物聯網技術在礦井供電監控的應用研究

張德軍， 王興生， 劉 維

(1.招金礦業股份有限公司， 山東 招遠 265400； 2.德逸科技(北京)有限公司， 北京 100191)

1 前言

物聯網是近些年迅猛發展的新一代信息技術之一，它通過傳感器、RFID、二維碼等信息傳感設備，按照約定的協議，把各種物品與互聯網連接進行通信和信息交換，通過智能感知、識別技術實現定位、監控和管理的一種網絡，即“物物相連”的互聯網。物聯網在架構上可分為3個層面，即感知層、網絡層和應用層。感知層由各種傳感器構成，包括供電、溫度、濕度、RFID電子標簽、攝像頭、位置傳感器等感知終端。感知層的主要功能是識別物體、采集信息；網絡層負責傳輸和處理感知層獲取的信息數據；應用層與最終用戶的實際需求相結合，是最終用戶與物聯網的交流終端，通過應用層實現了物聯網在各行業的智能化應用。

2 礦井供電的監控

UPS(Uninterruptible Power Supply)即不間斷電源，是將鉛酸蓄電池與主機相連接，通過主機的鎮流器、逆變器等變換器將直流電轉換成交流市電的系統設備。它主要用于給用電設備提供穩定、不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS將市電穩壓后供應給負載使用，當市電中斷(事故停電)時，UPS在1～4ms內通過逆變器轉換的方式，將電池的直流電能轉換為交流電能，向用電負載繼續提供220V交流電，使用電負載可維持正常工作并保護用電負載不受損壞。UPS為井下通信系統、監控系統提供電力保障，在停電時能夠保證通信、監控設備的持續運行。

礦井下環境惡劣，運維不便，對供電狀況的實時監測非常重要。[1]招金礦業夏甸金礦自2017年開始使用物聯網智慧運維管理平臺監測UPS及蓄電池，平臺向運維人員提供供電監測、電池診斷及告警功能，在一定程度上解決了蓄電池的監測問題。該平臺采用物聯網主動感知、自動分析、快速處理的技術手段，通過監控UPS及監測鉛酸蓄電池的狀態，遠程控制UPS設備。改變了長期以來對井下UPS及鉛酸蓄電池人工現場巡檢方式，采用了自動化、智能化、無人工干預的物聯網平臺，將故障檢修轉變為狀態檢修，使運維工作實現“發現問題→分析問題→處理問題→跟蹤問題”的閉環管理方式，不放過任何事故隱患。

3 物聯網智慧運維管理平臺的結構

3.1 感知層

在蓄電池上安裝蓄電池監測模塊，實時采集蓄電池的電壓、內阻、溫度數據。其中蓄電池內阻是判斷電池的重要參數之一，通過內阻值可直接反映蓄電池的劣化程度及容量性能。通常測量內阻有兩種方法，分別為交流注入法和直流放電法[2]。交流注入法是測量蓄電池對輸入的一定頻率的交流信號的電壓反饋，然后獲取交流信號的電流值，從而計算出蓄電池內阻的方法，具體原理如圖1所示。交流輸入法可以在蓄電池充電、放電等任何狀態進行內阻測試，另外通過選擇信號頻率可以適應不同種類的蓄電池。而直流放電法是通過對電池進行大電流放電，測量電池瞬間壓降，然后通過計算得到電池內阻值。直流放電法長期使用會對蓄電池造成一定損害，同時獲得數據的重復性較差，準確程度也不如交流注入法[3]。

圖1 交流注入法原理

3.2 網絡層

在網絡層，物聯網智能管理主機通過井下的以太網與云端平臺進行數據交互。UPS主機通過RS232/RS485接口與管理主機連接，管理主機同時連接蓄電池監測主機。

物聯網智能管理主機采用多片32位高速處理芯片協同工作、linux實時操作系統等技術開發研制的智能通訊管理主機，可以滿足多種類型通訊接口、多種協議格式的智能終端設備的應用需求。

物聯網智能管理主機負責與各監控子系統建立通信鏈路、管理設備的網絡連接、維護智能終端設備、收集底層傳感器的數據，并將數據上傳到物聯網智慧運維管理平臺，負責接收平臺的控制指令并下發給各監控子系統，實現數據通訊。各監控系統通過物聯網智能管理主機將數據信息傳輸到平臺，實現統一監控，保障質量管理及安全運營。

3.3 應用層

在應用層上可實現對所監測設備狀態的遠程監控，通過呈現上傳的數據達到信息共享的功能。如果將監測的數據與用戶的信息化系統進行結合，就實現了工業化與信息化的融合。物聯網智慧運維管理平臺通過大數據的方式對數據進行邏輯判斷和算法處理，將井下UPS的實時狀態在平臺展現出來，同時可以診斷蓄電池的健康狀況，如發現落后電池及安全隱患，可在平臺上進行告警，并可將告警信息推送到運維人員的手機上。實現了實時掌握井下供電狀態，及蓄電池的安全質量管理。

4 物聯網智慧運維管理平臺的作用

通過實施物聯網智慧運維管理平臺，實現了以下功能：

(1)實現對全礦所有的物聯網關、UPS、蓄電池、蓄電池傳感器的設備管理[4]。

(2)實現UPS的遙測模擬量信號、遙測開關量信息、遙信基礎信息的采集顯示，遙控開關量相關控制(即定時開/關機、UPS測試放電、蜂鳴器開/關)[5]。

(3)實現UPS供電職能運維，即利用UPS測試放電控制功能、蓄電池監測功能，根據運維規范要求定期通過UPS進行放電測試，提高蓄電池的使用壽命，同時放電過程中通過對蓄電池的監測，及時了解蓄電池的性能，及時更換維護，提高UPS整體的供電性能。

(4)通過對UPS的監測數據進行大數據分析，根據交流輸出電壓、交流輸出電流、輸出頻率，輸出指標，判斷UPS設備是否穩定，是否有異常。

(5)通過監測蓄電池的內阻、充電電流、放電電流、充放電時間、充放電曲線，掌握電池的性能。

在效益方面，物聯網智慧運維管理平臺為礦井帶來以下效益：

(1)基本代替人工上站維護，降低了運行維護費用支出和工作強度，使運維管理更加便捷高效。

(2)通過平臺的專家診斷系統提高和保障了蓄電池組工作效率及安全可靠性。

(3)對系統在網設備進行了全生命周期的監控，可做資產管理和大數據分析，并導出相關報表，利于管理及上報。

5 結論

物聯網智慧運維管理平臺有效的提高井下供電系統的安全可靠性，降低人力成本及設備采購成本。對于降低事故安全隱患、保障安全、節能環保具有重要的意義，可達到“智慧礦山”的相關要求，在全行業也具有一定的推廣價值，有較好的社會經濟效益。