基于物聯網的井上井下聯控體系構建

林逸朋

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

我國煤礦企業的自動化發展進程始于上世紀60年代，在長達近50 a的發展歷程中，尤其2000年之后，我國煤炭企業的自動化水平有了很大程度的改進和提升[1-3]。但隨著我國經濟發展需要對能源行業的巨大刺激以及兩化融合技術的不斷發展，現有單體設備的自動化水平已經很難滿足煤炭企業可持續發展的需求，需要快速從傳統的單體設備自動化層面釋放出來，在多個設備間形成有效協同的局面，才能有效優化改善當前煤礦企業的自動化水平，提升煤炭企業的整體工作效率，促進我國國民經濟的發展并為資源的合理利用作出一定貢獻。

1 技術現狀與發展趨勢

1.1 煤炭企業自動化現狀

煤礦的自動化發展主要包括采掘設備自動化、傳送運輸設備自動化、傳感監控自動化3個方面，如圖1所示。

圖1 煤炭企業設備自動化的內容Fig.1 Content of equipment automation in coal enterprises

1.1.1 采掘設備自動化

隨著信息技術的高速發展與快速普及，在歐美的采掘設備生產廠家首先開始了對相關設備的智能化研發，并快速將機械、傳送帶與液壓支架整合在一起，通過采用自動化的手段并協同實現煤炭開采的智能化工作面，同時可以采用物聯網等監測技術來實現對設備狀態的監測和控制，但我國的采掘設備普遍采用液壓牽引的方式，而且傳送設備上存在運送能力低下，過煤量較少等問題[4-6]。

1.1.2 傳送運輸設備自動化

歐美等先進國家的煤炭企業一般采用膠帶運輸與輔助運輸車相結合的方式進行傳送煤炭，并可以通過計算機技術實現對整體運輸過程的自動化監控與防護，以防止出現由于傳送膠帶運輸速度低、所產生煙霧或膠帶裂開等問題的發生[7-8]。我國一般是采用傳統軌道來傳輸，直到1980年之后才開始采用膠帶運輸，并開始安裝了保護系統，采用計算機進行操作控制和安全管控。與此同時，提升系統也在相關信息技術的支撐下有了較大的進度，逐漸通過智能的軌道電機來提升傳輸速度與質量。

1.1.3 傳感監控自動化

由于煤礦企業災害事故的頻發性，煤礦企業逐漸進行安全監測監控系統的安裝，我國從1970年之后開始將歐美等發達國家的生產過程監控系統引入到我國的煤礦企業當中。雖然我國在安全生產監控領域也有非常成熟的企業，但存在相關專業性人才嚴重不足、研發成果的應用與轉化較難等問題，使得我國的安全監測監控系統仍然停留在發達國家上個世紀的水平，并依然存在壽命低、檢修難、穩定性不強等問題，以致在煤礦自動化中的應用程度顯著偏低[9-10]。

1.2 煤炭企業自動化發展趨勢

與兩化融合技術發展的路徑相一致，煤炭企業的自動化發展需要對煤炭企業的生產效率進行有效評估，這需要通過數字化共享手段極大地改善提升設備之間的自動化協同能力，使得煤礦企業的主體開采流程向流水線的方向發展[11-12]。

1.2.1 網絡系統的穩定化

和所有的智能化發展路徑一樣，煤礦的自動化提升是建立在網絡通信系統的建設基礎之上的。網絡通信系統是所有工作正常運行的前提和保障，通過信息采集與發送來實現對設備的遠程操控，網絡系統的穩定性可以確保煤礦自動化階段的安全。網絡化系統的級聯與建立，不但能夠減少人員的投入、減少開采的成本，而且還能夠有效地提高煤礦的開采與傳輸效率，這也是煤礦自動化發展的未來趨勢。

1.2.2 單體設備的智能化

煤礦單體設備的智能化已經都得到了長足的發展，對于每一個煤炭生產設備，甚至是更細化的單元都已經是一個智能體。在此基礎上，通過RESTFUL等接口實現了多個設備之間的互聯，在設備智能化PLC控制的基礎之上，不同的設備將通過標準的TCP/IP協議，以及有效的控制端口實現設備之間的聯動通信。

1.2.3 設備間的協同化

在網絡化集約發展以及設備智能化發展的基礎上，在設備智能層之上需要一個協同的MES或集中管控層，來實現設備之間的有效連接與共享。應加強從網絡系統、開采機械設備的自動化、行業監管系統等方面入手，對煤礦自動化發展做出全面剖析和優化改進，實現煤炭企業的創新發展。

