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摘要：在井下鉆桿生產與使用、智能管理領域，井下操作人員不能及時掌握鉆具使用情況、進尺、壽命等關鍵性信息，對壽命臨盡的鉆桿不能進行及時淘汰、更換新鉆具的提醒。因此提出煤礦井下智能鉆具管理系統，該系統可實現鉆具的生產信息、生命周期追蹤、鉆進尺度測量，可適用于井下鉆具的智能信息化管理。最后試驗驗證了該系統具有高可靠性、數據精確等特點，具有廣闊的市場應用前景。
關鍵詞：智能鉆具；射頻識別；載體芯片；鉆具壽命；鉆進尺度
0引言
鉆具作為使用巨大的消耗件，當前煤礦沒有采用信息化手段對其進行智能管理，導致用戶對鉆具的生產廠家、使用進尺、使用壽命、型號等關鍵信息掌握不清，無法明確鉆具的設計使用壽命是否達到，投入生產使用容易造成鉆桿斷裂等情況，從而造成巨大的經濟損失。與此同時，用戶也無法對鉆具信息進行追溯，鉆具管理的落后已成為鉆機向智能化、信息化發展的障礙。基于上述原因，本文研究智能鉆具管理系統，該系統將鉆具唯一性標識、生產廠家信息、鉆桿規格、型號參數、鉆具進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（RFID）實時讀寫鉆具信息，通過防爆手機及時掌握鉆具使用情況、鉆具壽命、鉆孔施工工程進度等信息。最后在智能鉆具管理系統數據庫中生成鉆具壽命報告、鉆孔施工報告等信息表，并對壽命臨盡的鉆桿進行及時淘汰提醒等，最終實現鉆具信息化、智能化數據管理。
1鉆具管理系統總體方案
（1）智能鉆具管理系統硬件結構鉆具管理系統主要由智能鉆桿、抗金屬標簽、RFID讀寫系統、存儲模塊、電源模塊、防爆手機以及PC端平臺組成，如圖1所示?？菇饘贅撕炇侵悄茔@桿芯片的載體，存儲著鉆具的相關信息，用于鉆具追溯源頭，包括生產廠家、鉆桿型號、生產日期、累計使用深度等。RFID讀寫系統是整個鉆具智能數據化管理的核心部件，主要用于讀寫智能鉆具信息，同時將這些信息通過藍牙傳輸給防爆手機進行顯示與存儲，便于現場人員操作管理。防爆手機主要由基于安卓系統Eclipse+ADT平臺的APP開發軟件，便于現場操作人員將智能鉆桿信息錄入，實現鉆具信息的可視化管理。同時，程序員也可通過防爆手機對超高頻RFID讀寫系統進行參數配置。PC端智能鉆具管理系統軟件平臺使用C/S結構（Client/Server），Client端使用AntDesignPro框架、Js/Ts語言進行開發，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、鉆孔施工進程跟蹤、施工人員考核等報表。電源模塊主要提供24V、5V等弱電電壓，考慮系統功耗，電源模塊選型滿足系統井下續航能力。（2）射頻無線傳輸原理及抗金屬標簽特性RFID電子標簽采用無線電波進行數據傳遞，為非接觸式自動識別?？菇饘贅撕炗靡环N特殊的防磁性吸波材料封裝電子標簽，將抗金屬標簽貼附于金屬物體表面。對標簽天線參數及性能的影響分天線場與天線參數兩方面。為了避免和削減這兩方面的影響，采用陶瓷標簽來作為電子標簽，因為陶瓷分子縫隙比較大，不會受到電磁波干擾和影響，可以提高讀寫器對RFID標簽的解讀效率?？菇饘贅撕瀸ｉT為金屬等復雜環境設計，具有讀取距離遠、靈敏度高、耐高溫強酸、物理特性優良的特點，尤其適用于煤礦井下復雜環境。
2軟件架構設置
Eclipse+ADT開發平臺是一個開放源代碼的、基于Java的可擴展開發平臺。PC端軟件使用C/S結構，Client端代碼開發完成后打包成普通的html、js、css等文件。Server端使用ASP.NET4.0、C#語言進行開發。Server端代碼開發完成后打包成可在IIS發布的Web程序，包含Global.asax文件、Web.config文件、bin目錄、App_Data目錄、wwwroot目錄。Client端的打包結果需要放到P端代碼的wwwroot目錄下。因為使用了ASP.NET4.0，所以需要7.0及以上版本的IIS。系統使用SQLServer來存儲數據，需要使用SQLServer2008及以上版本的SQLServer數據庫。數據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APP調試讀取平臺和PC開發平臺。前者主要負責鉆具信息的讀入、測試、調試及人機信息管理等功能。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）數據格式及協議制定數據傳輸方式采用藍牙，通信方式采用全雙工，波特率9600，停止位1位，數據位8位，奇校驗，校驗方式CRC16。通信采用標準Modbus協議，智能鉆具ID格式采用16位字節，數據幀格式如表1所示。①鉆桿廠家0x01：重慶研究院，本協議為固定值。②鉆桿型號（mm）71:0x47，即字符G，本協議為固定值。