矿用履带式钻机的远程智能化监控系统研究

周文宇

（华晋焦煤有限责任公司沙曲二号煤矿， 山西 吕梁 033300）

0 引言

履带式钻机是煤矿井下进行地质勘探、瓦斯钻孔的核心设备，其工作的稳定性和可靠性对提升井下钻进效率具有十分重要的意义。目前多数履带式钻机的控制系统只能简单的显示钻进速度、钻进深度等，不仅无法对钻机的运行状态进行监测，而且无法对故障点位和钻场信息进行监测，整个控制系统的反应速度较慢、控制精度差，难以满足井下高效、安全钻进的需求。

1 ZDY4500LFK 型钻机结构

ZDY4500LFK 型钻机是一种广泛应用在煤矿井下的履带式钻机[1]，主要包括了钻车本体和泵车两个部分，能够用于进行瓦斯抽采、矿井下探放水、井下地质构造钻探等，同时也能够用在井下高瓦斯区域的防突施工。其中钻车部分包括了注浆、操控太、补杆装置等，而泵车包括了车体、冷却机构、电机组等，该钻机泵车和钻车结构如图1 所示[2]。

图1 ZDY4500LFK 型钻机结构示意图

2 钻机远程监测系统

为了满足对钻机工作时的全面监测需求，文章介绍了一种新的钻机自动化监测系统，其主要包括了各类传感器组件、高清摄像机系统、控制器、网络通信设备等，用于满足对井下钻进环境和钻机运行状态实时监测和预警的需求，该钻机远程监测系统结构如图2所示[3]。

图2 钻机远程监测系统示意图

由图2 可知，该钻机远程监测系统包括了传感器组件、视频监测组件、数据通信系统和监测服务单元。其中传感器组件主要分布在钻机的油缸、电机、执行机构处，用于对钻机工作时的系统压力、工作姿态、运行状态等进行监测。视频监测组件主要是安装在钻机周围的四组摄像装置，该摄像装置能够满足井下高尘、高压环境下对钻机周围环境监测可靠性的需求。数据通信系统主要是以CAN 数据总线为基础[4]，能够满足在井下复杂地质环境情况下的通信可靠性需求，监测服务单元主要用于显示钻机工作时的钻进参数和运行状态参数，当出现异常时能第一时间预警并进行故障定位，便于工作人员快速确认，提高钻机运行可靠性。

3 网络通信系统

由于煤矿井下的地质条件复杂，干扰因素多，因此数据在传输过程中受到的干扰大、数据传输效率低，为了满足钻机监测时对视频信息、各类监测传感器信息快速、高效、精确的传输需求，文章提出了一种新的网络拓扑结构[5]。

在控制器内设置了一路本安以太网接口，然后通过高速光纤数据网络与井下网关连接进入到环网并进行数据工况的传输，在摄像机上设置了4 组以太网接口和2 组以太网电口，系统中的四组视频摄像装置以串联的形式接入到网关内[6]。控制器采用了标准协议接口，能够满足多通道监测和数据控制的需求，能够同时容纳CAN 数据总线、以太网、开关量输入接口控制等，能够实现对各类传感器和控制系统的灵活驱动，满足控制信息传输灵活性的需求。该高速网络通信系统结构如图3 所示[7]。

图3 井下高速网络通信系统结构示意图

4 监测软件系统

该监测系统的核心是对钻机的运行状态进行实时监测，当出现运行异常时能够及时进行异常信息的定位和分析，帮助工作人员及时确定故障位置并进行修复。根据钻机运行状态监测系统的控制模式[8]，该软件监测系统主要包括了两个部分，第一个部分是对钻机的工况参数进行监测，第二部分是对钻机的运行状态进行监测。

对钻机运行工况参数的监测主要是由传感器信息监测和按键状态监测，能够通过双重监控的模式，确保对钻机运行工况的监测可靠性，该监测软件系统的控制逻辑如图4 所示[9]。

图4 钻机监测系统逻辑示意图

5 应用情况分析

目前该自动控制系统已经在ZDY4500LFK 型钻机上投入应用，并在煤矿井下进行了实际使用，根据对优化前后钻机的使用情况对比，优化后新控制系统下，实现了对履带式钻机工作过程的全面自动化监测，而且在钻进是发出调控指令后系统的执行反应时间由最初的4.4 s 降低到了目前的0.99 s，反应速度比优化前提升了约77.4%，有效提升了钻机在工作过程中的反应灵敏性。

由于实现了钻机在钻进过程中钻机姿态、钻机参数的全方位监测，因此当出现偏差后系统会自动对钻机的钻进姿态和参数进行调整，从而很大程度上能够提升其运行时的调整精度，根据实际验证，其钻机时的调控精度由最初的±47.5 mm 提升到了目前的±17.8 mm，实际调控精度提升了约62.6%。钻机在钻进过程中能够进行钻进状态的实时监测和分析，当出现异常运行参数时能够自动进行识别和故障原因分析，并显示在监控界面上，便于工作人员能够快速进行故障排除和修复，将运行时的故障率降低了83.3%，有效提升了钻进控制系统的运行可靠性和稳定性。

6 结论

1）新的钻机自动化监测系统，包括了各类传感器组件、高清摄像机系统、控制器、网络通信设备等，能够满足对井下钻进环境和钻机运行状态实时监测和预警的需求；

2）新的网络通信系统设置了一路本安以太网接口，然后通过高速光纤数据网络与井下网关连接进入到环网并进行数据工况的传输，满足了数据高速传输需求；

3）新的控制系统能够将调控反应速度提升77.4%，将调控精度提升62.6%，将运行故障降低83.3%。