物聯網在礦山的應用

劉 衛，蔡政安

徐州鐵礦集團有限公司，江蘇徐州 221138

0 引言

徐州鐵礦集團吳莊鐵礦是江蘇省首家物聯網試點單位。“物聯網概念”是在“互聯網概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念。

1 感知礦山基本概念與特征

“感知礦山” 通過全面感知，對井下人員（人員定位、無線通訊）、設備（綜合自動化）、環境（安全監控）等全面感知，并通過網絡實現全面覆蓋，同時還具有直觀形象的應用，通過3DGIS礦區全息展示，來全面感知礦山。

礦山物聯網是指構成礦山中人與人、人與物和物與物互聯的網絡。具體來說是包括礦工、礦井設備以及礦井環境等信息在內的可感知互聯網絡。

自動化礦井、信息化礦山、智能礦山、數字礦山、礦山綜合自動化、礦山管控一體化等都是礦山信息化的概念，而礦山物聯網提出“感知礦山”，是對礦山信息化所有概念提法的綜合與升華。

2 感知礦山的系統結構

感知礦山的系統主要由硬件系統和軟件系統組成，硬件系統是物聯系統的軀干，是支撐系統運行的基礎，完成數據采集、傳輸、存儲和顯示等功能；軟件系統是物聯系統的中樞神經，完成數據的綜合集成、控制、處理、決策參考以及輔助的人員定位、三維GIS、設備控制、生產報表等功能。

1）數據采集設備層

數據采集設備層主要用于采集各類物理量、標識、音頻、視頻數據。該層設備主要包括各種形式的傳感器、語音、視頻設備。

2）網絡層

實現更加廣泛的互聯功能，能夠把感知到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地進行傳送。

3）應用層

應用層利用綜合視頻顯示平臺、調度電話、廣播系統等實現對各類數據的綜合顯示、存儲和處理；

3 感知礦山硬件建設

1）工業以太環網

為提高礦山生產能力和安全生產管理水平，多數礦山已安裝或即將建設多種自動化系統，如：提升自動化系統、排水自動化系統、皮帶運輸自動化系統、通風自動化系統、供電自動化系統、工業電視系統等。這些系統大多是在不同階段建設，處于相互獨立的狀態，造成了很多為問題，如：

（1）通訊線路重復投資、重復建設；

（2）整體可靠性差，不利于礦井安全生產；

（3）各種系統自成體系，需要專門、獨立的值班和維護人員；

（4）各系統自成一體，信息不能互通，不能發揮自動化系統的綜合效益；

（5）系統維護量大，維修、維護困難。

千兆工業以太環網既可避免網絡傳輸瓶頸，又大大節省了投資。光纖傳輸實現同網、同纜、同芯傳輸數據、音頻和視頻的業務應用，可實現視頻、IP電話和數據的三網合一。

2）礦調度室

礦調度室是整個礦山物聯系統的核心，也是生產、管理信息匯聚的中心，在整個系統中有著舉足輕重的核心作用，礦調度網絡必須確保穩定、可靠、安全。

礦調度室的基本功能如下：

（1）對各類數據、基本軟硬件資源的調配和管理；

（2）提供多種應用服務，如組態、三維GIS、人員定位、考勤、汽車衡等功能。

（3）保證對各類生產、安全和管理數據的實時可靠的存儲、管理；

（4）確保網絡安全，對網絡訪問的安全認證，尤其在WI-FI接入認證、系統核心業務資源的訪問等關鍵資源的安全認證；

（5）通過工業電視系統實時顯示各監控畫面；

（6）通過數字調度電話系統實現與井下IP電話的通信。

3）壓風機房

系統主要實現如下功能：

（1）控制功能：風機的啟動、停止、反風、風門啟閉控制等控制功能；

（2）具備就地控制/就地集中控制/上位機控制三種工作方式，就地方式(檢修方式)時各設備由設備本身的控制按鈕操作，便于設備的檢修；就地集中方式由PLC柜完成風機及輔助設備的協調控制；上位機控制方式時可在工控機上完成對風機的遠程控制；

