物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能采礦中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能采礦中的

應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景

徐月

（中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

摘要：我國的煤礦資源十分豐富,巨大的煤礦資源給我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了足夠的能源, 反過來也推動了煤炭產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。煤礦產(chǎn)業(yè)為工業(yè)生產(chǎn)和居民生活提供了巨大能源, 據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明, 我國煤礦資源的生產(chǎn)和消費基本持平, 逐年穩(wěn)步增長, 對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著舉足輕重的作用。但是我國的煤礦產(chǎn)業(yè)存在著結(jié)構(gòu)簡單、信息化程度低、安全事故頻發(fā)等問題, 極大的限制和制約了煤礦的開采效率、運輸效率, 同時不能實現(xiàn)集中化、安全化管理。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn), 對煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會起到積極的推動作用。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng);煤礦產(chǎn)業(yè);智能采礦;發(fā)展現(xiàn)狀

Application status and development prospect of Internet of things technology in Intelligent Mining

XU Yue

(Department of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China )

Abstract:China's coal resources are very rich. The huge coal resources provide enough energy for China's economic development, which in turn promotes the rapid development of the coal industry. Coal industry provides huge energy for industrial production and people's life. According to the statistical data, the production and consumption of coal resources in China are basically the same, growing steadily year by year, which plays an important role in China's economic development. However, there are some problems in the coal industry of our country, such as simple structure, low information level, frequent safety accidents, etc., which greatly restrict and restrict the mining efficiency and transportation efficiency of coal mines, and at the same time, it can not achieve centralized and safe management. The emergence of Internet of things technology will play a positive role in promoting the development of coal industry.

Key words: Internet, Coal industry, Intelligent mining, Development status

物聯(lián)網(wǎng)從功能上分析具有四個特征:感知能力、數(shù)據(jù)信息的可靠性傳遞、智能處理和進(jìn)行單獨的業(yè)務(wù)應(yīng)用。它在信息安全機(jī)制的保障下,提供實時的監(jiān)測、定位等功能。作為一種復(fù)雜的信息系統(tǒng),它由三個層面組成,分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要是通過二維碼、RFID、傳感器實現(xiàn)對設(shè)備的信息采集、捕獲和識別。網(wǎng)絡(luò)層是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)在感知層和應(yīng)用層之間,及時、安全地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用層是為各類業(yè)務(wù)提供信息資源,它可以更好的應(yīng)用系統(tǒng)資源。

1系統(tǒng)總體功能

物聯(lián)網(wǎng)背景下煤礦設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)是在原有臺賬式管理的基礎(chǔ)上, 增加設(shè)備的故障診斷及健康狀態(tài)監(jiān)測功能。煤礦設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)主要功能模塊如圖所示。

基礎(chǔ)管理模塊主要實現(xiàn)基本信息維護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)制定與系統(tǒng)整體測試規(guī)范的制定。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊主要通過集成在系統(tǒng)中的傳感器自動采集設(shè)備信息, 采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。設(shè)備運行趨勢曲線主要用來對監(jiān)測到的設(shè)備運行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、歸檔、整理。設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)和元器件的使用情況以及備件的狀態(tài), 判斷出設(shè)備將來可能出現(xiàn)的問題, 為設(shè)備提供預(yù)防性維修方案。設(shè)備備件管理主要建立備件庫存系統(tǒng), 通過安裝在備件上的RFID芯片或條形碼對現(xiàn)場備件、維修中心備件的使用和庫存情況進(jìn)行統(tǒng)一管理、協(xié)同調(diào)度, 以便輔助制定備件生產(chǎn)與采購計劃。設(shè)備臺賬管理模塊主要實現(xiàn)原有臺賬式靜態(tài)管理系統(tǒng)功能。第三方服務(wù)管理模塊主要是通過對設(shè)備運行情況進(jìn)行整合, 為第三方提供基于云計算和大數(shù)據(jù)服務(wù)提供保障, 通信接口模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間信息交換的接口規(guī)范及協(xié)議。供應(yīng)鏈集成管理模塊主要利用ERP系統(tǒng), 對煤礦設(shè)備元器件供應(yīng)商、服務(wù)商進(jìn)行管理, 以保證礦井能夠安全可靠運轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)狀態(tài)感知層

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及感知的目的是為了通過采集、存儲、整理與分析設(shè)備的運行數(shù)據(jù), 實現(xiàn)對設(shè)備健康狀態(tài)的預(yù)測, 為提供大型機(jī)電設(shè)備的維修方案奠定基礎(chǔ)。

?

