物联网技术在煤矿综合信息化建设中的应用研究

黄成玉，张全柱，邓永红

(华北科技学院信息与控制技术研究所，河北 三河 065201)

物联网技术被誉为全球一个新的经济增长点，目前世界各国和政府都非常重视物联网产业的发展，都相继出台了与物联网相关的信息化政策,我国也已将物联网列为重点培育和发展的新兴产业,无锡物联网研究所与北京邮电大学联合成立了感知中国研究中心,中国矿业大学也成立了感知煤炭研究所。目前对物联网技术的研究已经初具规模，但对于其在煤炭行业的应用研究尚处于起步阶段[1-3]。近年来我国煤矿安全生产形势逐年好转，但和国外的差距仍很大。究其原因除了国内煤矿的地质条件不好，高瓦斯、高地下水等原因外，更主要的原因就是煤矿生产信息化自动化的程度不高。随着煤炭行业的发展，急需提高煤矿安全生产、监控的自动化程度和企业管理的信息化、数字化水平，物联网技术为煤矿信息化建设提供了新的思路与理想的解决方案。

1 物联网基础

1.1 射频技术

射频技术(RFID)是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID系统由RFID电子标签、RFID阅读器、RFID数据管理系统组成。电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签、无源电子标签和半无源电子标签。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子标签部分依靠电池工作。RFID阅读器(读写器)通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。在物联网系统中，电子标签用来存储规范而具有互用性的数据信息，通过无线通信网采集这些数据，并传输到信息中心，实现对物品的识别，同时通过互联网实现信息交换和共享，实现对物品的感知。

1.2 无线传感器网路

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的静止或移动的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。传感器网络中的所有传感器节点均具有对数据进行采集、处理、融合、转发和存储的功能。能协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并将这些信息通过网关节点经其它网络发送给了用户，实现对指定范围内的目标进行检测与跟踪。传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。传感器网络具有大规模性、自组织性、动态可重构性、软硬件的鲁棒性和容错性等特点。

1.3 互联网技术

互联网技术的普遍应用，是进入信息社会的标志。传感技术是人的感觉器官的延伸与拓展；通信技术人的神经系统的延伸与拓展，承担传递信息的功能；计算机技术人的大脑功能延伸与拓展，承担对信息进行处理的功能。传感器通过互联网技术实现所感知信息的传递和协同。传感器网络技术包括广域网络通信和近距离通信两类。广域网路通信是利用IP互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现信息的远程传输。近距离通信典型的技术标准有蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等。其中以IEEE 802.15.4为代表的通信技术是目前近距离通信的主流技术,具有低功耗、低速率、短距离传输等特点,应用于支持计算和存储能力有限的简单器件。

2 煤矿信息化建设现状及物联网在煤矿上的应用现状

2.1 煤矿信息化建设现状

煤炭行业信息化是用信息技术改造传统产业和实现信息化带动工业化的突破口。煤炭企业利用物联网技术与工程技术和现代管理科学有机地结合，通过生产、管理全过程的信息化，可提升企业的核心竞争力。目前煤炭企业建成了满足业务信息化需要的通讯、数据、视频网络及其基础设施设备，基本上建立了产运销管理、财务管理、采购管理、人力资源管理、工程项目管理、企业资产管理、办公自动化系统等数字化管理系统。有的企业还建立了商务、物流等信息平台，煤矿企业基本上建立了煤矿井下安全监控系统、井下人员定位系统、工业电视系统、调度通讯系统、井下通讯系统、束管监测系统、自动化控制系统(采掘、运输、供电、水泵等)。有的企业还建立了应急管理、隐患排查等系统。

2.2 物联网在煤矿的应用现状

1) 人员定位系统应用。在矿井出入口、重点区域和限制区域等地点设置读卡器分站，每名员工都随身携带有人员定位卡，当员工携带人员定位卡经过读卡器分站时，分站的接收天线接收到定位卡发来的信号，经分站接收处理后，提取出目标识别码通过以太网传输到地面监控服务器。

2) 矿井无线通信应用。在井下布置矿用无线基站，用于接收由基站控制器传来的信号，信号通过基站的射频调制波发射，与定位手机和定位器之间构成无线链路，实现井下的无线通信。

3) 设备点检管理应用。应用物联网技术在矿井每台设备上安装射频识别卡，系统接收天线接收从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理，进而取得设备正常或异常等状态信息。

