物联网技术在智能采矿中的应用现状和发展前景

物联网技术在智能采矿中的

应用现状和发展前景

徐月

（中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116）

摘要：我国的煤矿资源十分丰富,巨大的煤矿资源给我国经济发展提供了足够的能源, 反过来也推动了煤炭产业的迅猛发展。煤矿产业为工业生产和居民生活提供了巨大能源, 据统计数据表明, 我国煤矿资源的生产和消费基本持平, 逐年稳步增长, 对我国的经济发展起着举足轻重的作用。但是我国的煤矿产业存在着结构简单、信息化程度低、安全事故频发等问题, 极大的限制和制约了煤矿的开采效率、运输效率, 同时不能实现集中化、安全化管理。而物联网技术的出现, 对煤矿产业的发展会起到积极的推动作用。

关键字：物联网;煤矿产业;智能采矿;发展现状

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

物联网从功能上分析具有四个特征:感知能力、数据信息的可靠性传递、智能处理和进行单独的业务应用。它在信息安全机制的保障下,提供实时的监测、定位等功能。作为一种复杂的信息系统,它由三个层面组成,分别是感知层、网络层、应用层。感知层主要是通过二维码、RFID、传感器实现对设备的信息采集、捕获和识别。网络层是以网络为基础在感知层和应用层之间,及时、安全地进行数据传输。应用层是为各类业务提供信息资源,它可以更好的应用系统资源。

1系统总体功能

物联网背景下煤矿设备动态管理系统是在原有台账式管理的基础上, 增加设备的故障诊断及健康状态监测功能。煤矿设备动态管理系统主要功能模块如图所示。

基础管理模块主要实现基本信息维护、标准制定与系统整体测试规范的制定。设备状态监测模块主要通过集成在系统中的传感器自动采集设备信息, 采集系统运行数据。设备运行趋势曲线主要用来对监测到的设备运行数据进行保存、归档、整理。设备健康状态预测根据设备当前的状态和元器件的使用情况以及备件的状态, 判断出设备将来可能出现的问题, 为设备提供预防性维修方案。设备备件管理主要建立备件库存系统, 通过安装在备件上的RFID芯片或条形码对现场备件、维修中心备件的使用和库存情况进行统一管理、协同调度, 以便辅助制定备件生产与采购计划。设备台账管理模块主要实现原有台账式静态管理系统功能。第三方服务管理模块主要是通过对设备运行情况进行整合, 为第三方提供基于云计算和大数据服务提供保障, 通信接口模块主要实现系统与其他系统之间信息交换的接口规范及协议。供应链集成管理模块主要利用ERP系统, 对煤矿设备元器件供应商、服务商进行管理, 以保证矿井能够安全可靠运转。

2 系统状态感知层

设备状态监测及感知的目的是为了通过采集、存储、整理与分析设备的运行数据, 实现对设备健康状态的预测, 为提供大型机电设备的维修方案奠定基础。

系统主要针对设备的温度、振动、压力等数据进行采集, 通过图2所示的网络化传感器来实现。该传感器采用以太网接口作为矿山物联网系统开放式架构中的感知层监测设备, 通过矿山物联网平台将数据传输到互联网为设备制造商或第三方提供设备状态信息。

3 系统应用层

3.1 应用层软件组成及功能

在物联网背景下, 应用层在数据处理过程中, 设备运行信息既能在本地工作站上动态显示, 也可以通过工业以太网采用网页发布的方式在相关科室、矿务局、设备生产厂家等地动态显示。服务器直接连接在交换机上, 通过交换机获得全矿井设备的运行信息。应用软件包括数据采集集成层、数据接口层以及数据应用交互层。

数据采集集成层主要通过ERP系统实现设备台账式信息的集成, 采用Access数据库读取设备动态运行信息, 完成设备健康状态数据的采集。

数据接口层采用OPC技术实现数据的采集, 通过通信接口从数据采集集成层获取需要的相关数据, 由矿山物联网开放式架构中的应用层完成, 主要内容包括通信接口的设置、通信协议的制定、数据的交换等内容。

数据应用交互层主要将通过数据接口层获取设备动态信息, 通过组态软件在应用层平台上动态显示, 以达到信息交互的目的。

3.2 设备健康状况预测

设备状态预测主要通过网络化传感器获得设备的运行信息、历史信息以及同类设备的信息, 利用评估算法对矿井设备健康状况进行评估, 对于不合格设备给出潜在故障风险及维修建议。

