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摘要：在井下鉆桿生產(chǎn)與使用、智能管理領(lǐng)域，井下操作人員不能及時(shí)掌握鉆具使用情況、進(jìn)尺、壽命等關(guān)鍵性信息，對壽命臨盡的鉆桿不能進(jìn)行及時(shí)淘汰、更換新鉆具的提醒。因此提出煤礦井下智能鉆具管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鉆具的生產(chǎn)信息、生命周期追蹤、鉆進(jìn)尺度測量，可適用于井下鉆具的智能信息化管理。最后試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有高可靠性、數(shù)據(jù)精確等特點(diǎn)，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能鉆具；射頻識別；載體芯片；鉆具壽命；鉆進(jìn)尺度

0引言

鉆具作為使用巨大的消耗件，當(dāng)前煤礦沒有采用信息化手段對其進(jìn)行智能管理，導(dǎo)致用戶對鉆具的生產(chǎn)廠家、使用進(jìn)尺、使用壽命、型號等關(guān)鍵信息掌握不清，無法明確鉆具的設(shè)計(jì)使用壽命是否達(dá)到，投入生產(chǎn)使用容易造成鉆桿斷裂等情況，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。與此同時(shí)，用戶也無法對鉆具信息進(jìn)行追溯，鉆具管理的落后已成為鉆機(jī)向智能化、信息化發(fā)展的障礙。基于上述原因，本文研究智能鉆具管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將鉆具唯一性標(biāo)識、生產(chǎn)廠家信息、鉆桿規(guī)格、型號參數(shù)、鉆具進(jìn)尺等信息植入鉆具中，形成具有信息化的智能鉆具。通過無線射頻技術(shù)（RFID）實(shí)時(shí)讀寫鉆具信息，通過防爆手機(jī)及時(shí)掌握鉆具使用情況、鉆具壽命、鉆孔施工工程進(jìn)度等信息。最后在智能鉆具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中生成鉆具壽命報(bào)告、鉆孔施工報(bào)告等信息表，并對壽命臨盡的鉆桿進(jìn)行及時(shí)淘汰提醒等，最終實(shí)現(xiàn)鉆具信息化、智能化數(shù)據(jù)管理。

1鉆具管理系統(tǒng)總體方案

（1）智能鉆具管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)鉆具管理系統(tǒng)主要由智能鉆桿、抗金屬標(biāo)簽、RFID讀寫系統(tǒng)、存儲模塊、電源模塊、防爆手機(jī)以及PC端平臺組成，如圖1所示。抗金屬標(biāo)簽是智能鉆桿芯片的載體，存儲著鉆具的相關(guān)信息，用于鉆具追溯源頭，包括生產(chǎn)廠家、鉆桿型號、生產(chǎn)日期、累計(jì)使用深度等。RFID讀寫系統(tǒng)是整個(gè)鉆具智能數(shù)據(jù)化管理的核心部件，主要用于讀寫智能鉆具信息，同時(shí)將這些信息通過藍(lán)牙傳輸給防爆手機(jī)進(jìn)行顯示與存儲，便于現(xiàn)場人員操作管理。防爆手機(jī)主要由基于安卓系統(tǒng)Eclipse+ADT平臺的APP開發(fā)軟件，便于現(xiàn)場操作人員將智能鉆桿信息錄入，實(shí)現(xiàn)鉆具信息的可視化管理。同時(shí)，程序員也可通過防爆手機(jī)對超高頻RFID讀寫系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置。PC端智能鉆具管理系統(tǒng)軟件平臺使用C/S結(jié)構(gòu)（Client/Server），Client端使用AntDesignPro框架、Js/Ts語言進(jìn)行開發(fā)，支持IE11、Firefox、Chrome等瀏覽器，用于處理和解析智能鉆具信息，并可生成鉆具壽命、鉆孔施工進(jìn)程跟蹤、施工人員考核等報(bào)表。電源模塊主要提供24V、5V等弱電電壓，考慮系統(tǒng)功耗，電源模塊選型滿足系統(tǒng)井下續(xù)航能力。（2）射頻無線傳輸原理及抗金屬標(biāo)簽特性RFID電子標(biāo)簽采用無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，為非接觸式自動(dòng)識別。抗金屬標(biāo)簽用一種特殊的防磁性吸波材料封裝電子標(biāo)簽，將抗金屬標(biāo)簽貼附于金屬物體表面。對標(biāo)簽天線參數(shù)及性能的影響分天線場與天線參數(shù)兩方面。為了避免和削減這兩方面的影響，采用陶瓷標(biāo)簽來作為電子標(biāo)簽，因?yàn)樘沾煞肿涌p隙比較大，不會受到電磁波干擾和影響，可以提高讀寫器對RFID標(biāo)簽的解讀效率。抗金屬標(biāo)簽專門為金屬等復(fù)雜環(huán)境設(shè)計(jì)，具有讀取距離遠(yuǎn)、靈敏度高、耐高溫強(qiáng)酸、物理特性優(yōu)良的特點(diǎn)，尤其適用于煤礦井下復(fù)雜環(huán)境。