3 煤矿物联系统的体系结构

3.1 煤矿信息化建设目标

煤炭企业信息化建设目标是自动化基础上的信息化，通过推进矿井生产过程综合自动化，促进企业综合信息化，最终实现生产过程自动化、安全监控数字化、企业管理信息化和信息管理集约化,最终构建煤矿信息化的“三个统一平台”：①以矿井工业以太环网为基础的“统一的高速信息传输平台”；②以海量监测监控数据挖掘和信息融合为基础的“统一的软件集成平台”；③以智能数据处理和联动为基础的“统一的技术管理平台”。

3.2 综合信息集成架构

煤矿综合自动化信息化就是建立全集成的、开放的、全矿综合自动化的信息平台，把企业的横向通信(同一层不同节点的通信)和纵向通信(上、下层之间的通信)紧密联系在一起，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统。综合自动化和信息化建设内容包括矿井生产自动化监控系统，矿井安全监控系统，矿井调度一体化管理系统；信息集成处理系统；企业经营管理与决策分析系统建设三个层次，如图1所示。综合信息化系统平台的建立，不仅能实现全矿所有数据的集中，更重要的是有机的整合了所有系统的数据，通过联动控制功能模块可以实现各个子系统之间信息共享及联动，从而使原来各个独立的系统变成了一个整体无缝连接的大型系统。通过该综合信息化平台，可实现矿井安全生产远程集中监测监控、统一调度管理和高效、现代化的经营决策管理。

3.3 综合信息化物联系统架构

在煤矿现有的以太网的基础上，利用物联网技术构建了“以太网+无线传感网”的有线/无线的煤矿物联网系统，如图2所示。该系统综合利用了自动控制技术、通信技术、计算机技术、信息技术等，将企业的生产、运行、管理作为一个整体进行控制与管理，可真正实现矿井采、掘、运、风、水、电、安全等生产环节的信息化和自动化。煤矿的所有要素都是物联系统的连接对象,都是物联系统的基本结构和功能单位,如井下的掘进机、输送机、各种感应器、交换机等设备和人员等，应用感知技术使其具有数据信息采集功能。

4 硬件平台

为了实现矿井综合信息化系统建设目标，需在调度控制指挥中心配置数据采集服务器、数据库服务器、WEB服务器和操作员站工业控制计算机等设备。可参考如下方法进行配置：数据管控服务器配置2台，构成冗余结构系统实现对各子系统进行数据采集；数据库服务器配置1台，实现各个监控子系统的采集数据的备份，生成历史数据库，以备调用和生成历史报表；实现设备数学模型的建立；Web服务器配置1台，实现把综合自动化所有子系统的实时数据，如设备运行状况、运行参数等以网页的形式对外发布，这样各个领导可实时在线了解煤矿各个环节的设备生产情况；PC操作员站配置4台，其中一台兼做为工程师站。正常时，4台监控和通讯终端(SCADA)实现矿井生产调度监控。其中1台作报警通讯机，实现故障实时报警、打印，兼做正常打印。当有操作监控站故障时，其它任意1台监控计算机均能完成其功能。网络管理终端配置1台，用于对工业以太网进行管理；A4网络激光打印机配置1台，用于打印文件；136列高速针式打印机配置1台，用于打印报表。按照上述所方法配置的硬件平台如图3所示。

5 软件平台

综合自动化信息化软件系统是集数据通信、处理、采集、控制、综合职能判断、图文显示为一体的综合数据应用软件系统，能在各种情况下准确、可靠、迅速地做出反应，及时处理，协调系统工作，达到实时、合理监控的目的。软件平台将采用数据库技术、网络技术和工业控制自动化技术等先进手段，将分布于广域范围的多个矿井现场的安全监测信息进行集中采集和监视，通过监控数据网络，统一存储于工业数据库中，并及时为集团公司调度室、各专业部门提供各自所需的实时监测信息。这些实时监测可通过组态图和表格方式进行图文并茂的展示。系统监测信息采用WEB发布，供用户通过浏览器访问。同时将实时数据存储至历史数据库中供数据分析和其它专家系统调用。地面调度指挥控制中心可实现实时地对各生产子系统进行集中统一监控。为使所设计系统具有良好的扩展性和可实施性，采用pSpace6.0，调度指挥控制中心设置两台互为冗余的pSpace IOServer和两台实时/历史数据库pSpace Server。pSpace IOServer实时采集现场物理I/O点的数据，并存入历史数据库。并在集控中心设置一台WEB发布服务器pSpace Webserver，工矿图和实时/历史数据通过pSpace Webserver发布给不同的部门使用、浏览。

