王清峰，王 興，肖玉清

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

2020年，國(guó)家八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》要求實(shí)施機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人，推進(jìn)煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。鉆機(jī)作為瓦斯、水害和沖擊地壓等煤礦災(zāi)害治理的重要裝備，其自動(dòng)化程度的提升，可減少井下作業(yè)人數(shù)，提高單人臺(tái)效，更好地保障鉆孔施工安全[1-3]。

國(guó)內(nèi)煤礦井下鉆探裝備經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已相繼形成各類大功率定向鉆機(jī)和自動(dòng)化鉆機(jī)兩類裝備，例如中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研發(fā)的ZYWL-4000Y/SY、ZYWL-6000Y型自動(dòng)鉆機(jī)，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研發(fā)的ZDY-4500LFK型鉆機(jī)，可滿足不同的巷道條件和施工要求，部分技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先水平[4-5]。在無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境下，地面現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)、水下基于Ad Hoc模式的UUV通信組網(wǎng)技術(shù)均在各自領(lǐng)域取得了良好的效果[6-7]。由于煤礦井下具有環(huán)境復(fù)雜、干擾信號(hào)源多、電氣設(shè)備需防爆等特點(diǎn)，導(dǎo)致上述技術(shù)均不能適用于井下通信。

目前，煤礦井下用于地面監(jiān)測(cè)和井下監(jiān)控的礦用通信系統(tǒng)主要為有線方式，其基于CAN總線、RS485或RS232，將巷道中各設(shè)備的通信線路連接在總線上，以實(shí)現(xiàn)井上和井下的數(shù)據(jù)傳輸[8-10]。但此類手段存在以下問(wèn)題：每一種信息都需1路以太網(wǎng)傳輸，施工布線繁瑣；長(zhǎng)距離電纜信號(hào)損耗量大，監(jiān)測(cè)范圍有限；發(fā)生故障時(shí)難以找到故障點(diǎn)，維護(hù)困難且成本較高[11-12]。

因此，研究基于無(wú)線通信的煤礦用鉆機(jī)快速組網(wǎng)技術(shù)，對(duì)促進(jìn)井下“少人、無(wú)人化”具有重要意義。

1 鉆機(jī)快速組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有無(wú)線通信方式參數(shù)如表1所示，考慮到井下環(huán)境及信號(hào)傳輸距離，選擇ZigBee和WiFi的通信方式。但ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，在2.4 GHz的頻段下去掉信道應(yīng)答和重傳等消耗，可利用的速率不足100 KiB/s，因此不適用于視頻文件之類的傳輸。故快速組網(wǎng)系統(tǒng)選擇通過(guò)WiFi無(wú)線通信方式進(jìn)行信號(hào)傳輸。

表1 無(wú)線通信方式參數(shù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比,優(yōu)先選擇適用于煤礦鉆場(chǎng)環(huán)境的快速組網(wǎng)硬件，構(gòu)建鉆機(jī)快速組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)組網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備選型。自動(dòng)鉆機(jī)快速組網(wǎng)系統(tǒng)由鉆機(jī)主體、攝像機(jī)、交換機(jī)、控制器、路由器和礦用通信系統(tǒng)等組成，其快速組網(wǎng)系統(tǒng)方案如圖1所示。鉆機(jī)主體選擇重慶研究院研制的自動(dòng)鉆機(jī)[13-15]，攝像機(jī)、交換機(jī)均安裝于鉆機(jī)上，控制器和路由器集成安裝在鉆機(jī)電控箱內(nèi)?？刂破骷摄@機(jī)參數(shù)并發(fā)送控制指令；攝像機(jī)采用礦用本安型防爆攝像儀，經(jīng)交換機(jī)集成為一路并傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 自動(dòng)鉆機(jī)快速組網(wǎng)系統(tǒng)方案

鉆機(jī)參數(shù)和視頻信息通過(guò)路由器進(jìn)行WiFi無(wú)線傳輸，經(jīng)無(wú)線基站接入井下環(huán)網(wǎng)，最后傳輸至地面控制臺(tái)。地面控制臺(tái)可對(duì)鉆機(jī)參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將其信息作為鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制的反饋信號(hào)；鉆機(jī)地面操作臺(tái)控制井下鉆機(jī)時(shí)，控制指令通過(guò)操作臺(tái)傳入井下環(huán)網(wǎng)，再經(jīng)無(wú)線基站、路由器傳至鉆機(jī)的控制器，驅(qū)動(dòng)相關(guān)電磁閥模塊執(zhí)行動(dòng)作，進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

2 自動(dòng)鉆機(jī)

