摘要：在井下钻杆生产与使用、智能管理领域，井下操作人员不能及时掌握钻具使用情况、进尺、寿命等关键性信息，对寿命临尽的钻杆不能进行及时淘汰、更换新钻具的提醒。因此提出煤矿井下智能钻具管理系统，该系统可实现钻具的生产信息、生命周期追踪、钻进尺度测量，可适用于井下钻具的智能信息化管理。最后试验验证了该系统具有高可靠性、数据精确等特点，具有广阔的市场应用前景。
关键词：智能钻具；射频识别；载体芯片；钻具寿命；钻进尺度
0引言
钻具作为使用巨大的消耗件，当前煤矿没有采用信息化手段对其进行智能管理，导致用户对钻具的生产厂家、使用进尺、使用寿命、型号等关键信息掌握不清，无法明确钻具的设计使用寿命是否达到，投入生产使用容易造成钻杆断裂等情况，从而造成巨大的经济损失。与此同时，用户也无法对钻具信息进行追溯，钻具管理的落后已成为钻机向智能化、信息化发展的障碍。基于上述原因，本文研究智能钻具管理系统，该系统将钻具唯一性标识、生产厂家信息、钻杆规格、型号参数、钻具进尺等信息植入钻具中，形成具有信息化的智能钻具。通过无线射频技术（RFID）实时读写钻具信息，通过防爆手机及时掌握钻具使用情况、钻具寿命、钻孔施工工程进度等信息。最后在智能钻具管理系统数据库中生成钻具寿命报告、钻孔施工报告等信息表，并对寿命临尽的钻杆进行及时淘汰提醒等，最终实现钻具信息化、智能化数据管理。
1钻具管理系统总体方案
（1）智能钻具管理系统硬件结构钻具管理系统主要由智能钻杆、抗金属标签、RFID读写系统、存储模块、电源模块、防爆手机以及PC端平台组成，如图1所示。抗金属标签是智能钻杆芯片的载体，存储着钻具的相关信息，用于钻具追溯源头，包括生产厂家、钻杆型号、生产日期、累计使用深度等。RFID读写系统是整个钻具智能数据化管理的核心部件，主要用于读写智能钻具信息，同时将这些信息通过蓝牙传输给防爆手机进行显示与存储，便于现场人员操作管理。防爆手机主要由基于安卓系统Eclipse+ADT平台的APP开发软件，便于现场操作人员将智能钻杆信息录入，实现钻具信息的可视化管理。同时，程序员也可通过防爆手机对超高频RFID读写系统进行参数配置。PC端智能钻具管理系统软件平台使用C/S结构（Client/Server），Client端使用AntDesignPro框架、Js/Ts语言进行开发，支持IE11、Firefox、Chrome等浏览器，用于处理和解析智能钻具信息，并可生成钻具寿命、钻孔施工进程跟踪、施工人员考核等报表。电源模块主要提供24V、5V等弱电电压，考虑系统功耗，电源模块选型满足系统井下续航能力。（2）射频无线传输原理及抗金属标签特性RFID电子标签采用无线电波进行数据传递，为非接触式自动识别。抗金属标签用一种特殊的防磁性吸波材料封装电子标签，将抗金属标签贴附于金属物体表面。对标签天线参数及性能的影响分天线场与天线参数两方面。为了避免和削减这两方面的影响，采用陶瓷标签来作为电子标签，因为陶瓷分子缝隙比较大，不会受到电磁波干扰和影响，可以提高读写器对RFID标签的解读效率。抗金属标签专门为金属等复杂环境设计，具有读取距离远、灵敏度高、耐高温强酸、物理特性优良的特点，尤其适用于煤矿井下复杂环境。
2软件架构设置
Eclipse+ADT开发平台是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。PC端软件使用C/S结构，Client端代码开发完成后打包成普通的html、js、css等文件。Server端使用ASP.NET4.0、C#语言进行开发。Server端代码开发完成后打包成可在IIS的Web程序，包含Global.asax文件、Web.config文件、bin目录、App_Data目录、wwwroot目录。Client端的打包结果需要放到P端代码的wwwroot目录下。因为使用了ASP.NET4.0，所以需要7.0及以上版本的IIS。系统使用SQLServer来存储数据，需要使用SQLServer2008及以上版本的SQLServer数据库。数据库连接信息需要配置在Server端的Web.config文件中。钻具信息管理APP软件平台主要包括基于Eclipse+ADT的防爆手机APP调试读取平台和PC开发平台。前者主要负责钻具信息的读入、测试、调试及人机信息管理等功能。后者主要用于钻具射频芯片信息的烧录、管理、记录、存储等信息管理。（1）数据格式及协议制定数据传输方式采用蓝牙，通信方式采用全双工，波特率9600，停止位1位，数据位8位，奇校验，校验方式CRC16。通信采用标准Modbus协议，智能钻具ID格式采用16位字节，数据帧格式如表1所示。①钻杆厂家0x01：重庆研究院，本协议为固定值。②钻杆型号（mm）71:0x47，即字符G，本协议为固定值。③钻杆直径（mm）0:50；1:63；2:66；3:73；4:76；5:89。④钻杆长度（mm）0:500；1:800；2:1000；3:3000。⑤生产日期年月日各2位，如2019年只取19。