基于物联网下的矿山电气工程应用及方法研究

但海涛

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207）

目前中国面临着普遍的结构性转型和升级，这种转型和升级的态势无疑使矿产资源的生产模式发生了巨大的变化，为提高矿产资源的生产效率，有效地优化资源的生产模式，将电子工程设备引入采矿工程项目中。电力工程学是现代科技领域的核心学科之一，电力工程学是研究产生电力和电子系统的相关学科的总称[1]。矿井电气工程的构成要素包括电源模块、压气模块、通信模块、监控模块和人员定位模块等，但综合国内外研究现状，目前很多矿井电气工程的管理不能满足矿井工程发展的需要，导致矿井电气工程质量管理问题时有发生。引入物联网及相关技术，间接地提高矿山工程中电气工程的管理质量，提高矿山开发项目的工程进度。物联网是通过各种信息传感器设备对需要实时监测、连接、交互的目标数据进行采集，其信息采集内容包括声、光、热、力学、位置等。在网络环境下，通过多种传感器设备的接入，实现了物与物之间、人与人之间的连接，从而实现了智能感知和管理。

1 基于物联网的矿山电气工程管理方法设计

1.1 构建物联通信网络

在矿区范围内设置测点，根据被测数据类型选择合适的传感器设备，安装在测量点位置，通过传感器设备间的数据传输和共享形成矿物联通信网络。构建物联网时，要求能够传输语音、图像这种技术应用于矿山电气工程管理工作中，以期能提高矿山电气工程建设的整体水平[2]。为实现TCP/IP网络直接双向通信，方便网关接入。图1显示了所建立的矿物联通信网的基本连接结构。

图1 矿山综合物联通信网络拓扑图

在矿井物联网中，网络中具有相应算例的节点根据共识算法来确定是否完成数据传输任务。该网络运行程序在数据传输状态下，被划分为节点分工、数据加密和数据共识三个部分，并对节点管理模块、加密模块和共识模块进行模块化处理。NodeManagement模块负责管理网络中的各个节点，实现节点的识别、权限控制和划分等功能[3]。对传输数据进行加密处理，防止数据在传输过程中被恶意篡改、伪造甚至窃取，保证数据的真实性和可信度。协议模块的设计是基于物联网络中相应节点的算力，不需要引入新的设备。协商一致模块通过具有相应算力的网络节点对数据的有效性达成协商一致，减少误报。矿物联通信网的数据层可将网络上传的数据临时存储起来，网络节点可通过该层进行实时数据传输。信息验证层根据PBFT算法对数据层中临时存储的数据进行验证，当经过指定数目的验证节点验证后，数据才会存储在存储节点中。

1.2 控制矿山电气工程设备

矿井电气工程主要分为通风、采掘供电两大部分。为了控制矿井电气工程设备，首先需要利用物联通信网络实时采集和传输设备运行数据。利用实时数据，采用远程控制的方式，实现矿井通风设备的远程控制，满足矿井开发工作的通风安全性。通风设备是以集中控制、分散记录为核心的控制方式，在矿井不同位置设置监测分站，通过动态检测风压、风量、氧含量、温湿度等信息，并将信息传送到主站集中处理，同时配合自动化系统，扩展通风系统的报警、记忆等功能，实现对通风设备的有效控制。但由于采煤供电部分的存在，使得地下矿山无支护采场的开发成为可能。在采矿工程中，所有的开采和生产活动都可以通过地面的控制中心进行，包括测量、开矿、爆破和铲运机的装卸等。将控制器设备安装在受控设备上，并连接到物联通信网络。电脑控制台根据相应传感器所采集的信息来控制机器运行。通过遥控和自动化，在减少施工人员的同时，缩短了班次和休息时间，提高了设备的利用率。

1.3 矿山开采设备供配电保护

矿山开采设备的供配电保护主要针对电气过载情况下的设备保护，采用反时限保护元件的方式，通过动作实现自然地与被保护物体上的电流大小相配合。根据矿井电工作原理，将其分为一般、特殊和极化三个阶段，可方便地完成反时保护模式间的切换，三种不同反时限保护元件的动作可表示：

上式中参数I和Ip分别表示的是矿山开采电气设备的最大相电流和启动电流，tp为时间常数，最终的计算结果t为理论保护动作时间。

1.4 动态诊断矿山电气工程故障

采用物联网技术，有效解决了上述问题。其主要目标是对系统故障进行定位和分析，提前制定防范措施，使系统故障造成的损失最小化。对矿井电气工程中漏电、短路故障进行动态诊断；泄漏故障会使电网对地绝缘降低，通过在电网与大地之间连接一个独立的直流电源，通过流过三个相对地绝缘电阻的直流电源的大小，可以反映电网中绝缘电阻的变化。设置电气线路的绝缘电阻为R0，并将实时检测的电阻与R0进行比对，从而判断当前矿山电气工程是否存在漏电故障。同理可以对矿山电气工程中的电气设备以及线路短路故障进行动态检测与诊断。

2 应用效果测试实验分析

以测试应用物联网下设计的矿山电气工程管理方法为目的，设计应用效果测试实验。实验选择某处于开发状态的矿山工程作为研究实例，该采场分为平原和山地两种地形，露天采场地势平坦，投产后即进入深凹开采。该矿矿石品位较低，年产量约1580万吨，矿石平均运距3.5 km。在该矿山项目的电力工程中，电气设备的具体准备情况如表1所示。

表1 矿山电气设备配置表

实验设置了传统的电气工程管理方法和文献[2]中提出的基于工程自动化技术的矿山电气工程管理方法作为实验的两个对比方法。应用效果实验主要对矿山电气工程的管理效果进行对比，具体体现在电气设备的工作效率和故障次数两个方面，设置相同的矿山施工任务，通过分析相同开采任务下电气工程的完成时间来反映工程管理效率。经过相关数据的统计和对比，得出应用效果测试实验结果，如表2所示。

表2 应用效果测试实验结果

从表2中可以看出，应用效果测试实验采用多次实验得出结论的方式，由此来保证实验结果的可信度。通过对表2数据的分析，三种矿山电气工程的平均管理耗时分别为11.69h、8.76h和6.58h。由此可见，通过物联网的应用有效的提升了矿山电气工程的工作效率，并降低故障发生的概率，具有较高的应用效果。

3 结语

针对目前矿山电气技术不断更新和发展的情况，也相应地对煤矿电气工程管理提出了更高、更新的要求，这就要求煤矿电气工程管理人员要有严谨科学的态度和工程质量意识。运用物联网技术，促进矿山电气工程及整个工程项目的健康、可持续发展，从而为国家、企业带来良好的经济和社会效益。