摄像仪工作。摄像仪通过交换机信号处理，与手持终端同时接入路由器组建的虚拟局域网，在手持终端可通过APP软件对钻机进行视频监视。

4 矿用通信系统

自动钻机通信系统基于矿方已有的井下环网搭建，通过无线基站连通井下自动钻机与地面控制台，实现钻机动作的远程控制与工况参数的实时监测[16-18]。

由于井下设备种类繁多，为保证信号传输的准确性，采用2.4 GHz低频信号传输，其信号传输绕射强、抗干扰强、传输距离远。控制器含有1路本安以太网接口，通过无线路由器与无线基站连接进入井下环网，进行控制信号的传输。本安摄像仪具有2路电接口，为减少接口数量，将2路摄像仪通过交换机进行信号处理，如此接入无线路由器的网口仅需要1路，也便于未来摄像仪数量的添加。通过无线基站接入井下万兆环网，最后将钻机参数和视频信息传输至地面控制台。网络拓扑图如图5所示。

图5 通信系统网络拓扑

自动钻机施工地点一般是长距离运输巷、底抽巷等，该类型巷道由于距离长，中间无取电位置，导致无线基站无法就近布置。此类巷道采用本安电源对无线基站供电，经信号拉伸实现巷道内无线信号的覆盖。

4.1 无线基站

无线基站选择一种矿用无线通信基站，用于实现矿用无线通信系统有线信号与无线信号的转换及无线信号的覆盖。主要性能参数如下：①工作电压DC15.0～24.0 V，工作电流≤800 mA；②支持TCP/IP通信协议，网线通过防爆喇叭口接入井下环网；③WiFi无线信号接口2个，RFID信号接口1个，WiFi无线信号接口外接天线；④基站到矿用本安设备之间的最大通信距离200 m。

4.2 无线基站电源

无线基站功耗12.0～19.2 W(满负载时运行功率最大)，矿井使用高峰期为钻机运行时间，三班制工作时间、每个时间段工作4 h，折算高峰使用率为0.5。因此取无线基站功耗16 W为设计电源功率。

基站工作电流≤800 mA，选用本安电源传输介质MHYV 1×4×7/0.52矿用电缆传输线阻抗值为12.8 Ω/km，本安电源额定输出电压为DC18 V。

基站功耗满足式(1)，传输电缆损耗满足式(2)：

(1)

R=12.8×4×(L/1000)

(2)

式中：U为基站工作电压，取最低电压值15 V；R为传输电缆损耗；L为电缆传输距离，m。

通过计算得知，L=188 m。故选择电缆传输距离为100 m，该距离下本安电源可满足2个基站的供电需求。

4.3 无线基站天线

无线基站WiFi信号接口有2个，即天线为2T2R模式，设定时间延迟为10 ms。针对井下巷道空间，天线左右两方向均分，每个方向天线的最大输出功率24 dBm，接收灵敏度-70 dBm，远距离信号传输频率为2.4 GHz。信号传输距离满足如下公式：

Los=32.44+20lgD+20lgF

(3)

式中：Los为传输损耗，取94 dB；D为无线传输距离，km；F为传输频率，MHz。

计算得知，自由空间中无线基站理论传输距离D为0.49 km。考虑到巷道环境对信号的损耗，实际信号传输距离为200～300 m。

故每隔200 m设置1台无线基站，巷道网络拓扑如图6所示。无线基站200 m范围内覆盖的作业线为巷道内所有自动钻机，为保证数据传输安全、可靠，巷道内所有作业线包含的自动钻机容量≤10台。

图6 巷道网络拓扑

5 现场试验

煤矿用自动钻机快速组网系统研制成功后，利用ZYWL-4000Y型自动钻机在河南平宝煤业有限公司进行了现场试验。在穿层瓦斯抽放孔施工过程中进行了钻机工况参数的远程监测和地面控制钻机。试验结果表明，通过快速组网系统，地面控制台中的钻机参数准确性和控制指令实时性满足使用要求；钻机屏幕显示的钻机工况参数也可通过路由器同步到手持终端Pad上，且网络频段可根据所处位置进行自动切换和连接；视频信息效果流畅，未出现明显卡滞，如图7所示。

图7 地面控制台监测画面

试验施工过程中，钻机运转正常，运动件磨损较小，除更换过易损件外未出现其他零部件损坏现象；通过组网系统，地面操作台实现了井下钻机自动钻进、卸钻、程序升级、故障诊断及状态参数监测等功能。但仍存在以下问题：配套装置自动化程度不够，如孔口除渣等工序尚未实现自动化作业，缺少可连续作业用于钻屑脱水的渣水分离技术，后续仍需在此方面进行技术攻关[19-20]。

6 结语

1)采用WiFi无线通信进行信号传输的煤矿用自动钻机快速组网系统方案设计合理，人机交互性强，既可在井下远距离监控钻机工况，也可在地面控制台实时监测和发送钻机控制指令。

2)由无线路由器组建的虚拟局域网，使范围内的操作人员通过手持终端Pad远距离监控钻机工况参数和打钻状况，可利用遥控器远距离控制钻机。

3)矿用通信系统基于井下环网搭建而成，利用无线基站联通井下自动钻机与地面控制台；每隔200 m设置1台无线通信基站，通过信号拉伸保证网络覆盖范围内的数台钻机数据传输的安全性及可靠性。

4)现场试验表明，快速组网系统数据传输准确、效果良好，实现了井下自动钻机的远程控制和可视化监测。