系統(tǒng)主要針對設(shè)備的溫度、振動、壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集, 通過圖2所示的網(wǎng)絡(luò)化傳感器來實現(xiàn)。該傳感器采用以太網(wǎng)接口作為礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開放式架構(gòu)中的感知層監(jiān)測設(shè)備, 通過礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)為設(shè)備制造商或第三方提供設(shè)備狀態(tài)信息。

3 系統(tǒng)應(yīng)用層

3.1 應(yīng)用層軟件組成及功能

在物聯(lián)網(wǎng)背景下, 應(yīng)用層在數(shù)據(jù)處理過程中, 設(shè)備運行信息既能在本地工作站上動態(tài)顯示, 也可以通過工業(yè)以太網(wǎng)采用網(wǎng)頁發(fā)布的方式在相關(guān)科室、礦務(wù)局、設(shè)備生產(chǎn)廠家等地動態(tài)顯示。服務(wù)器直接連接在交換機(jī)上, 通過交換機(jī)獲得全礦井設(shè)備的運行信息。應(yīng)用軟件包括數(shù)據(jù)采集集成層、數(shù)據(jù)接口層以及數(shù)據(jù)應(yīng)用交互層。

數(shù)據(jù)采集集成層主要通過ERP系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備臺賬式信息的集成, 采用Access數(shù)據(jù)庫讀取設(shè)備動態(tài)運行信息, 完成設(shè)備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)接口層采用OPC技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集, 通過通信接口從數(shù)據(jù)采集集成層獲取需要的相關(guān)數(shù)據(jù), 由礦山物聯(lián)網(wǎng)開放式架構(gòu)中的應(yīng)用層完成, 主要內(nèi)容包括通信接口的設(shè)置、通信協(xié)議的制定、數(shù)據(jù)的交換等內(nèi)容。

數(shù)據(jù)應(yīng)用交互層主要將通過數(shù)據(jù)接口層獲取設(shè)備動態(tài)信息, 通過組態(tài)軟件在應(yīng)用層平臺上動態(tài)顯示, 以達(dá)到信息交互的目的。

3.2 設(shè)備健康狀況預(yù)測

設(shè)備狀態(tài)預(yù)測主要通過網(wǎng)絡(luò)化傳感器獲得設(shè)備的運行信息、歷史信息以及同類設(shè)備的信息, 利用評估算法對礦井設(shè)備健康狀況進(jìn)行評估, 對于不合格設(shè)備給出潛在故障風(fēng)險及維修建議。

該功能主要包括:根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)和元器件的使用情況以及備件的狀態(tài), 判斷出設(shè)備將來可能出現(xiàn)的問題, 為設(shè)備提供預(yù)防性維修方案;也可以利用在系統(tǒng)維護(hù)中心的設(shè)備、人員等對礦井設(shè)備出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析, 得出故障可能出現(xiàn)的位置與區(qū)域, 為用戶提供可靠的故障診斷策略;根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)與診斷結(jié)果, 確定最優(yōu)測試診斷策略, 提高系統(tǒng)的維修與測試效率;根據(jù)診斷中心及各個區(qū)域服務(wù)中心的備件、人員以及用戶維修服務(wù)的請求, 對診斷過程進(jìn)行管理與調(diào)度, 以保證所有診斷請求均能夠及時解決。通過以上步驟, 基本上可以實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測及給出合理的維修建議, 避免礦山設(shè)備出現(xiàn)欠維修和過度維修的問題。

3.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)的處理及信息發(fā)布

礦山設(shè)備運行信息及實時監(jiān)測功能采用組態(tài)軟件In Touch來實現(xiàn)。它通過OPC Server可以直接訪問礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的各個控制PLC,兩者之間可以實現(xiàn)雙向通信。為了將不同操作系統(tǒng)、不同硬件的系統(tǒng)接入互連網(wǎng)，常采用支持TCP/IP協(xié)議的通信方式。下位機(jī)與服務(wù)器之間可以采用RS485、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,上位機(jī)將得到的設(shè)備狀態(tài)信息通過協(xié)議保存在Access數(shù)據(jù)庫中，客戶機(jī)通過TCP/IP協(xié)議即可得到礦山設(shè)備的狀態(tài)信息。這些信息可以通過定義用戶名和密碼等權(quán)限來控制訪問。通過設(shè)置不同的查詢條件訪問數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢,還可將查詢結(jié)果按照表格的方式打印出來。

