煤矿机电设备物联网监测系统开发及应用研究

翟文修

（淄博爱科工矿机械有限公司， 山东 淄博 255100）

1 A 煤矿应用物联网技术现状

A 煤矿经过技术改造及物联网技术应用，目前已针对矿井电力系统、人员搜救、物流运输、井下瓦斯监测及环境监测等建成了物联网系统，包括：矿井电路系统监测平台、矿井人员搜救系统、煤炭物流管理系统、环境监测系统和井下瓦斯监测系统等五大系统，各系统物联网技术应用情况如表1 所示。

表1 A 煤矿物联网技术应用统计表

目前，该煤矿还未针对机电设备系统建立状态监测系统。A 煤矿年生产力为1 040 万t 原煤，其生产中涉及的机电设备比较多，有供电设备（如KBSG 系列矿用隔爆型干式变压器等）、采掘设备（如MG200/475-W 采煤机等）、排风设备、排水设备、运输设备（如DTⅡ型带式输送机）、提升设备（如JKB 防爆矿井提升机）、瓦斯抽放设备及其他相关配套设备[1]。煤矿机电设备工作环境比较特殊，实际生产中时常会因设备自身因素、人为因素等的影响引发机电设备故障。因此，亟待建立一套机电设备状态监测系统，对机电设备运行参数及故障易发位置进行实时监测，及时发现设备异常，并采取针对性措施加以解决处理，提高设备检修的效率及质量，为煤矿安全高效生产提供保障。

2 煤矿机电设备物联网监测系统开发及应用

为保障煤矿生产的安全性及连续性，根据A 煤矿机电设备的特点，基于物联网技术设计开发了一套机电设备状态监测系统。该物联网监测系统的核心是控制中心，通过有线网络＋无线网络的方式，把井上及井下设备物联网监测系统融为一体，进而实现设备物联网监测系统信息传输全面覆盖。

2.1 监测系统组成

该煤矿物联网设备物联网监测系统的井上部分由骨干网、运输RFID 及GPS 组成。井下部分主要由骨干网、覆盖各部分的无线网络节点及各种传感器组成。总体来说，该机电设备物联网监测系统架构由信息采集层（即物联网的感知层）、数据传输层（即物联网的网络层）和系统控制层（即物联网的应用层）组成[2]，如图1 所示。

图1 设备状态监测系统架构

1）信息采集层。主要用于监测设备的生产信息、运输信息、位置信息和状态信息等，为数据传输层提供数据支持。

2）数据传输层。主要负责对信息采集层采集的井上、井下不同网络异构数据进行接入、传输、协同及融合。

3）系统控制层。主要负责对井上及井下设备进行实时监测、故障管理、知识库管理、网络配置管理及系统管理等[3]。

2.2 关键技术

2.2.1 设备状态监测技术及信息采集技术

该煤矿设备物联网监测系统不仅能够对设备的生产过程、运行状态进行监测，而且也能够建设设备的运输过程、维护过程等。通过信息采集层的工业视频监控、RFID 标签、GPS 设备、设备内嵌的PLC、单片机、ARM、DSP 等智能模块及传感器节点，对煤矿各机电设备从生产到使用维护进行全过程状态监测。

1）通过工业视频监控及RFID 技术，可实时监控井下机电设备的生产过程，如，设备生产运行过程中，可利用RFID 技术在标签中写入设备的零部件来源、生产时间、生产批次、编号及负责人等信息，在设备使用中出现故障时，就能及时确定故障设备信息及负责人，有利于提高设备维护工作效率。

2）利用GPS 技术对煤矿设备位置信息进行实时监测，可实现对煤矿中设备各运行环节的实时监控。

3）通过机电设备内嵌的PLC、单片机、ARM 和DSP 等智能模块、井上及井下传感器等，能够实时采集设备的现场作业状态信息。通过现场工业视频监控及传感器节点，可采集设备作业环节信息。

2.2.2 异构网络互通互联技术

设备物联网监测系统中不仅接入了井上、井下的骨干环网、RFID、GPS 和井下设备监控网络等，而且也接入了仓库监控网络。因此，为了设备跟调度中心之间实现良好的互联互通，设计了面向服务的统一化网络通信平台，即：以矿区现有工业环网为基础，通过TCP/IP 建立统一网络接入平台，以便为数据处理中心（即企业私有云）提供安全可靠且可拓展的数据接入服务，并通过智能网关、协议转换及设备接入等措施，把矿区既有的各类网络及数据通信融为一体，使异构网络实现互联互通。这样不仅可以降低设备物联网监测系统的复杂性，而且也能够使各子系统之间具有良好的兼容性及鲁棒性[4]。

2.2.3 数据融合及智能处理技术

数据融合指的是通过计算处理不同时间、不同来源、不同媒质及不同模式的信息，最终获得相较于单一监测更加准确、可靠的被感知目标信息。根据A 煤矿的设备特点及操作需要，此次开发的设备物联网监测系统应用Relief 算法及BP 神经网络算法，对异构网络采集的各类设备数据信息进行处理及计算，并使异构网络数据实现区域化、全局化融合，从而在减小数据计算复杂度及通信开销的同时，有效增强系统对设备状态感知的准确率。

3 系统功能实现

由于煤矿生产中涉及的机电设备种类较多，要通过物联网监测系统对机电设备进行监测，不仅涉及的环节比较多、业务流程比较复杂，而且数据来源异构、子系统之间的耦合度比较低。因此，为确保系统各功能可靠实现，利用Web Service 平台建立系统控制层，并使用Facade 模式的Java 语言对系统控制层进行编程，进而通过用户操作实现各种功能。

1）应用Web Service 可为各站点信息实现相互通信及共享提供多元的接口，使原有各个孤立的站点联系到一起。同时，在Web Service 平台中融合应用了HTTP、XML、SOAP（简单对象访问协议）、WSDL 等Internet 上统一、开放的标准，使Web Service 适用于各种支持上述标准协议的Windows 环境或Linux 环境中。

2）使用Facade 模式的Java 语言进行编程，可以隐藏设备物联网监测系统各子系统的复杂性，并为各子系统的各类操作提供统一的界面，可大大提高子系统编程的方便性及系统使用的简洁性。比如，在实时监测模块，生产监测子系统主要负责接收及管理工业视频监控及RFID；运输监测子系统主要负责接收及管理GPS 数据；运行监测子系统主要负责接收及管理设备内嵌智能模块数据及井下无线传感器的数据等。通过Facade 模式Java 语言进行编程，还可以为各子系统提供统一的接口，以便将各子系统的信息统一融合到系统控制层。

3）系统控制层集成了实时监测、故障管理、知识库管理、网络配置管理及系统管理等功能，如图2所示。

图2 煤矿设备监测系统功能

4 结语

机电设备是现代煤矿生产中必不可缺的组成，其运行状态直接影响着整个矿区采煤的生产效率及质量。随着煤矿企业的不断发展，其机电设备种类及数量越来越多，仅凭人工监测机电设备、预防故障显然是比较困难的。因此，在信息化时代，整合物联网技术针对煤矿机电设备构建状态监测系统是十分必要的。在物联网监测系统设计开发过程中，要注意综合考虑煤矿企业自身机电设备的组成及特点、成本投入、技术适用性等因素，合理选择系统架构、软件编写程序及网络通信方式，确保设计出的物联网监测系统可以实时监测及精准定位机电设备故障，提高机电设备维护管理智能化、信息化水平，确保煤矿企业安全、高效生产。