物联网在矿山的应用

2012-08-15蔡政安

科技传播 2012年5期

刘卫，蔡政安

徐州铁矿集团有限公司，江苏徐州 221138

0 引言

徐州铁矿集团吴庄铁矿是江苏省首家物联网试点单位。“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

1 感知矿山基本概念与特征

“感知矿山” 通过全面感知，对井下人员（人员定位、无线通讯）、设备（综合自动化）、环境（安全监控）等全面感知，并通过网络实现全面覆盖，同时还具有直观形象的应用，通过3DGIS矿区全息展示，来全面感知矿山。

矿山物联网是指构成矿山中人与人、人与物和物与物互联的网络。具体来说是包括矿工、矿井设备以及矿井环境等信息在内的可感知互联网络。

自动化矿井、信息化矿山、智能矿山、数字矿山、矿山综合自动化、矿山管控一体化等都是矿山信息化的概念，而矿山物联网提出“感知矿山”，是对矿山信息化所有概念提法的综合与升华。

2 感知矿山的系统结构

感知矿山的系统主要由硬件系统和软件系统组成，硬件系统是物联系统的躯干，是支撑系统运行的基础，完成数据采集、传输、存储和显示等功能；软件系统是物联系统的中枢神经，完成数据的综合集成、控制、处理、决策参考以及辅助的人员定位、三维GIS、设备控制、生产报表等功能。

1）数据采集设备层

数据采集设备层主要用于采集各类物理量、标识、音频、视频数据。该层设备主要包括各种形式的传感器、语音、视频设备。

2）网络层

实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送。

3）应用层

应用层利用综合视频显示平台、调度电话、广播系统等实现对各类数据的综合显示、存储和处理；

3 感知矿山硬件建设

1）工业以太环网

为提高矿山生产能力和安全生产管理水平，多数矿山已安装或即将建设多种自动化系统，如：提升自动化系统、排水自动化系统、皮带运输自动化系统、通风自动化系统、供电自动化系统、工业电视系统等。这些系统大多是在不同阶段建设，处于相互独立的状态，造成了很多为问题，如：

（1）通讯线路重复投资、重复建设；

（2）整体可靠性差，不利于矿井安全生产；

（3）各种系统自成体系，需要专门、独立的值班和维护人员；

（4）各系统自成一体，信息不能互通，不能发挥自动化系统的综合效益；

（5）系统维护量大，维修、维护困难。

千兆工业以太环网既可避免网络传输瓶颈，又大大节省了投资。光纤传输实现同网、同缆、同芯传输数据、音频和视频的业务应用，可实现视频、IP电话和数据的三网合一。

2）矿调度室

矿调度室是整个矿山物联系统的核心，也是生产、管理信息汇聚的中心，在整个系统中有着举足轻重的核心作用，矿调度网络必须确保稳定、可靠、安全。

矿调度室的基本功能如下：

（1）对各类数据、基本软硬件资源的调配和管理；

（2）提供多种应用服务，如组态、三维GIS、人员定位、考勤、汽车衡等功能。

（3）保证对各类生产、安全和管理数据的实时可靠的存储、管理；

（4）确保网络安全，对网络访问的安全认证，尤其在WI-FI接入认证、系统核心业务资源的访问等关键资源的安全认证；

（5）通过工业电视系统实时显示各监控画面；

（6）通过数字调度电话系统实现与井下IP电话的通信。

3）压风机房

系统主要实现如下功能：

（1）控制功能：风机的启动、停止、反风、风门启闭控制等控制功能；

（2）具备就地控制/就地集中控制/上位机控制三种工作方式，就地方式(检修方式)时各设备由设备本身的控制按钮操作，便于设备的检修；就地集中方式由PLC柜完成风机及辅助设备的协调控制；上位机控制方式时可在工控机上完成对风机的远程控制；

（3）监测功能：实时监测通风机(设备)性能参数，如：矿井负压、流量、全/静压、轴功率等；

（4）实时显示风机运行性能曲线；

（5）实时监测风机配用电机的电气参数，如：电流、电压、功率；

（6）实时监测设备的状态参数：振动烈度、定子及轴承温度；

（7）实时监测风门位置。

4）井下炸药库

井下炸药库主要利用温度和压力传感器采集库房的温度，网络布局结构简单，通过CAN转以太网协议转换器直接接入骨干网中。

泵房排水系统：

水泵自动控制系统是由六个部分组成的，分别是：数据采集系统、水泵自动轮换系统、状态动态显示和故障报警以及数据上传等等，可以在保证水泵安全运行的同时又实现了运行自动化，系统的系统主要功能如下：

（1）PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序具有结构清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点；

（2）PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行；

（3）系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作；

（4）系统具有通讯接口功能，PLC可同时与操作屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现水泵自动监控功能；

（5）系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动射流泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便有报警输出；

（6）在操作屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁。具有故障记录，支持历史数据查询等功能；

（7）超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC 实现超限报警；

（8）流量保护：在水泵正常启动或者运行后，如果出现流量不能达到正常值的情况，可以通过保护装置促使本台水泵停止运行，自动转换为启动另一台水泵；

（9）电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机的电气故障，如：低电压、漏电、过电流等等，并参与控制；