例如，GSG03001191217003-XX为第1根钻具唯一身份识别号，其中GS代表生产厂家缩写，G代表光钻杆，0300代表规格为φ73mm×800mm型号，191217代表生产日期，003代表编号，后缀数据XX为累计使用深度。数据传到手机终端，防爆手机记录钻具ID号，并对数据进行解析。（2）钻具管理系统工作流程钻具管理系统载体信息录入工作流程如图2所示。RFID射频读写系统与电脑通过RS232连接，其余线路检查完毕后，射频读写系统指示灯显示绿色，即表示设备正常。打开PC端平台钻具管理系统数据库软件，进行抗金属标签信息植入，此时射频识别系统版本号等相关信息被读取。信息无误后在射频识别器上放入射频芯片，烧录相关芯片信息。该芯片信息为32位的字符串，该字符串内容包含钻具唯一性标识、生产厂家信息、钻杆规格、累计钻孔深度等信息，该钻具芯片信息还可根据客户需求定制。钻具芯片烧录的信息是唯一身份识别，不重复使用。钻具信息读取如图3所示。系统上电、设备匹配后，防爆手机发送指令为读写头进行初始化配置，超高频射频读写系统进入工作模式。钻具标签从射频读写端发射的询问信号中获取能量及询问指令，当智能钻杆标签获得足够的能量后，标签芯片被激活，根据指令进行相应的动作，标签通过反向散射调制来传输数据，即通过改变自身的负载阻抗来实现雷达截面的变化，从而反射出不同强度信号，最终将钻具信息传送给防爆手机。手机端收到信息会弹出数据已送达提示框，防爆手机的数据统一上报给地面服务器PC端智能钻具管理系统数据库，将钻具数据进行处理、存储、解析成客户需要的各类报告等相关信息。
3试验应用
3.1工业性试验
为证实方案的可行性，搭建钻具管理系统样机测试平台，并对样机进行试验测试。样机主要对嵌入标签的钻杆在不同转速情况下，通过测试装置来验证读取性能，以确保在钻孔施工中能完成智能钻具信息的获取。试验选用抗金属超高频FRID标签，钻具采用规格φ73mm×800mm钻杆进行测试。标签嵌入钻杆，完成胶封后，通过智能钻具管理系统平台为钻具写入唯一身份识别信息，形成智能钻杆。射频识别读写头采用924.5MHz，输出功率500mW，其阻抗匹配在钻机上进行测试。按照试验计划安排，在某矿井下02#煤层高抽巷进行管理系统测试。准备有智能钻机1台、φ73mm智能光钻杆50根，每根长度0.8m。矿方安排2名施工人员，重庆研究院安排1名试验人员。主要进行了2项试验：①数据采集试验共采集钻杆30根；②钻孔施工试验钻孔深度40m。数据采集试验方法是先把30根钻杆间隔5~10cm并排放在一起，用读写器依次靠近钻杆芯片位置进行连续读取，直至读取完毕。然后在手持终端查阅数据，看有无漏读。钻孔施工试验方法是先预打1根钻杆进入岩壁形成孔口，然后根据孔口位置和钻杆角度安装好读写器。确保读写器位于孔口位置，读写器窗口和钻杆平行且距离不大于30cm。然后第1根钻杆退出孔口大约0.5m，打开手持终端中的管理系统，进行施工参数设置后点击钻孔施工启动测试，然后开始操作钻机进行正常钻孔施工，待100根智能钻杆全部进入孔口后点击管理系统上的退钻按钮然后进行退钻操作。100根智能钻杆全部退出孔口后，点击管理系统上的停止按钮，整个管理系统的钻孔施工测试结束。其余工作流程按矿方规程进行操作。井下测试结束后把手持终端带至井上；在地面将手持终端连接电脑，将数据导入到电脑端的智能钻具管理系统，然后就可以在电脑端管理系统上查阅数据和生成报表。
3.2试验测试
（1）钻机转速对最大传输距离影响在钻机钻速分别为0、100r/min、150r/min、200r/min情况下测试钻具管理系统性能，在射频读写装置与抗金属标签间能保障数据通信正常的前提下，最大传输距离Dmax如表2所示。试验证明，钻杆旋转速度对射频读写装置有一定的影响，转速越快，最大读取距离Dmax越小，钻杆推进对读取影响不大，正常转速工作可满足读取距离要求。（2）软件性能测试将射频读写装置固定在钻杆附近，距离钻杆中心距离为50cm，控制钻机转速为200r/min，钻具测试数据如表3所示。不同钻具测试深度统计如表4所示，软件系统能够正确记录不同钻具本次使用深度、累计使用深度等关键信息。本次测试钻具使用情况如表5所示，软件系统能够正确记录钻具使用数量、钻孔总进尺以及耗时等信息。结合表3～表5，进钻时，射频读写头读取钻孔处附近钻具ID信息，记录下钻孔动作及当前时间。手机终端后台进行钻孔深度累加，退钻后，射频读写头读取钻孔处钻具ID信息，同时将此时钻杆深度写入到钻具ID后5位中，记录钻具的使用寿命。最终生成报表含有本次施工的时间、施工人、施工时长、钻具使用信息、累计进尺等信息。
4结语
研究智能化钻具及管理系统，通过钻具唯一性标识、生产厂家信息、钻杆规格型号、钻孔深度等信息，掌握钻具的生命周期和相关信息，合理进行钻具资源分配，有助于建立钻具管理数据库。对寿命临尽的钻杆进行及时淘汰提醒，有助于降低煤矿钻杆在井下钻进过程中发生断裂的风险。
作者：贾晓亮 单位：中煤科工集团重庆研究院有限公司