2.1 鉆機(jī)組成

以ZYWL-4000SY自動(dòng)鉆機(jī)為例，其為一種分體履帶式鉆機(jī)，由主機(jī)和泵車兩部分組成?？捎糜谑┕ね咚钩榉趴住⒚簩幼⑺?、防突卸壓孔、地質(zhì)勘探孔及其他工程孔，也可用于高瓦斯復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境鉆孔施工。

分體式結(jié)構(gòu)方案大幅減小了單個(gè)履帶車的體積，通過(guò)性較好，尤其適用于較為狹窄的巷道。泵車主要由履帶車體、電動(dòng)機(jī)泵組、油箱、電磁啟動(dòng)器等組成，為鉆機(jī)的行走、鉆進(jìn)、鉆桿裝卸等動(dòng)作提供動(dòng)力源；主機(jī)包括電控箱、操作臺(tái)、鉆桿箱、機(jī)械手、動(dòng)力頭、雙夾持器等。泵車和主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a)泵車結(jié)構(gòu)

2.2 功能特點(diǎn)

ZYWL-4000SY自動(dòng)鉆機(jī)具有以下特點(diǎn)：①通過(guò)電控箱內(nèi)嵌的軟件程序發(fā)出鉆機(jī)指令，一鍵完成自動(dòng)鉆進(jìn)及退鉆；②配置的大容量(70根)鉆桿箱，有效提高施工效率；③采用機(jī)械手、鉆桿箱及雙夾持器配合，實(shí)現(xiàn)鉆桿自動(dòng)加接和拆卸，可有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；④配備無(wú)線遙控器可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的遠(yuǎn)程操作，遠(yuǎn)離孔口，提高安全保障能力。

3 鉆機(jī)機(jī)載設(shè)備

3.1 控制器

鉆機(jī)控制器作為自動(dòng)鉆機(jī)電控系統(tǒng)的控制中樞，是鉆機(jī)主機(jī)與打鉆現(xiàn)場(chǎng)交互信息的平臺(tái)，接收信號(hào)并控制鉆機(jī)動(dòng)作，采集并處理傳感器的信息，完成檢測(cè)與診斷，并向其他設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)。鉆機(jī)控制器原理如圖3所示。

圖3 鉆機(jī)控制器原理

控制器是和鉆機(jī)主機(jī)及打鉆現(xiàn)場(chǎng)交互信息的平臺(tái)，主要作用是采集并處理傳感器的信息，完成檢測(cè)與診斷，并向遙控器或地面操作臺(tái)發(fā)送信息；輸出信號(hào)完成對(duì)鉆機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制(包含控制電動(dòng)機(jī)的急停)；為其他與控制器連接的本安或防爆設(shè)備供電。

按結(jié)構(gòu)劃分，控制器主要由電源模塊、隔離模塊及PLC控制器組成。其中，電源模塊將輸入端AC127 V非本安電源轉(zhuǎn)換為DC18/12/5 V本安輸出和DC24/12 V非本安輸出，為本安設(shè)備和其他非本安設(shè)備供電，同時(shí)轉(zhuǎn)換為PLC控制模塊和隔離模塊所需的電壓，為其供電；隔離模塊用于本安、非本安電路的隔離，可承受本安接線端與非本安接線端AC1 500 V、持續(xù)1 min的工頻耐壓；PLC控制器內(nèi)嵌有控制程序，執(zhí)行邏輯計(jì)算，通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入，輸出鉆機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)。

3.2 路由器

井下無(wú)線路由器安裝于隔爆電控箱中，考慮到電控箱內(nèi)部空間有限，且要求能快速組建虛擬局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)內(nèi)控制器、手持終端與通信系統(tǒng)的互通。故選擇體積較小的R300系列無(wú)線路由器，其開啟加密傳輸后，P2P模式下的數(shù)據(jù)將使用RAS2048/AES的方式加密，可有效保護(hù)鉆機(jī)傳輸信息。路由器的主要性能參數(shù)如下：①2個(gè)100 Mibit/s以太網(wǎng)接口，通過(guò)網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)與控制器互連；②尺寸96 mm×94 mm×28 mm，支持DIN35 mm軌道安裝；③擁有RS232、RS485串行接口；④無(wú)線WiFi傳輸，吞吐量大于90 Mibit/s；⑤雙電源供電方式，標(biāo)準(zhǔn)電源12 V，端子供電DC寬電壓5～36 V。

3.3 交換機(jī)

