基于物联网的井上井下联控体系构建

林逸朋

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713600)

0 引言

我国煤矿企业的自动化发展进程始于上世纪60年代，在长达近50 a的发展历程中，尤其2000年之后，我国煤炭企业的自动化水平有了很大程度的改进和提升[1-3]。但随着我国经济发展需要对能源行业的巨大刺激以及两化融合技术的不断发展，现有单体设备的自动化水平已经很难满足煤炭企业可持续发展的需求，需要快速从传统的单体设备自动化层面释放出来，在多个设备间形成有效协同的局面，才能有效优化改善当前煤矿企业的自动化水平，提升煤炭企业的整体工作效率，促进我国国民经济的发展并为资源的合理利用作出一定贡献。

1 技术现状与发展趋势

1.1 煤炭企业自动化现状

煤矿的自动化发展主要包括采掘设备自动化、传送运输设备自动化、传感监控自动化3个方面，如图1所示。

图1 煤炭企业设备自动化的内容Fig.1 Content of equipment automation in coal enterprises

1.1.1 采掘设备自动化

随着信息技术的高速发展与快速普及，在欧美的采掘设备生产厂家首先开始了对相关设备的智能化研发，并快速将机械、传送带与液压支架整合在一起，通过采用自动化的手段并协同实现煤炭开采的智能化工作面，同时可以采用物联网等监测技术来实现对设备状态的监测和控制，但我国的采掘设备普遍采用液压牵引的方式，而且传送设备上存在运送能力低下，过煤量较少等问题[4-6]。

1.1.2 传送运输设备自动化

欧美等先进国家的煤炭企业一般采用胶带运输与辅助运输车相结合的方式进行传送煤炭，并可以通过计算机技术实现对整体运输过程的自动化监控与防护，以防止出现由于传送胶带运输速度低、所产生烟雾或胶带裂开等问题的发生[7-8]。我国一般是采用传统轨道来传输，直到1980年之后才开始采用胶带运输，并开始安装了保护系统，采用计算机进行操作控制和安全管控。与此同时，提升系统也在相关信息技术的支撑下有了较大的进度，逐渐通过智能的轨道电机来提升传输速度与质量。

1.1.3 传感监控自动化

由于煤矿企业灾害事故的频发性，煤矿企业逐渐进行安全监测监控系统的安装，我国从1970年之后开始将欧美等发达国家的生产过程监控系统引入到我国的煤矿企业当中。虽然我国在安全生产监控领域也有非常成熟的企业，但存在相关专业性人才严重不足、研发成果的应用与转化较难等问题，使得我国的安全监测监控系统仍然停留在发达国家上个世纪的水平，并依然存在寿命低、检修难、稳定性不强等问题，以致在煤矿自动化中的应用程度显著偏低[9-10]。

1.2 煤炭企业自动化发展趋势

与两化融合技术发展的路径相一致，煤炭企业的自动化发展需要对煤炭企业的生产效率进行有效评估，这需要通过数字化共享手段极大地改善提升设备之间的自动化协同能力，使得煤矿企业的主体开采流程向流水线的方向发展[11-12]。

1.2.1 网络系统的稳定化

和所有的智能化发展路径一样，煤矿的自动化提升是建立在网络通信系统的建设基础之上的。网络通信系统是所有工作正常运行的前提和保障，通过信息采集与发送来实现对设备的远程操控，网络系统的稳定性可以确保煤矿自动化阶段的安全。网络化系统的级联与建立，不但能够减少人员的投入、减少开采的成本，而且还能够有效地提高煤矿的开采与传输效率，这也是煤矿自动化发展的未来趋势。

1.2.2 单体设备的智能化

煤矿单体设备的智能化已经都得到了长足的发展，对于每一个煤炭生产设备，甚至是更细化的单元都已经是一个智能体。在此基础上，通过RESTFUL等接口实现了多个设备之间的互联，在设备智能化PLC控制的基础之上，不同的设备将通过标准的TCP/IP协议，以及有效的控制端口实现设备之间的联动通信。

1.2.3 设备间的协同化

在网络化集约发展以及设备智能化发展的基础上，在设备智能层之上需要一个协同的MES或集中管控层，来实现设备之间的有效连接与共享。应加强从网络系统、开采机械设备的自动化、行业监管系统等方面入手，对煤矿自动化发展做出全面剖析和优化改进，实现煤炭企业的创新发展。