進(jìn)行設(shè)備信息發(fā)布的目的是為了讓各個相關(guān)科室、礦務(wù)局、設(shè)備生產(chǎn)廠家、第三方服務(wù)提供方得到礦山設(shè)備的動態(tài)信息，目的是為了使礦山設(shè)備狀態(tài)信息獲得大范圍的應(yīng)用。動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計過程是在Front Page環(huán)境下完成的,在網(wǎng)頁內(nèi)插入VBScript腳本代碼,保存ASP文件。再通過設(shè)置“Web站點”的“IP地址”,就可以在客戶機(jī)IE地址欄直接輸入Web服務(wù)器計算機(jī)的IP地址,瀏覽所創(chuàng)建的主頁。數(shù)據(jù)使用者按照預(yù)先設(shè)定各字段的涵義將得到的數(shù)據(jù)加以整理，最后用它們?nèi)タ刂葡螺d的主控件相應(yīng)的屬性、方法和事件,或者去除一些文字的顯示,礦山設(shè)備的運行參數(shù)便實時動態(tài)的呈現(xiàn)在網(wǎng)頁上。

4 監(jiān)控技術(shù)發(fā)展方向

針對煤礦井下的復(fù)雜、惡劣環(huán)境條件, 并結(jié)合煤礦井下的特殊性要求和安全生產(chǎn)要求, 煤礦物聯(lián)網(wǎng)要與之相匹配、相適應(yīng)。具體來講, 煤礦物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面:

(1)由于煤礦井下作業(yè)設(shè)備多, 因而信息的處理、傳輸復(fù)雜, 需要有標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)。在煤礦的開采、生產(chǎn)過程中, 采煤設(shè)備、電氣設(shè)備、傳輸設(shè)備、安全監(jiān)測設(shè)備、信息管理設(shè)備等需要建立和采用相同的信息處理、傳輸系統(tǒng)。

(2)在煤礦的開采、生產(chǎn)過程中, 保證各種作業(yè)設(shè)備的正常運行是煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)。需要對整個煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行實時的監(jiān)控, 以保證各種作業(yè)設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。并且要根據(jù)作業(yè)設(shè)備的運行狀況, 及時對作業(yè)設(shè)備進(jìn)行檢修和維護(hù)。

(3)由于煤礦開采、生產(chǎn)作業(yè)的特殊性, 使得煤礦安全事故頻發(fā)。而采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對井下作業(yè)人員進(jìn)行實時的定位, 可以實現(xiàn)對生產(chǎn)作業(yè)的有效管理, 同時在發(fā)生安全事故情況下, 也可以實現(xiàn)對被困人員的定位, 方便救援工作。

4.1.井下員工精確定位技術(shù)

井下定位系統(tǒng)的無線技術(shù)是由短距離、低傳速向遠(yuǎn)距離、高傳速發(fā)展。定位系統(tǒng)采用藍(lán)牙、RFID技術(shù), 井下無線節(jié)點向礦工攜帶的智能終端發(fā)送RSSI值, RSSI值最終會傳送到井上控制中心, 可以根據(jù)相應(yīng)的算法確定人員位置。未來的井下定位系統(tǒng)具有高魯棒性與較好的自組網(wǎng)能力。

4.2.構(gòu)建三維可視化礦井模型

通過3D GIS把煤礦大量的空間參數(shù)和與之對應(yīng)的屬性參數(shù)結(jié)合起來, 進(jìn)行礦井三維建模和三維可視化表達(dá)。該模型中含有煤層賦存、頂?shù)装鍘r性、皮帶運輸、監(jiān)測監(jiān)控、采掘進(jìn)尺、水泵排水、通風(fēng)機(jī)運行情況、供電線路敷設(shè)等現(xiàn)場信息。

4.3.有效挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)

井下分站與地面中心站之間傳輸?shù)男畔⒏臑樘崆皦嚎s好的數(shù)據(jù), 以達(dá)到提高傳輸速率的目的。監(jiān)控系統(tǒng)要重視采集數(shù)據(jù)變化量的比對工作, 這樣可以預(yù)防瓦斯、火災(zāi)等礦山災(zāi)害。未來的煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不再由某一個公司構(gòu)建, 而是由相互獨立的多個公司兼容式開發(fā)。云計算將會成為未來數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)的主流模式, 為綜合分析地質(zhì)參數(shù)提供基礎(chǔ)。

由于傳統(tǒng)煤礦井下設(shè)備管理方式、手段不能滿足大規(guī)模煤炭生產(chǎn)對設(shè)備安全的要求,所以應(yīng)該合理利用煤礦系統(tǒng)里現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦井下設(shè)備管理系統(tǒng)中的應(yīng)用,可以及時地獲取設(shè)備的關(guān)鍵信息,實時掌握井下設(shè)備的運行情況,及時對設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù),降低設(shè)備出現(xiàn)故障的概率,為礦井的安全提供了保障。今后, 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)更新, 煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會得到更為廣泛的推廣和應(yīng)用。

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