2 基于物聯網的集控化平臺

為實現煤炭企業井上井下設備間的有效互聯與集中控制，本文提出了一種基于物聯網的集中聯控體系構建方法，整體架構圖如圖2所示。整個系統由遠程監控中心、工業以太網傳輸、設備單體監控系統以及視頻監控系統4部分組成。遠程監控中心通常設立在調度中心，遠程監控中心設置一臺操控站，就地監控中心設置一臺操控站，操控站選用高性能工控機，通過操控站對風機房的相關設備進行集中管控和監視。主要包括硬件和軟件2大部分。各設備一般通過原有PLC進行優化和程序編寫，通過遠程監控中心到設備點之間具有環網，直接通過網線相連，與遠程監控中心工控機進行數據通信。設備單體監控系統通常是由可編程控制器、負壓傳感器、觸摸顯示屏、振動傳感器、風速傳感器和甲烷傳感器等組成。視頻監控系統主要起到輔助作用，對現場的情況提供視頻圖像支持。

圖2 整體系統架構示意Fig.2 Overall system architecture

3 孟村煤礦聯控體系構建

通過提出的技術方案對孟村煤礦地面主通風機、壓風機、制氮機就地控制系統進行優化改進及遠程控制系統的聯動，進行應用實踐。

3.1 原系統應用概況

3.1.1 主通風機

主通風機就地控制系統優化改進及遠程控制系統由PLC、工控機監控站、以太網交換機以及若干壓力、溫度、振動傳感器等組成。采用工控界成熟的PLC加上位機組態監控模式，構成互備的風機控制系統，采用以太網傳輸平臺任一監控站可以同時監控2臺風機的運行狀態。同時利用傳感器檢測、信號處理、計算機技術和風機的有關技術，對風壓、風速、主通風機運行狀態、正反轉狀態、電機定子溫度、軸承溫度等通風機性能參數進行實時監測和控制。

3.1.2 壓風機

壓風機實現了煤礦地面壓風機系統無人值守，壓風機遠程啟停控制，實時監測電機運行溫度、電壓、電流、功率等數據，遠程選擇控制排氣閥管路閥門功能，實時監測管道閥門開量狀態及冷卻油包溫度及壓力等數據，同時系統具備標準的TCP/IP通信接口及協議，可直接接入全礦井綜合自動化系統平臺。

3.1.3 制氮機

制氮機實現了煤礦地面制氮機系統無人值守，空壓機、冷凍式壓縮空氣干燥機，制氮壓風機遠程啟停控制，強制卸載和自動輪循控制壓風機，遠程選擇控制閥門功能，實時監測制氮機、壓風機、冷凍式壓縮空氣干燥機的運行狀態，同時系統具備標準的TCP/IP通信接口及協議，可直接接入全礦井綜合自動化系統平臺。

3.2 系統架構及功能

3.2.1 系統架構

整體系統改造與升級的架構圖如圖3所示，處于調度室的操控站通過網絡系統與PLC(礦用可編程控制器)相連，通過PLC實現不同設備間的互動與聯通。

圖3 系統架構Fig.3 System architecture

3.2.2 系統架構

顯示功能：系統操控軟件包括了工藝流程圖總畫面，實時顯示整個系統總體運行情況和主要設備的運行狀態與實時參數。

控制功能：系統具有授權遠程集控、遠程單控、就地手動等多種控制方式。具備在調度中心遠程控制的功能、方便在調度中心實現各個分系統的啟動與停止。

參數設置：用戶能夠依據自己的系統運行情況，對系統各個設備的運行參數進行設置，為系統報警提供根據。

歷史曲線查詢：對于重要的系統參數，可以適時顯示和繪制溫度曲線、負壓曲線、振動曲線、效率曲線等，并做成歷史數據，及時進行保存，以供需要時及時查詢。

報表打印功能：系統具有報表生成、存儲、查詢、打印的功能。可根據需要輸出包括設備工況運行報表、故障報警實時報表以及設備操作報告和過程變量報告等，以保障各種規范管理的需要。

系統故障報警功能：系統檢測到故障發生時，報警畫面會自動彈出，并進行紅閃。

通信功能：具備與全礦工業以太網聯網的功能，能夠把通風系統的各項監測參數、狀態、故障參數、故障記錄、報警情況等的數據傳輸到礦局域網上，實現與其他系統的數據交換。

接入綜合自動化系統：系統建成后配合接入孟村煤礦正在建設的綜合自動化系統。

4 結論與展望

煤礦設備自動化的集成化發展是煤炭企業發展的內生動力，也是信息技術高速發展下的必然趨勢，在對煤炭企業自動化發展現狀進行總結與分析的基礎上，提出了基于物聯網的煤炭企業井上井下集中聯控體系，并在孟村煤礦進行了實踐，實現了地面主通風機、壓風機、制氮機就地控制系統優化改進及遠程控制。理論分析和實踐表明，所提出的方法可以實現煤礦企業自動化的集中聯控，同時系統具備標準的TCP/IP通信接口及協議，可直接接入全礦井綜合自動化系統平臺。