2 基于物联网的集控化平台

为实现煤炭企业井上井下设备间的有效互联与集中控制，本文提出了一种基于物联网的集中联控体系构建方法，整体架构图如图2所示。整个系统由远程监控中心、工业以太网传输、设备单体监控系统以及视频监控系统4部分组成。远程监控中心通常设立在调度中心，远程监控中心设置一台操控站，就地监控中心设置一台操控站，操控站选用高性能工控机，通过操控站对风机房的相关设备进行集中管控和监视。主要包括硬件和软件2大部分。各设备一般通过原有PLC进行优化和程序编写，通过远程监控中心到设备点之间具有环网，直接通过网线相连，与远程监控中心工控机进行数据通信。设备单体监控系统通常是由可编程控制器、负压传感器、触摸显示屏、振动传感器、风速传感器和甲烷传感器等组成。视频监控系统主要起到辅助作用，对现场的情况提供视频图像支持。

图2 整体系统架构示意Fig.2 Overall system architecture

3 孟村煤矿联控体系构建

通过提出的技术方案对孟村煤矿地面主通风机、压风机、制氮机就地控制系统进行优化改进及远程控制系统的联动，进行应用实践。

3.1 原系统应用概况

3.1.1 主通风机

主通风机就地控制系统优化改进及远程控制系统由PLC、工控机监控站、以太网交换机以及若干压力、温度、振动传感器等组成。采用工控界成熟的PLC加上位机组态监控模式，构成互备的风机控制系统，采用以太网传输平台任一监控站可以同时监控2台风机的运行状态。同时利用传感器检测、信号处理、计算机技术和风机的有关技术，对风压、风速、主通风机运行状态、正反转状态、电机定子温度、轴承温度等通风机性能参数进行实时监测和控制。

3.1.2 压风机

压风机实现了煤矿地面压风机系统无人值守，压风机远程启停控制，实时监测电机运行温度、电压、电流、功率等数据，远程选择控制排气阀管路阀门功能，实时监测管道阀门开量状态及冷却油包温度及压力等数据，同时系统具备标准的TCP/IP通信接口及协议，可直接接入全矿井综合自动化系统平台。

3.1.3 制氮机

制氮机实现了煤矿地面制氮机系统无人值守，空压机、冷冻式压缩空气干燥机，制氮压风机远程启停控制，强制卸载和自动轮循控制压风机，远程选择控制阀门功能，实时监测制氮机、压风机、冷冻式压缩空气干燥机的运行状态，同时系统具备标准的TCP/IP通信接口及协议，可直接接入全矿井综合自动化系统平台。

3.2 系统架构及功能

3.2.1 系统架构

整体系统改造与升级的架构图如图3所示，处于调度室的操控站通过网络系统与PLC(矿用可编程控制器)相连，通过PLC实现不同设备间的互动与联通。

图3 系统架构Fig.3 System architecture

3.2.2 系统架构

显示功能：系统操控软件包括了工艺流程图总画面，实时显示整个系统总体运行情况和主要设备的运行状态与实时参数。

控制功能：系统具有授权远程集控、远程单控、就地手动等多种控制方式。具备在调度中心远程控制的功能、方便在调度中心实现各个分系统的启动与停止。

参数设置：用户能够依据自己的系统运行情况，对系统各个设备的运行参数进行设置，为系统报警提供根据。

历史曲线查询：对于重要的系统参数，可以适时显示和绘制温度曲线、负压曲线、振动曲线、效率曲线等，并做成历史数据，及时进行保存，以供需要时及时查询。

报表打印功能：系统具有报表生成、存储、查询、打印的功能。可根据需要输出包括设备工况运行报表、故障报警实时报表以及设备操作报告和过程变量报告等，以保障各种规范管理的需要。

系统故障报警功能：系统检测到故障发生时，报警画面会自动弹出，并进行红闪。

通信功能：具备与全矿工业以太网联网的功能，能够把通风系统的各项监测参数、状态、故障参数、故障记录、报警情况等的数据传输到矿局域网上，实现与其他系统的数据交换。

接入综合自动化系统：系统建成后配合接入孟村煤矿正在建设的综合自动化系统。

4 结论与展望

煤矿设备自动化的集成化发展是煤炭企业发展的内生动力，也是信息技术高速发展下的必然趋势，在对煤炭企业自动化发展现状进行总结与分析的基础上，提出了基于物联网的煤炭企业井上井下集中联控体系，并在孟村煤矿进行了实践，实现了地面主通风机、压风机、制氮机就地控制系统优化改进及远程控制。理论分析和实践表明，所提出的方法可以实现煤矿企业自动化的集中联控，同时系统具备标准的TCP/IP通信接口及协议，可直接接入全矿井综合自动化系统平台。