煤矿井下工业互联网实时集控、自动调控与风险预控系统研究

（供稿：晋能控股山西科学技术研究院有限公司同大科技研究院 景珂宁）

研发起止时间：2018.07～2020.12

完成单位：晋能控股煤业集团有限公司、沈阳智慧云新元测控技术有限公司、晋能控股山西科学技术研究院有限公司、晋能控股煤业集团塔山煤矿有限公司、大同煤炭职业技术学院

成果水平：国际领先

1 项目背景

该项目于2021年4月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，研究成果为国际领先水平。

目前我国煤矿生产中使用的各类异构监测监控系统多达二十余种，重复投资、重复布线、互不兼容、不能实现关联监测监控与互联互控，已经成为智能化开采必须解决的关键技术难题。因此须研究解决传感器等测控单元的兼容与通用性问题，开发基于多系统融合的综合通用监测监控系统平台。另外，煤矿工作面生产效率的提升与瓦斯防治是一对矛盾，瓦斯防治技术进步促进了产能的释放，生产效能的提升反过来又增加了瓦斯涌出量。特别是放顶煤技术与综合自动化技术的快速发展，煤炭产量成倍增加，给瓦斯治理带来严峻挑战。如果能够实现瓦斯超前实时预测自动调节生产强度，从而避免瓦斯超限，待瓦斯浓度下降到限值以下可增加生产强度提高产量，切边运行，实现瓦斯与生产的动态平衡，解决瓦斯与生产之间的矛盾关系，具有重大意义。

2 研究内容

（1）安全实时预测预警技术：建立高产高效现代化矿井安全风险大数据超前感知与预测预控系统。以瓦斯、火、顶板为隐患目标对象，建立分级报警、超前预警、分级管理、网络调度及时响应的安全体系，实现全方位监测与超前预警，建立煤矿生产过程结构化模型与安全风险分级报警分级管理技术；构建安全风险大数据分析模型，实现安全风险大数据分析平台构建与大数据分析。

（2）基于预测预警的采煤机自动优化调控技术：研究基于瓦斯实时预测结果动态优化调控工作面开采强度新技术，实现预测隐患控制与生产联动，从而保证矿井安全高产高效生产。

（3）地面多网融合集成监测调度系统：对矿井安全与生产监测监控系统大数据综合集成，实现煤矿安全监控系统、人员监测、语音广播、抽采监测、顶板监测等安全与生产监测监控系统地面融合大数据综合集成测控与实时调度。

（4）井下工业以太网IP 总线新一代监控系：井下工业以太网IP 现场总线技术与LonWorks 神经元现场总线多网多系统井下融合实时监测监控。

（5）开展井下多系统融合综合自动化测控系统平台试验：测试接口协议、接入器边缘计算装置、融合软硬件平台。

（6）开发工业以太网APP 平台：地面控制中心与手机APP工作面远程开采实时监测监控系统。

3 主要研究成果

（1）开发的煤矿多系统融合综合通用实时监测监控系统，其中IP总线解决底层控制协议升级到以太网关键技术问题，实现IP 到底，井下多系统融合开放式接口协议与接入控制器解决异构系统传感器级别的互联互控关键技术，嵌入式集控中心站提供功能更强的边缘计算控制中心能力，将整个矿井各类监测监控系统融合为一体，提升了监测监控技术水平。

系统组成与原理：在现场总线中增加了IP技术的应用，现场的设备已经不需要网关连接，都有各自的IP 地址；减少了网关的使用，网络连接更多使用路由器。IP 以太网现场总线在煤矿工业互联网井下融合系统中的位置在工业互联网多系统融合中IP 总线位于测控底层传输，参见图1。

图1 IP总线与工业互联网关系

（2）研发了基于工作面瓦斯实时预测的安全风险智能化实时预测与产能联动自动优化调控系统，实现瓦斯监测与生产强度联动智能实时调控，解决了高强度生产与瓦斯超限的矛盾，即避免瓦斯超限又提升生产效率，有效解决提升生产效能受瓦斯制约问题。工作面采煤机优化调控需要实现传感器数据采集、存储、预处理、实时预测、执行控制、通讯、广播等大量系统功能，该嵌入式集控中心站采用安卓操作系统，实现采煤机无线控制功能。包括无线网络组网，由网络通讯单元、无线网关、控制之下单元等组成。井下集控中心站或地面主机通过有线方式到达工作面，然后通过无线网关进入zigbee无线网络，通过无线通讯单元，传递到控制单元执行控制。地面远程监测控制中心，包括系统设置、井上下数据通讯、状态显示、预测与对比检验、井上下语音广播报警通讯等功能。语音广播报警与通讯系统可自动进行预警与报警广播，可布置在采掘工作面。

（3）工业互联网多系统融合集成测控与风险预控系统作为多系统融合的软件监测平台，实现了基于位置的面域集成监控、各生产过程关联监控生产过程集控、安全风险集控与风险预控、安全与生产关联自动调控。基于位置面域图集成监控解决各安全与生产过程基于位置的关联关系，区域位置安全与状态关系，直观可视，一目了然；可实现井下无人化与少人化地面远控与自动优化调控；生产过程多系统融合综合实时集控与调度处理；优化生产过程与工序环节；煤矿安全与生产大数据风险分级报警分级管理与分布式处理；煤矿安全与生产高效率运行；基于大数据挖掘与分析的科学决策支持；多系统集成监测监管减少值班人员与设备投入。

（4）开发了工业互联网APP 强实时远控与分级报警分级管理系统，实现了手机端瓦斯、顶板、人员等融合系统的集成关联监测与远程强实时控制功能，直接作为调度处理客户端，实现安全风险的分级报警、分级管理以及分级调度，为现代化管理与网络化管理提供新的管理模式与技术手段。

图2 主界面

4 应用效果

本研究以塔山矿为依托，从基础数据调研、室内试验、理论研究、现场实测验证等方面，在对煤矿井下安全监控等十个子系统融合的基础上，建立了煤矿工业互联网实时集控、自动调控与风险预控系统平台，开发出了多系统融合生产过程集成监控与调度系统、安全风险预控系统及分级报警、分级管理、分级调度跟踪系统，实现了基于工作面瓦斯实时预测的生产强度自动调控，为智能化开采提供了技术基础。该项技术成果的成功应用有效解决了高产高效工作面瓦斯问题与提升生产效能受瓦斯制约问题，既可避免瓦斯超限又可提升生产效率，创造了巨大的经济效益，具有十分广泛的推广应用前景。