交換機(jī)連接各本安終端設(shè)備，各設(shè)備經(jīng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整快速傳輸處理，把經(jīng)過(guò)交換的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸至更遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或者中心站。自動(dòng)鉆機(jī)作業(yè)環(huán)境惡劣，要求所用交換機(jī)應(yīng)具備防塵、防水等功能。礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)主要功能是將所有攝像儀組成網(wǎng)絡(luò)，然后將視頻信號(hào)傳輸至視頻存儲(chǔ)服務(wù)器和手持監(jiān)控終端上,如圖4所示。

圖4 交換機(jī)外圍設(shè)備連接框圖

3.4 攝像儀

設(shè)置2路礦用本安型高清攝像儀，用于監(jiān)測(cè)鉆機(jī)工作狀況和鉆場(chǎng)情況。攝像儀接口為本質(zhì)安全型，額定工作電壓DC12 V，能夠在具有甲烷混合物及煤塵爆炸危險(xiǎn)的礦井環(huán)境中使用，對(duì)外提供2路以太網(wǎng)電端口，最大傳輸距離100 m；具有低照度下圖像實(shí)時(shí)采集和傳輸、日夜轉(zhuǎn)換及紅外照射、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)指示和語(yǔ)音采集功能。此外，供給電源具有過(guò)流、過(guò)壓、短路等保護(hù)功能，可保障硬件設(shè)施安全工作。

使用手持終端在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行可移動(dòng)遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)視，該監(jiān)視系統(tǒng)由鉆機(jī)電控箱供電，經(jīng)控制器內(nèi)電源模塊轉(zhuǎn)換為本安型12 V直流電源輸出，供攝像儀工作。攝像儀通過(guò)交換機(jī)信號(hào)處理，與手持終端同時(shí)接入路由器組建的虛擬局域網(wǎng)，在手持終端可通過(guò)APP軟件對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行視頻監(jiān)視。

4 礦用通信系統(tǒng)

自動(dòng)鉆機(jī)通信系統(tǒng)基于礦方已有的井下環(huán)網(wǎng)搭建，通過(guò)無(wú)線基站連通井下自動(dòng)鉆機(jī)與地面控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)動(dòng)作的遠(yuǎn)程控制與工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[16-18]。

由于井下設(shè)備種類繁多，為保證信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，采用2.4 GHz低頻信號(hào)傳輸，其信號(hào)傳輸繞射強(qiáng)、抗干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)?？刂破骱?路本安以太網(wǎng)接口，通過(guò)無(wú)線路由器與無(wú)線基站連接進(jìn)入井下環(huán)網(wǎng)，進(jìn)行控制信號(hào)的傳輸。本安攝像儀具有2路電接口，為減少接口數(shù)量，將2路攝像儀通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，如此接入無(wú)線路由器的網(wǎng)口僅需要1路，也便于未來(lái)攝像儀數(shù)量的添加。通過(guò)無(wú)線基站接入井下萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)，最后將鉆機(jī)參數(shù)和視頻信息傳輸至地面控制臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

自動(dòng)鉆機(jī)施工地點(diǎn)一般是長(zhǎng)距離運(yùn)輸巷、底抽巷等，該類型巷道由于距離長(zhǎng)，中間無(wú)取電位置，導(dǎo)致無(wú)線基站無(wú)法就近布置。此類巷道采用本安電源對(duì)無(wú)線基站供電，經(jīng)信號(hào)拉伸實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)無(wú)線信號(hào)的覆蓋。

4.1 無(wú)線基站

無(wú)線基站選擇一種礦用無(wú)線通信基站，用于實(shí)現(xiàn)礦用無(wú)線通信系統(tǒng)有線信號(hào)與無(wú)線信號(hào)的轉(zhuǎn)換及無(wú)線信號(hào)的覆蓋。主要性能參數(shù)如下：①工作電壓DC15.0～24.0 V，工作電流≤800 mA；②支持TCP/IP通信協(xié)議，網(wǎng)線通過(guò)防爆喇叭口接入井下環(huán)網(wǎng)；③WiFi無(wú)線信號(hào)接口2個(gè)，RFID信號(hào)接口1個(gè)，WiFi無(wú)線信號(hào)接口外接天線；④基站到礦用本安設(shè)備之間的最大通信距離200 m。

4.2 無(wú)線基站電源

無(wú)線基站功耗12.0～19.2 W(滿負(fù)載時(shí)運(yùn)行功率最大)，礦井使用高峰期為鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)間，三班制工作時(shí)間、每個(gè)時(shí)間段工作4 h，折算高峰使用率為0.5。因此取無(wú)線基站功耗16 W為設(shè)計(jì)電源功率。

基站工作電流≤800 mA，選用本安電源傳輸介質(zhì)MHYV 1×4×7/0.52礦用電纜傳輸線阻抗值為12.8 Ω/km，本安電源額定輸出電壓為DC18 V。