（3）監測功能：實時監測通風機(設備)性能參數，如：礦井負壓、流量、全/靜壓、軸功率等；

（4）實時顯示風機運行性能曲線；

（5）實時監測風機配用電機的電氣參數，如：電流、電壓、功率；

（6）實時監測設備的狀態參數：振動烈度、定子及軸承溫度；

（7）實時監測風門位置。

4）井下炸藥庫

井下炸藥庫主要利用溫度和壓力傳感器采集庫房的溫度，網絡布局結構簡單，通過CAN轉以太網協議轉換器直接接入骨干網中。

泵房排水系統：

水泵自動控制系統是由六個部分組成的，分別是：數據采集系統、水泵自動輪換系統、狀態動態顯示和故障報警以及數據上傳等等，可以在保證水泵安全運行的同時又實現了運行自動化，系統的系統主要功能如下：

（1）PLC控制程序采用模塊化結構，系統可按程序模塊分段調試，分段運行。該程序具有結構清晰、簡捷、易懂，便于模擬調試，運行速度快等特點；

（2）PLC自動檢測水位信號，計算單位時間內不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動投入和退出水泵運行臺數，合理地調度水泵運行；

（3）系統根據水位和壓力控制原則，自動實現水泵的輪換工作；

（4）系統具有通訊接口功能，PLC可同時與操作屏及地面監測監控主機通訊，傳送數據，交換信息，實現水泵自動監控功能；

（5）系統可根據投入運行泵組的位置，自動選擇啟動射流泵，若在程序設定的時間內達不到真空度，便有報警輸出；

（6）在操作屏上動態監控水泵及其附屬設備的運行狀況，實時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數，超限報警，故障點自動閃爍。具有故障記錄，支持歷史數據查詢等功能；

（7）超溫保護：水泵長期運行，當軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護裝置及PLC 實現超限報警；

（8）流量保護：在水泵正常啟動或者運行后，如果出現流量不能達到正常值的情況，可以通過保護裝置促使本臺水泵停止運行，自動轉換為啟動另一臺水泵；

（9）電動機故障：利用PLC及觸摸屏監視水泵電機的電氣故障，如：低電壓、漏電、過電流等等，并參與控制；

（10）電動閘閥故障：由閘閥通過檢測故障，并且能夠參與到水泵的聯鎖控制中。

系統控制具有3種工作的方式，包括：手動檢測工作方式、半自動工作方式以及自動方式。手動檢修方式主要在手動試車以及故障檢修時應用，當某臺水泵以及水泵的附屬設備發生故障時，為了不影響其他泵組的運行，出現故障的泵組就會自動退出運行。因為PLC柜上都設有該泵的禁止啟動按鈕，為了保證安全可靠的系統以及防止其他人員的失誤操作，系統可隨時轉換為自動和半自動工作方式運行；半自動方式，某臺或幾臺泵組都是由工作人員選擇投入的，PLC只自動完成已選泵組的監控工作以及啟停工作；自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關信號，自動完成各泵組運行。

5）變電所

變電所主要通過溫度、電壓、電流等傳感器監測設備的運行狀態。

6）主副井

主副井主要采用視頻監控結合人員定位的功能來監視主井提升設備、副井工作人員出入狀態，實現對設備的實時監控和考勤。

4 感知礦山軟件建設

軟件平臺是物聯系統的靈魂，軟件平臺負責對所有采集信息的集中接收、存儲、處理。這些海量信息主要集中在礦調度室進行分類分析與處理。結合礦調度室網絡布局結構和設計功能要求，將軟件平臺劃分為應用服務子系統、管理子系統、三維GIS子系統和安全子系統四大子系統。其中各系統根據功能進一步劃分。

4.1 視頻監控

企業視頻監控擬建設一套以分布式數字視頻軟件系統平臺和嵌入式視頻服務器設備為核心的數字網絡工業電視系統，實現工業生產和礦區安防視頻監控數據的采集、數字化、IP傳輸、高效存儲、電視墻實時監控以及WEB訪問功能，并能與集團公司工業電視系統實現無縫連接。具有以下功能特點：

1）圖像顯示：可通過計算機顯示器顯示視頻圖像，也可通過解碼設備在電視墻顯示；

2）多區域組合顯示：提供單畫面、4畫面、9畫面多種視頻實時顯示界面，可通過點擊編碼器名稱方便地播放圖像；

3）分布式顯示：支持多個客戶端同時查看一個監控點的圖像；

4）支持攝像機遠程控制功能：可對權限范圍內的攝像機進行遠程控制，包括鏡頭上下左右移動、鏡頭縮放、光圈調整、調焦（攝像機支持此功能）；

5）提供分布式錄像服務：可同時錄像的鏡頭數量不受單一服務器的限制；

6）站點管理：系統管理員實現站點管理，設備管理、用戶管理等各項管理，包括配置、修改、刪除等。可自動搜索并顯示設備服務器、轉發服務器、錄像服務器的信息，包括名稱、IP地址，可修改站點名稱，可刪除無效站點；