矿井综合信息化软件平台可采集全矿井生产工艺、安全环境参数、显示参数实时曲线、历史曲线、报警信息显示，对矿井上、井下各设备控制层子系统发出控制命令，远程启/停设备，并能在控制中心计算机网络系统监视井上井下各子系统设备运行状态。通过数据库接口与信息中心数据库连接，并能够将此矿级信息系统连接到上级管理信息网，实现煤矿与上级管理部门之间的生产与管理信息交换。通过Web 服务器向Internet 网发布各子系统画面检测信息数据显示,矿各科室、矿领导通过浏览器Web 方式可以看到与控制中心各子系统相同的画面，便于矿领导层及时查询了解煤矿生产情况。

本文所设计的软件平台具有以下特点：①软件系统采用全中文平台界面，窗体框架结构，界面直观易学易用，多线程技术，能实现多任务稳定可靠运行；②具备工程管理功能，统一的管理环境，可创建、删除、修改，数据词典的导入和导出，支持实装点数应达到65535；③具备浏览器功能，支持WEB发布，具备程序语言的设计、变量定义管理、连接设备的配置、开放式接口配置、系统参数的配置、第三方数据库的管理等功能；④具备画面设计功能，系统具备画面设计、动画连接、程序编写等功能，还具备对变量的报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能；⑤具备运行环境功能，支持工控行业中测量控制设备，遵循工控行业的标准，采用开放接口提供第三方软件的连接，支持HMI；⑥具备编程语言嵌套功能，支持VB，VBA，C语言嵌入式编程；⑦具备软件归档能力，每秒归档数据量应达到10000点，并可自动采集到现场I/O的故障报警，无需通过OPC。

6 网络平台

综合信息化网络平台把各个自动化子系统有机地整合在一起，所有的监测监控管理操作都在一个平台中运行，提高了矿井综合自动化水平，实现了减员增效和矿井机电设备的安全运行，提高了煤矿的生产效率。采用基于工业以太网的集成式全分布控制系统，具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和互操作性的特点。该矿井综合自动化信息化网络平台的主干网络结构采用1000M工业以太环网，传输介质为单模光纤，采用工业以太网交换机进行数据交换。通过工业以太网连接井上、井下各个子系统，把所有系统设备控制和监控信息传输到集中控制室，通过服务器的数据采集，使工程师完成各个子系统的组态，达到监测和控制的目的。

目前采用以太网技术构建的大型控制系统大多为分布式控制系统[4]。因此多采用总线结构或星型结构设计，为了将综合自动化信息化网络系统设计得更可靠，在此采用双星型、环型、双环形等组网技术。各骨干网络均采用单环网络的方式组网，保证整个自动化内网的可靠性及在突发情况下的生存能力。如果环网中某个交换设备或连接链路发生意外中断的情况，环网传输路径将选择反方向正常传输，传输路径倒换时间小于50ms。在此采用工业以太环网和环间耦合技术，将地面各子系统、井下各子系统、集控中心网络设备等连接到1000M光纤环形网络上，在调度指挥控制中心布置两台支持三层动态路由功能的核心交换机。两台核心交换机启用VRRP协议实现冗余配置，为终端设备提供无缝隙的路由交换服务，两台交换机互为备份。在交换机正常时，两台交换机各自分担一部分数据流量；当其中一台交换机出现故障时,另一台交换机就会自动分担起所有数据流量,数据的传输不会受到任何的影响。这样，既达到了负载均衡，又实现了相互备份的目的。

7 结语

目前大多数煤矿处在某个环节的信息化方面，但人们越来越多的意识到分开、独立的安全信息化系统对于煤矿整体安全的作用有限。信息化从单一事项到集成是一个大的发展趋势[5]。集中控制、集成信息平台、自动预警已成为煤炭安全管理信息化的重要发展方向。物联网技术在作为信息获取、传输、处理的新兴技术必然能够在煤矿综合信息化建设中发挥独特的作用，促进我国煤矿信息化、现代化的建设。煤矿物联网能真正实现煤炭企业生产和管理的全过程信息化、自动化和智能化。需要指出的是煤矿信息化真正的难点在于生产装备的信息化。

[1]孙继平.基于物联网的煤矿瓦斯爆炸事故防范措施及典型事故分析[J].煤炭学报，2011,36(7):1172-1175.

[2]赵文涛,董军.物联网技术在煤矿中的应用[J].微计算机信息，2011,27(2)：121-122.

[3]林曙光，钟军，王建成.物联网在煤矿安全生产中的应用[J].移动通信，2010,7(24)：46-50.

[4]白蛟，全春来，郭镇.基于物联网的公共安全云计算平台[J].计算机工程与设计,2011,32(11)：3696-3700.

[5]葛茂，杨清娜，赵进.网络仪器技术与物联网的发展[J].物联网技术，2011,6(2)：77-79.