该功能主要包括:根据设备当前的状态和元器件的使用情况以及备件的状态, 判断出设备将来可能出现的问题, 为设备提供预防性维修方案;也可以利用在系统维护中心的设备、人员等对矿井设备出现的故障进行分析, 得出故障可能出现的位置与区域, 为用户提供可靠的故障诊断策略;根据设备当前的状态与诊断结果, 确定最优测试诊断策略, 提高系统的维修与测试效率;根据诊断中心及各个区域服务中心的备件、人员以及用户维修服务的请求, 对诊断过程进行管理与调度, 以保证所有诊断请求均能够及时解决。通过以上步骤, 基本上可以实现对设备状态的预测及给出合理的维修建议, 避免矿山设备出现欠维修和过度维修的问题。

3.3 应用数据的处理及信息发布

矿山设备运行信息及实时监测功能采用组态软件In Touch来实现。它通过OPC Server可以直接访问矿山物联网系统中的各个控制PLC,两者之间可以实现双向通信。为了将不同操作系统、不同硬件的系统接入互连网，常采用支持TCP/IP协议的通信方式。下位机与服务器之间可以采用RS485、PROFIBUS、工业以太网等方式实现数据交换,上位机将得到的设备状态信息通过协议保存在Access数据库中，客户机通过TCP/IP协议即可得到矿山设备的状态信息。这些信息可以通过定义用户名和密码等权限来控制访问。通过设置不同的查询条件访问数据库,进行数据查询,还可将查询结果按照表格的方式打印出来。

进行设备信息发布的目的是为了让各个相关科室、矿务局、设备生产厂家、第三方服务提供方得到矿山设备的动态信息，目的是为了使矿山设备状态信息获得大范围的应用。动态网页的设计过程是在Front Page环境下完成的,在网页内插入VBScript脚本代码,保存ASP文件。再通过设置“Web站点”的“IP地址”,就可以在客户机IE地址栏直接输入Web服务器计算机的IP地址,浏览所创建的主页。数据使用者按照预先设定各字段的涵义将得到的数据加以整理，最后用它们去控制下载的主控件相应的属性、方法和事件,或者去除一些文字的显示,矿山设备的运行参数便实时动态的呈现在网页上。

4 监控技术发展方向

针对煤矿井下的复杂、恶劣环境条件, 并结合煤矿井下的特殊性要求和安全生产要求, 煤矿物联网要与之相匹配、相适应。具体来讲, 煤矿物联网的关键技术主要包括以下几个方面:

(1)由于煤矿井下作业设备多, 因而信息的处理、传输复杂, 需要有标准的指导。在煤矿的开采、生产过程中, 采煤设备、电气设备、传输设备、安全监测设备、信息管理设备等需要建立和采用相同的信息处理、传输系统。

(2)在煤矿的开采、生产过程中, 保证各种作业设备的正常运行是煤矿生产的基础。需要对整个煤矿物联网系统进行实时的监控, 以保证各种作业设备的正常运转。并且要根据作业设备的运行状况, 及时对作业设备进行检修和维护。

(3)由于煤矿开采、生产作业的特殊性, 使得煤矿安全事故频发。而采用物联网技术对井下作业人员进行实时的定位, 可以实现对生产作业的有效管理, 同时在发生安全事故情况下, 也可以实现对被困人员的定位, 方便救援工作。

4.1.井下员工精确定位技术

井下定位系统的无线技术是由短距离、低传速向远距离、高传速发展。定位系统采用蓝牙、RFID技术, 井下无线节点向矿工携带的智能终端发送RSSI值, RSSI值最终会传送到井上控制中心, 可以根据相应的算法确定人员位置。未来的井下定位系统具有高鲁棒性与较好的自组网能力。

4.2.构建三维可视化矿井模型

通过3D GIS把煤矿大量的空间参数和与之对应的属性参数结合起来, 进行矿井三维建模和三维可视化表达。该模型中含有煤层赋存、顶底板岩性、皮带运输、监测监控、采掘进尺、水泵排水、通风机运行情况、供电线路敷设等现场信息。

4.3.有效挖掘监测数据

井下分站与地面中心站之间传输的信息改为提前压缩好的数据, 以达到提高传输速率的目的。监控系统要重视采集数据变化量的比对工作, 这样可以预防瓦斯、火灾等矿山灾害。未来的煤矿安全监测监控系统不再由某一个公司构建, 而是由相互独立的多个公司兼容式开发。云计算将会成为未来数据存储架构的主流模式, 为综合分析地质参数提供基础。

由于传统煤矿井下设备管理方式、手段不能满足大规模煤炭生产对设备安全的要求,所以应该合理利用煤矿系统里现有网络资源,通过物联网技术在煤矿井下设备管理系统中的应用,可以及时地获取设备的关键信息,实时掌握井下设备的运行情况,及时对设备进行检修维护,降低设备出现故障的概率,为矿井的安全提供了保障。今后, 随着物联网技术的持续更新, 煤矿物联网技术将会得到更为广泛的推广和应用。

参考文献：

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