（10）电动闸阀故障：由闸阀通过检测故障，并且能够参与到水泵的联锁控制中。

系统控制具有3种工作的方式，包括：手动检测工作方式、半自动工作方式以及自动方式。手动检修方式主要在手动试车以及故障检修时应用，当某台水泵以及水泵的附属设备发生故障时，为了不影响其他泵组的运行，出现故障的泵组就会自动退出运行。因为PLC柜上都设有该泵的禁止启动按钮，为了保证安全可靠的系统以及防止其他人员的失误操作，系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行；半自动方式，某台或几台泵组都是由工作人员选择投入的，PLC只自动完成已选泵组的监控工作以及启停工作；自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行。

5）变电所

变电所主要通过温度、电压、电流等传感器监测设备的运行状态。

6）主副井

主副井主要采用视频监控结合人员定位的功能来监视主井提升设备、副井工作人员出入状态，实现对设备的实时监控和考勤。

4 感知矿山软件建设

软件平台是物联系统的灵魂，软件平台负责对所有采集信息的集中接收、存储、处理。这些海量信息主要集中在矿调度室进行分类分析与处理。结合矿调度室网络布局结构和设计功能要求，将软件平台划分为应用服务子系统、管理子系统、三维GIS子系统和安全子系统四大子系统。其中各系统根据功能进一步划分。

4.1 视频监控

企业视频监控拟建设一套以分布式数字视频软件系统平台和嵌入式视频服务器设备为核心的数字网络工业电视系统，实现工业生产和矿区安防视频监控数据的采集、数字化、IP传输、高效存储、电视墙实时监控以及WEB访问功能，并能与集团公司工业电视系统实现无缝连接。具有以下功能特点：

1）图像显示：可通过计算机显示器显示视频图像，也可通过解码设备在电视墙显示；

2）多区域组合显示：提供单画面、4画面、9画面多种视频实时显示界面，可通过点击编码器名称方便地播放图像；

3）分布式显示：支持多个客户端同时查看一个监控点的图像；

4）支持摄像机远程控制功能：可对权限范围内的摄像机进行远程控制，包括镜头上下左右移动、镜头缩放、光圈调整、调焦（摄像机支持此功能）；

5）提供分布式录像服务：可同时录像的镜头数量不受单一服务器的限制；

6）站点管理：系统管理员实现站点管理，设备管理、用户管理等各项管理，包括配置、修改、删除等。可自动搜索并显示设备服务器、转发服务器、录像服务器的信息，包括名称、IP地址，可修改站点名称，可删除无效站点；

7）用户授权访问：提供多种用户类型，包括管理员、超级用户、一般用户和浏览用户，分别授予不同的权限范围；

8）应用接口：与其它信息系统实现无缝连接的能力，建立统一认证系统。

4.2 监测监控

监测监控子系统主要完成泵房、风机、井下环境监测、配电所、主副井等各个安全监控节点传感网络数据的集中接收、存储和处理及反馈控制，是生产监控的核心部分。主要完成以下功能：

1）泵房监控：用组态或WEB方式实时显示水泵的开停、转速、温度等传感数据；通过控制指令控制水泵的开停；

2）风机监控：用组态或WEB方式实时显示风机的风速、压力、温度、转速等传感数据，通过指令控制风机的转速；

3）井下环境监测：用组态或WEB方式实时显示井下巷道、工作面的环境参数；

4）配电房监视：用组态或WEB方式实时显示配电设施的工作参数；

5）主副井监视：监视主井提升设备的工作状态，并组态显示提升设备的工作状态，视频监控设备的运转状态；通过组态显示副井的人员定位信息、进口的视频图像，结合三维GIS系统显示手持移动设备的三维GIS状态。

4.3 人员定位

人员定位功能是井下作业过程中，对人员的分布及运动进行实时监视的定位系统。设计中采用WI-FI与人员定位系统相结合的方式，通过分布在矿井中的若干WI-FI节点和人员定位分站来定位井下人员的空间位置，结合三维GIS系统实时显示井下人员、机车及传感器的实时工作状态。主要功能有：

1）身份识别：WI-FI节点和井下人员定位读卡器通过读取移动终端携带的身份识别卡来辨认识别移动对象；

2）跟踪显示：通过三维GIS实时追踪移动终端的位置；

3）考勤功能：能够准确统计矿工入井、升井时间，并可按班次按部门生成日考勤、月考勤统计报表；

4）定位功能：对井下矿工的分布情况分区域实时监测。实时监测全矿井井下矿工总数，实时监测采场工作面矿工总数，实时监测掘进工作面矿工总数以及井下其他区域矿工总数。根据各矿实际情况绘制井下巷道、采区图，该图是动态的，随着井下人员的移动，该图显示的各区域人数会随时更新。输入任意人员的姓名或编号，可以立即以图形方式显示此人当前所在区域；也可以同时输入多个人员，以文字方式显示这些人各自在井下的当前位置；

5）统计查询进入特殊区域人员：对于井下的某些特殊区域，例如规定不准一般人员进入的危险区域，在行踪保留时段内可以随时进行查询，列出进入该区域的人员和出、入时间；

6）报警功能：对某个区域的人员数量进行限制，如果超员则告警。当矿工进入禁区时，系统会告警，提示管理人员采取相应措施。当矿工在井下停留超出规定时间或没有做够规定时间，系统将告警并记录。当矿工未按规定的行进路线行走，行进到禁行区，系统将告警并给予提示。