基站功耗滿足式(1)，傳輸電纜損耗滿足式(2)：

(1)

R=12.8×4×(L/1000)

(2)

式中：U為基站工作電壓，取最低電壓值15 V；R為傳輸電纜損耗；L為電纜傳輸距離，m。

通過(guò)計(jì)算得知，L=188 m。故選擇電纜傳輸距離為100 m，該距離下本安電源可滿足2個(gè)基站的供電需求。

4.3 無(wú)線基站天線

無(wú)線基站W(wǎng)iFi信號(hào)接口有2個(gè)，即天線為2T2R模式，設(shè)定時(shí)間延遲為10 ms。針對(duì)井下巷道空間，天線左右兩方向均分，每個(gè)方向天線的最大輸出功率24 dBm，接收靈敏度-70 dBm，遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸頻率為2.4 GHz。信號(hào)傳輸距離滿足如下公式：

Los=32.44+20lgD+20lgF

(3)

式中：Los為傳輸損耗，取94 dB；D為無(wú)線傳輸距離，km；F為傳輸頻率，MHz。

計(jì)算得知，自由空間中無(wú)線基站理論傳輸距離D為0.49 km?？紤]到巷道環(huán)境對(duì)信號(hào)的損耗，實(shí)際信號(hào)傳輸距離為200～300 m。

故每隔200 m設(shè)置1臺(tái)無(wú)線基站，巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。無(wú)線基站200 m范圍內(nèi)覆蓋的作業(yè)線為巷道內(nèi)所有自動(dòng)鉆機(jī)，為保證數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠，巷道內(nèi)所有作業(yè)線包含的自動(dòng)鉆機(jī)容量≤10臺(tái)。

圖6 巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

煤礦用自動(dòng)鉆機(jī)快速組網(wǎng)系統(tǒng)研制成功后，利用ZYWL-4000Y型自動(dòng)鉆機(jī)在河南平寶煤業(yè)有限公司進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在穿層瓦斯抽放孔施工過(guò)程中進(jìn)行了鉆機(jī)工況參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和地面控制鉆機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)快速組網(wǎng)系統(tǒng)，地面控制臺(tái)中的鉆機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確性和控制指令實(shí)時(shí)性滿足使用要求；鉆機(jī)屏幕顯示的鉆機(jī)工況參數(shù)也可通過(guò)路由器同步到手持終端Pad上，且網(wǎng)絡(luò)頻段可根據(jù)所處位置進(jìn)行自動(dòng)切換和連接；視頻信息效果流暢，未出現(xiàn)明顯卡滯，如圖7所示。

圖7 地面控制臺(tái)監(jiān)測(cè)畫面

試驗(yàn)施工過(guò)程中，鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，運(yùn)動(dòng)件磨損較小，除更換過(guò)易損件外未出現(xiàn)其他零部件損壞現(xiàn)象；通過(guò)組網(wǎng)系統(tǒng)，地面操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了井下鉆機(jī)自動(dòng)鉆進(jìn)、卸鉆、程序升級(jí)、故障診斷及狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)等功能。但仍存在以下問(wèn)題：配套裝置自動(dòng)化程度不夠，如孔口除渣等工序尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，缺少可連續(xù)作業(yè)用于鉆屑脫水的渣水分離技術(shù)，后續(xù)仍需在此方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)[19-20]。

6 結(jié)語(yǔ)

1)采用WiFi無(wú)線通信進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)拿旱V用自動(dòng)鉆機(jī)快速組網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理，人機(jī)交互性強(qiáng)，既可在井下遠(yuǎn)距離監(jiān)控鉆機(jī)工況，也可在地面控制臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和發(fā)送鉆機(jī)控制指令。

2)由無(wú)線路由器組建的虛擬局域網(wǎng)，使范圍內(nèi)的操作人員通過(guò)手持終端Pad遠(yuǎn)距離監(jiān)控鉆機(jī)工況參數(shù)和打鉆狀況，可利用遙控器遠(yuǎn)距離控制鉆機(jī)。

3)礦用通信系統(tǒng)基于井下環(huán)網(wǎng)搭建而成，利用無(wú)線基站聯(lián)通井下自動(dòng)鉆機(jī)與地面控制臺(tái)；每隔200 m設(shè)置1臺(tái)無(wú)線通信基站，通過(guò)信號(hào)拉伸保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)臺(tái)鉆機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩约翱煽啃浴?/p>

4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，快速組網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、效果良好，實(shí)現(xiàn)了井下自動(dòng)鉆機(jī)的遠(yuǎn)程控制和可視化監(jiān)測(cè)。