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代表生產廠家縮寫，G代表光鉆桿，0300代表規格為φ73mm×800mm型號，191217代表生產日期，003代表編號，后綴數據XX為累計使用深度。數據傳到手機終端，防爆手機記錄鉆具ID號，并對數據進行解析。（2）鉆具管理系統工作流程鉆具管理系統載體信息錄入工作流程如圖2所示。RFID射頻讀寫系統與電腦通過RS232連接，其余線路檢查完畢后，射頻讀寫系統指示燈顯示綠色，即表示設備正常。打開PC端平臺鉆具管理系統數據庫軟件，進行抗金屬標簽信息植入，此時射頻識別系統版本號等相關信息被讀取。信息無誤后在射頻識別器上放入射頻芯片，燒錄相關芯片信息。該芯片信息為32位的字符串，該字符串內容包含鉆具唯一性標識、生產廠家信息、鉆桿規格、累計鉆孔深度等信息，該鉆具芯片信息還可根據客戶需求定制。鉆具芯片燒錄的信息是唯一身份識別，不重復使用。鉆具信息讀取如圖3所示。系統上電、設備匹配后，防爆手機發送指令為讀寫頭進行初始化配置，超高頻射頻讀寫系統進入工作模式。鉆具標簽從射頻讀寫端發射的詢問信號中獲取能量及詢問指令，當智能鉆桿標簽獲得足夠的能量后，標簽芯片被激活，根據指令進行相應的動作，標簽通過反向散射調制來傳輸數據，即通過改變自身的負載阻抗來實現雷達截面的變化，從而反射出不同強度信號，最終將鉆具信息傳送給防爆手機。手機端收到信息會彈出數據已送達提示框，防爆手機的數據統一上報給地面服務器PC端智能鉆具管理系統數據庫，將鉆具數據進行處理、存儲、解析成客戶需要的各類報告等相關信息。
3試驗應用
3.1工業性試驗
為證實方案的可行性，搭建鉆具管理系統樣機測試平臺，并對樣機進行試驗測試。樣機主要對嵌入標簽的鉆桿在不同轉速情況下，通過測試裝置來驗證讀取性能，以確保在鉆孔施工中能完成智能鉆具信息的獲取。試驗選用抗金屬超高頻FRID標簽，鉆具采用規格φ73mm×800mm鉆桿進行測試。標簽嵌入鉆桿，完成膠封后，通過智能鉆具管理系統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，其阻抗匹配在鉆機上進行測試。按照試驗計劃安排，在某礦井下02#煤層高抽巷進行管理系統測試。準備有智能鉆機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名試驗人員。主要進行了2項試驗：①數據采集試驗共采集鉆桿30根；②鉆孔施工試驗鉆孔深度40m。數據采集試驗方法是先把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行連續讀取，直至讀取完畢。然后在手持終端查閱數據，看有無漏讀。鉆孔施工試驗方法是先預打1根鉆桿進入巖壁形成孔口，然后根據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，進行施工參數設置后點擊鉆孔施工啟動測試，然后開始操作鉆機進行正常鉆孔施工，待100根智能鉆桿全部進入孔口后點擊管理系統上的退鉆按鈕然后進行退鉆操作。100根智能鉆桿全部退出孔口后，點擊管理系統上的停止按鈕，整個管理系統的鉆孔施工測試結束。其余工作流程按礦方規程進行操作。井下測試結束后把手持終端帶至井上；在地面將手持終端連接電腦，將數據導入到電腦端的智能鉆具管理系統，然后就可以在電腦端管理系統上查閱數據和生成報表。
3.2試驗測試
（1）鉆機轉速對最大傳輸距離影響在鉆機鉆速分別為0、100r/min、150r/min、200r/min情況下測試鉆具管理系統性能，在射頻讀寫裝置與抗金屬標簽間能保障數據通信正常的前提下，最大傳輸距離Dmax如表2所示。試驗證明，鉆桿旋轉速度對射頻讀寫裝置有一定的影響，轉速越快，最大讀取距離Dmax越小，鉆桿推進對讀取影響不大，正常轉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，控制鉆機轉速為200r/min，鉆具測試數據如表3所示。不同鉆具測試深度統計如表4所示，軟件系統能夠正確記錄不同鉆具本次使用深度、累計使用深度等關鍵信息。本次測試鉆具使用情況如表5所示，軟件系統能夠正確記錄鉆具使用數量、鉆孔總進尺以及耗時等信息。結合表3～表5，進鉆時，射頻讀寫頭讀取鉆孔處附近鉆具ID信息，記錄下鉆孔動作及當前時間。手機終端后臺進行鉆孔深度累加，退鉆后，射頻讀寫頭讀取鉆孔處鉆具ID信息，同時將此時鉆桿深度寫入到鉆具ID后5位中，記錄鉆具的使用壽命。最終生成報表含有本次施工的時間、施工人、施工時長、鉆具使用信息、累計進尺等信息。
4結語
研究智能化鉆具及管理系統，通過鉆具唯一性標識、生產廠家信息、鉆桿規格型號、鉆孔深度等信息，掌握鉆具的生命周期和相關信息，合理進行鉆具資源分配，有助于建立鉆具管理數據庫。對壽命臨盡的鉆桿進行及時淘汰提醒，有助于降低煤礦鉆桿在井下鉆進過程中發生斷裂的風險。
作者：賈曉亮 單位：中煤科工集團重慶研究院有限公司
