物联网技术在矿井供电监控的应用研究

张德军， 王兴生， 刘 维

(1.招金矿业股份有限公司， 山东 招远 265400； 2.德逸科技(北京)有限公司， 北京 100191)

1 前言

物联网是近些年迅猛发展的新一代信息技术之一，它通过传感器、RFID、二维码等信息传感设备，按照约定的协议，把各种物品与互联网连接进行通信和信息交换，通过智能感知、识别技术实现定位、监控和管理的一种网络，即“物物相连”的互联网。物联网在架构上可分为3个层面，即感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器构成，包括供电、温度、湿度、RFID电子标签、摄像头、位置传感器等感知终端。感知层的主要功能是识别物体、采集信息；网络层负责传输和处理感知层获取的信息数据；应用层与最终用户的实际需求相结合，是最终用户与物联网的交流终端，通过应用层实现了物联网在各行业的智能化应用。

2 矿井供电的监控

UPS(Uninterruptible Power Supply)即不间断电源，是将铅酸蓄电池与主机相连接，通过主机的镇流器、逆变器等变换器将直流电转换成交流市电的系统设备。它主要用于给用电设备提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，当市电中断(事故停电)时，UPS在1～4ms内通过逆变器转换的方式，将电池的直流电能转换为交流电能，向用电负载继续提供220V交流电，使用电负载可维持正常工作并保护用电负载不受损坏。UPS为井下通信系统、监控系统提供电力保障，在停电时能够保证通信、监控设备的持续运行。

矿井下环境恶劣，运维不便，对供电状况的实时监测非常重要。[1]招金矿业夏甸金矿自2017年开始使用物联网智慧运维管理平台监测UPS及蓄电池，平台向运维人员提供供电监测、电池诊断及告警功能，在一定程度上解决了蓄电池的监测问题。该平台采用物联网主动感知、自动分析、快速处理的技术手段，通过监控UPS及监测铅酸蓄电池的状态，远程控制UPS设备。改变了长期以来对井下UPS及铅酸蓄电池人工现场巡检方式，采用了自动化、智能化、无人工干预的物联网平台，将故障检修转变为状态检修，使运维工作实现“发现问题→分析问题→处理问题→跟踪问题”的闭环管理方式，不放过任何事故隐患。

3 物联网智慧运维管理平台的结构

3.1 感知层

在蓄电池上安装蓄电池监测模块，实时采集蓄电池的电压、内阻、温度数据。其中蓄电池内阻是判断电池的重要参数之一，通过内阻值可直接反映蓄电池的劣化程度及容量性能。通常测量内阻有两种方法，分别为交流注入法和直流放电法[2]。交流注入法是测量蓄电池对输入的一定频率的交流信号的电压反馈，然后获取交流信号的电流值，从而计算出蓄电池内阻的方法，具体原理如图1所示。交流输入法可以在蓄电池充电、放电等任何状态进行内阻测试，另外通过选择信号频率可以适应不同种类的蓄电池。而直流放电法是通过对电池进行大电流放电，测量电池瞬间压降，然后通过计算得到电池内阻值。直流放电法长期使用会对蓄电池造成一定损害，同时获得数据的重复性较差，准确程度也不如交流注入法[3]。

图1 交流注入法原理

3.2 网络层

在网络层，物联网智能管理主机通过井下的以太网与云端平台进行数据交互。UPS主机通过RS232/RS485接口与管理主机连接，管理主机同时连接蓄电池监测主机。

物联网智能管理主机采用多片32位高速处理芯片协同工作、linux实时操作系统等技术开发研制的智能通讯管理主机，可以满足多种类型通讯接口、多种协议格式的智能终端设备的应用需求。

物联网智能管理主机负责与各监控子系统建立通信链路、管理设备的网络连接、维护智能终端设备、收集底层传感器的数据，并将数据上传到物联网智慧运维管理平台，负责接收平台的控制指令并下发给各监控子系统，实现数据通讯。各监控系统通过物联网智能管理主机将数据信息传输到平台，实现统一监控，保障质量管理及安全运营。

3.3 应用层

在应用层上可实现对所监测设备状态的远程监控，通过呈现上传的数据达到信息共享的功能。如果将监测的数据与用户的信息化系统进行结合，就实现了工业化与信息化的融合。物联网智慧运维管理平台通过大数据的方式对数据进行逻辑判断和算法处理，将井下UPS的实时状态在平台展现出来，同时可以诊断蓄电池的健康状况，如发现落后电池及安全隐患，可在平台上进行告警，并可将告警信息推送到运维人员的手机上。实现了实时掌握井下供电状态，及蓄电池的安全质量管理。

4 物联网智慧运维管理平台的作用

通过实施物联网智慧运维管理平台，实现了以下功能：

(1)实现对全矿所有的物联网关、UPS、蓄电池、蓄电池传感器的设备管理[4]。

(2)实现UPS的遥测模拟量信号、遥测开关量信息、遥信基础信息的采集显示，遥控开关量相关控制(即定时开/关机、UPS测试放电、蜂鸣器开/关)[5]。

(3)实现UPS供电职能运维，即利用UPS测试放电控制功能、蓄电池监测功能，根据运维规范要求定期通过UPS进行放电测试，提高蓄电池的使用寿命，同时放电过程中通过对蓄电池的监测，及时了解蓄电池的性能，及时更换维护，提高UPS整体的供电性能。

(4)通过对UPS的监测数据进行大数据分析，根据交流输出电压、交流输出电流、输出频率，输出指标，判断UPS设备是否稳定，是否有异常。

(5)通过监测蓄电池的内阻、充电电流、放电电流、充放电时间、充放电曲线，掌握电池的性能。

在效益方面，物联网智慧运维管理平台为矿井带来以下效益：

(1)基本代替人工上站维护，降低了运行维护费用支出和工作强度，使运维管理更加便捷高效。

(2)通过平台的专家诊断系统提高和保障了蓄电池组工作效率及安全可靠性。

(3)对系统在网设备进行了全生命周期的监控，可做资产管理和大数据分析，并导出相关报表，利于管理及上报。

5 结论

物联网智慧运维管理平台有效的提高井下供电系统的安全可靠性，降低人力成本及设备采购成本。对于降低事故安全隐患、保障安全、节能环保具有重要的意义，可达到“智慧矿山”的相关要求，在全行业也具有一定的推广价值，有较好的社会经济效益。