2軟件架構(gòu)設(shè)置

Eclipse+ADT開發(fā)平臺是一個(gè)開放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺。PC端軟件使用C/S結(jié)構(gòu)，Client端代碼開發(fā)完成后打包成普通的html、js、css等文件。Server端使用ASP.NET4.0、C#語言進(jìn)行開發(fā)。Server端代碼開發(fā)完成后打包成可在IIS發(fā)布的Web程序，包含Global.asax文件、Web.config文件、bin目錄、App_Data目錄、wwwroot目錄。Client端的打包結(jié)果需要放到P端代碼的wwwroot目錄下。因?yàn)槭褂昧薃SP.NET4.0，所以需要7.0及以上版本的IIS。系統(tǒng)使用SQLServer來存儲數(shù)據(jù)，需要使用SQLServer2008及以上版本的SQLServer數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫連接信息需要配置在Server端的Web.config文件中。鉆具信息管理APP軟件平臺主要包括基于Eclipse+ADT的防爆手機(jī)APP調(diào)試讀取平臺和PC開發(fā)平臺。前者主要負(fù)責(zé)鉆具信息的讀入、測試、調(diào)試及人機(jī)信息管理等功能。后者主要用于鉆具射頻芯片信息的燒錄、管理、記錄、存儲等信息管理。（1）數(shù)據(jù)格式及協(xié)議制定數(shù)據(jù)傳輸方式采用藍(lán)牙，通信方式采用全雙工，波特率9600，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，奇校驗(yàn)，校驗(yàn)方式CRC16。通信采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，智能鉆具ID格式采用16位字節(jié)，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。①鉆桿廠家0x01：重慶研究院，本協(xié)議為固定值。②鉆桿型號（mm）71:0x47，即字符G，本協(xié)議為固定值。③鉆桿直徑（mm）0:50；1:63；2:66；3:73；4:76；5:89。④鉆桿長度（mm）0:500；1:800；2:1000；3:3000。⑤生產(chǎn)日期年月日各2位，如2019年只取19。例如，GSG03001191217003-XX為第1根鉆具唯一身份識別號，其中GS代表生產(chǎn)廠家縮寫，G代表光鉆桿，0300代表規(guī)格為φ73mm×800mm型號，191217代表生產(chǎn)日期，003代表編號，后綴數(shù)據(jù)XX為累計(jì)使用深度。數(shù)據(jù)傳到手機(jī)終端，防爆手機(jī)記錄鉆具ID號，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。（2）鉆具管理系統(tǒng)工作流程鉆具管理系統(tǒng)載體信息錄入工作流程如圖2所示。RFID射頻讀寫系統(tǒng)與電腦通過RS232連接，其余線路檢查完畢后，射頻讀寫系統(tǒng)指示燈顯示綠色，即表示設(shè)備正常。打開PC端平臺鉆具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件，進(jìn)行抗金屬標(biāo)簽信息植入，此時(shí)射頻識別系統(tǒng)版本號等相關(guān)信息被讀取。信息無誤后在射頻識別器上放入射頻芯片，燒錄相關(guān)芯片信息。該芯片信息為32位的字符串，該字符串內(nèi)容包含鉆具唯一性標(biāo)識、生產(chǎn)廠家信息、鉆桿規(guī)格、累計(jì)鉆孔深度等信息，該鉆具芯片信息還可根據(jù)客戶需求定制。鉆具芯片燒錄的信息是唯一身份識別，不重復(fù)使用。鉆具信息讀取如圖3所示。系統(tǒng)上電、設(shè)備匹配后，防爆手機(jī)發(fā)送指令為讀寫頭進(jìn)行初始化配置，超高頻射頻讀寫系統(tǒng)進(jìn)入工作模式。鉆具標(biāo)簽從射頻讀寫端發(fā)射的詢問信號中獲取能量及詢問指令，當(dāng)智能鉆桿標(biāo)簽獲得足夠的能量后，標(biāo)簽芯片被激活，根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，標(biāo)簽通過反向散射調(diào)制來傳輸數(shù)據(jù)，即通過改變自身的負(fù)載阻抗來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)截面的變化，從而反射出不同強(qiáng)度信號，最終將鉆具信息傳送給防爆手機(jī)。手機(jī)端收到信息會彈出數(shù)據(jù)已送達(dá)提示框，防爆手機(jī)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上報(bào)給地面服務(wù)器PC端智能鉆具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，將鉆具數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、解析成客戶需要的各類報(bào)告等相關(guān)信息。

3試驗(yàn)應(yīng)用

3.1工業(yè)性試驗(yàn)