7）用戶授權訪問：提供多種用戶類型，包括管理員、超級用戶、一般用戶和瀏覽用戶，分別授予不同的權限范圍；

8）應用接口：與其它信息系統實現無縫連接的能力，建立統一認證系統。

4.2 監測監控

監測監控子系統主要完成泵房、風機、井下環境監測、配電所、主副井等各個安全監控節點傳感網絡數據的集中接收、存儲和處理及反饋控制，是生產監控的核心部分。主要完成以下功能：

1）泵房監控：用組態或WEB方式實時顯示水泵的開停、轉速、溫度等傳感數據；通過控制指令控制水泵的開停；

2）風機監控：用組態或WEB方式實時顯示風機的風速、壓力、溫度、轉速等傳感數據，通過指令控制風機的轉速；

3）井下環境監測：用組態或WEB方式實時顯示井下巷道、工作面的環境參數；

4）配電房監視：用組態或WEB方式實時顯示配電設施的工作參數；

5）主副井監視：監視主井提升設備的工作狀態，并組態顯示提升設備的工作狀態，視頻監控設備的運轉狀態；通過組態顯示副井的人員定位信息、進口的視頻圖像，結合三維GIS系統顯示手持移動設備的三維GIS狀態。

4.3 人員定位

人員定位功能是井下作業過程中，對人員的分布及運動進行實時監視的定位系統。設計中采用WI-FI與人員定位系統相結合的方式，通過分布在礦井中的若干WI-FI節點和人員定位分站來定位井下人員的空間位置，結合三維GIS系統實時顯示井下人員、機車及傳感器的實時工作狀態。主要功能有：

1）身份識別：WI-FI節點和井下人員定位讀卡器通過讀取移動終端攜帶的身份識別卡來辨認識別移動對象；

2）跟蹤顯示：通過三維GIS實時追蹤移動終端的位置；

3）考勤功能：能夠準確統計礦工入井、升井時間，并可按班次按部門生成日考勤、月考勤統計報表；

4）定位功能：對井下礦工的分布情況分區域實時監測。實時監測全礦井井下礦工總數，實時監測采場工作面礦工總數，實時監測掘進工作面礦工總數以及井下其他區域礦工總數。根據各礦實際情況繪制井下巷道、采區圖，該圖是動態的，隨著井下人員的移動，該圖顯示的各區域人數會隨時更新。輸入任意人員的姓名或編號，可以立即以圖形方式顯示此人當前所在區域；也可以同時輸入多個人員，以文字方式顯示這些人各自在井下的當前位置；

5）統計查詢進入特殊區域人員：對于井下的某些特殊區域，例如規定不準一般人員進入的危險區域，在行蹤保留時段內可以隨時進行查詢，列出進入該區域的人員和出、入時間；

6）報警功能：對某個區域的人員數量進行限制，如果超員則告警。當礦工進入禁區時，系統會告警，提示管理人員采取相應措施。當礦工在井下停留超出規定時間或沒有做夠規定時間，系統將告警并記錄。當礦工未按規定的行進路線行走，行進到禁行區，系統將告警并給予提示。

4.4 汽車衡子系統

汽車衡作為企業生產管理的重要組成部分之一，用于稱重礦石，并統計各種銷售信息。主要完成以下功能：

1）數據獲取：通過接口網關自動取得儀表實時數據并按照要求換算及運算；

2）數據調用：稱重時自動調用車輛的相關數據，如駕駛員、皮重等內容；

3）磅單打印：系統自動按權限及設置打印磅單；

4）查詢：任意方式組合查詢；

5）數據統計：自動統計查詢結果的總量合計：包括毛重、皮重、凈重、單價、金額及結算重量等。

5 結論

物聯網技術在礦山成功應用后，可達到監、管、控一體化；最大限度地實現“無人值守，有人巡視”，達到減員增效；信息資源充分共享化，達到安全生產、節能增效，為礦山安全生產、有效預防和及時處理各種突發事故和自然災害，提供有效手段。

[1]古德生.對中國礦業可持續發展問題的思考(一)[J].世界采礦快報，1997(2).

[2]王建軍，楊小聰，郭利杰.礦山固體廢物充填處理技術及環境影響分析[D].2010中國環境科學學會學術年會論文集(第二卷)，2010.