為證實(shí)方案的可行性，搭建鉆具管理系統(tǒng)樣機(jī)測試平臺，并對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測試。樣機(jī)主要對嵌入標(biāo)簽的鉆桿在不同轉(zhuǎn)速情況下，通過測試裝置來驗(yàn)證讀取性能，以確保在鉆孔施工中能完成智能鉆具信息的獲取。試驗(yàn)選用抗金屬超高頻FRID標(biāo)簽，鉆具采用規(guī)格φ73mm×800mm鉆桿進(jìn)行測試。標(biāo)簽嵌入鉆桿，完成膠封后，通過智能鉆具管理系統(tǒng)平臺為鉆具寫入唯一身份識別信息，形成智能鉆桿。射頻識別讀寫頭采用924.5MHz，輸出功率500mW，其阻抗匹配在鉆機(jī)上進(jìn)行測試。按照試驗(yàn)計(jì)劃安排，在某礦井下02#煤層高抽巷進(jìn)行管理系統(tǒng)測試。準(zhǔn)備有智能鉆機(jī)1臺、φ73mm智能光鉆桿50根，每根長度0.8m。礦方安排2名施工人員，重慶研究院安排1名試驗(yàn)人員。主要進(jìn)行了2項(xiàng)試驗(yàn)：①數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)共采集鉆桿30根；②鉆孔施工試驗(yàn)鉆孔深度40m。數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)方法是先把30根鉆桿間隔5~10cm并排放在一起，用讀寫器依次靠近鉆桿芯片位置進(jìn)行連續(xù)讀取，直至讀取完畢。然后在手持終端查閱數(shù)據(jù)，看有無漏讀。鉆孔施工試驗(yàn)方法是先預(yù)打1根鉆桿進(jìn)入巖壁形成孔口，然后根據(jù)孔口位置和鉆桿角度安裝好讀寫器。確保讀寫器位于孔口位置，讀寫器窗口和鉆桿平行且距離不大于30cm。然后第1根鉆桿退出孔口大約0.5m，打開手持終端中的管理系統(tǒng)，進(jìn)行施工參數(shù)設(shè)置后點(diǎn)擊鉆孔施工啟動(dòng)測試，然后開始操作鉆機(jī)進(jìn)行正常鉆孔施工，待100根智能鉆桿全部進(jìn)入孔口后點(diǎn)擊管理系統(tǒng)上的退鉆按鈕然后進(jìn)行退鉆操作。100根智能鉆桿全部退出孔口后，點(diǎn)擊管理系統(tǒng)上的停止按鈕，整個(gè)管理系統(tǒng)的鉆孔施工測試結(jié)束。其余工作流程按礦方規(guī)程進(jìn)行操作。井下測試結(jié)束后把手持終端帶至井上；在地面將手持終端連接電腦，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦端的智能鉆具管理系統(tǒng)，然后就可以在電腦端管理系統(tǒng)上查閱數(shù)據(jù)和生成報(bào)表。

3.2試驗(yàn)測試

（1）鉆機(jī)轉(zhuǎn)速對最大傳輸距離影響在鉆機(jī)鉆速分別為0、100r/min、150r/min、200r/min情況下測試鉆具管理系統(tǒng)性能，在射頻讀寫裝置與抗金屬標(biāo)簽間能保障數(shù)據(jù)通信正常的前提下，最大傳輸距離Dmax如表2所示。試驗(yàn)證明，鉆桿旋轉(zhuǎn)速度對射頻讀寫裝置有一定的影響，轉(zhuǎn)速越快，最大讀取距離Dmax越小，鉆桿推進(jìn)對讀取影響不大，正常轉(zhuǎn)速工作可滿足讀取距離要求。（2）軟件性能測試將射頻讀寫裝置固定在鉆桿附近，距離鉆桿中心距離為50cm，控制鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min，鉆具測試數(shù)據(jù)如表3所示。不同鉆具測試深度統(tǒng)計(jì)如表4所示，軟件系統(tǒng)能夠正確記錄不同鉆具本次使用深度、累計(jì)使用深度等關(guān)鍵信息。本次測試鉆具使用情況如表5所示，軟件系統(tǒng)能夠正確記錄鉆具使用數(shù)量、鉆孔總進(jìn)尺以及耗時(shí)等信息。結(jié)合表3～表5，進(jìn)鉆時(shí)，射頻讀寫頭讀取鉆孔處附近鉆具ID信息，記錄下鉆孔動(dòng)作及當(dāng)前時(shí)間。手機(jī)終端后臺進(jìn)行鉆孔深度累加，退鉆后，射頻讀寫頭讀取鉆孔處鉆具ID信息，同時(shí)將此時(shí)鉆桿深度寫入到鉆具ID后5位中，記錄鉆具的使用壽命。最終生成報(bào)表含有本次施工的時(shí)間、施工人、施工時(shí)長、鉆具使用信息、累計(jì)進(jìn)尺等信息。

4結(jié)語

研究智能化鉆具及管理系統(tǒng)，通過鉆具唯一性標(biāo)識、生產(chǎn)廠家信息、鉆桿規(guī)格型號、鉆孔深度等信息，掌握鉆具的生命周期和相關(guān)信息，合理進(jìn)行鉆具資源分配，有助于建立鉆具管理數(shù)據(jù)庫。對壽命臨盡的鉆桿進(jìn)行及時(shí)淘汰提醒，有助于降低煤礦鉆桿在井下鉆進(jìn)過程中發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

作者：賈曉亮 單位：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司