基于物聯網下的礦山電氣工程應用及方法研究

但海濤

（甘肅能源化工職業(yè)學院，甘肅 蘭州 730207）

目前中國面臨著普遍的結構性轉型和升級，這種轉型和升級的態(tài)勢無疑使礦產資源的生產模式發(fā)生了巨大的變化，為提高礦產資源的生產效率，有效地優(yōu)化資源的生產模式，將電子工程設備引入采礦工程項目中。電力工程學是現代科技領域的核心學科之一，電力工程學是研究產生電力和電子系統的相關學科的總稱[1]。礦井電氣工程的構成要素包括電源模塊、壓氣模塊、通信模塊、監(jiān)控模塊和人員定位模塊等，但綜合國內外研究現狀，目前很多礦井電氣工程的管理不能滿足礦井工程發(fā)展的需要，導致礦井電氣工程質量管理問題時有發(fā)生。引入物聯網及相關技術，間接地提高礦山工程中電氣工程的管理質量，提高礦山開發(fā)項目的工程進度。物聯網是通過各種信息傳感器設備對需要實時監(jiān)測、連接、交互的目標數據進行采集，其信息采集內容包括聲、光、熱、力學、位置等。在網絡環(huán)境下，通過多種傳感器設備的接入，實現了物與物之間、人與人之間的連接，從而實現了智能感知和管理。

1 基于物聯網的礦山電氣工程管理方法設計

1.1 構建物聯通信網絡

在礦區(qū)范圍內設置測點，根據被測數據類型選擇合適的傳感器設備，安裝在測量點位置，通過傳感器設備間的數據傳輸和共享形成礦物聯通信網絡。構建物聯網時，要求能夠傳輸語音、圖像這種技術應用于礦山電氣工程管理工作中，以期能提高礦山電氣工程建設的整體水平[2]。為實現TCP/IP網絡直接雙向通信，方便網關接入。圖1顯示了所建立的礦物聯通信網的基本連接結構。

圖1 礦山綜合物聯通信網絡拓撲圖

在礦井物聯網中，網絡中具有相應算例的節(jié)點根據共識算法來確定是否完成數據傳輸任務。該網絡運行程序在數據傳輸狀態(tài)下，被劃分為節(jié)點分工、數據加密和數據共識三個部分，并對節(jié)點管理模塊、加密模塊和共識模塊進行模塊化處理。NodeManagement模塊負責管理網絡中的各個節(jié)點，實現節(jié)點的識別、權限控制和劃分等功能[3]。對傳輸數據進行加密處理，防止數據在傳輸過程中被惡意篡改、偽造甚至竊取，保證數據的真實性和可信度。協議模塊的設計是基于物聯網絡中相應節(jié)點的算力，不需要引入新的設備。協商一致模塊通過具有相應算力的網絡節(jié)點對數據的有效性達成協商一致，減少誤報。礦物聯通信網的數據層可將網絡上傳的數據臨時存儲起來，網絡節(jié)點可通過該層進行實時數據傳輸。信息驗證層根據PBFT算法對數據層中臨時存儲的數據進行驗證，當經過指定數目的驗證節(jié)點驗證后，數據才會存儲在存儲節(jié)點中。

1.2 控制礦山電氣工程設備

礦井電氣工程主要分為通風、采掘供電兩大部分。為了控制礦井電氣工程設備，首先需要利用物聯通信網絡實時采集和傳輸設備運行數據。利用實時數據，采用遠程控制的方式，實現礦井通風設備的遠程控制，滿足礦井開發(fā)工作的通風安全性。通風設備是以集中控制、分散記錄為核心的控制方式，在礦井不同位置設置監(jiān)測分站，通過動態(tài)檢測風壓、風量、氧含量、溫濕度等信息，并將信息傳送到主站集中處理，同時配合自動化系統，擴展通風系統的報警、記憶等功能，實現對通風設備的有效控制。但由于采煤供電部分的存在，使得地下礦山無支護采場的開發(fā)成為可能。在采礦工程中，所有的開采和生產活動都可以通過地面的控制中心進行，包括測量、開礦、爆破和鏟運機的裝卸等。將控制器設備安裝在受控設備上，并連接到物聯通信網絡。電腦控制臺根據相應傳感器所采集的信息來控制機器運行。通過遙控和自動化，在減少施工人員的同時，縮短了班次和休息時間，提高了設備的利用率。

1.3 礦山開采設備供配電保護

礦山開采設備的供配電保護主要針對電氣過載情況下的設備保護，采用反時限保護元件的方式，通過動作實現自然地與被保護物體上的電流大小相配合。根據礦井電工作原理，將其分為一般、特殊和極化三個階段，可方便地完成反時保護模式間的切換，三種不同反時限保護元件的動作可表示：

上式中參數I和Ip分別表示的是礦山開采電氣設備的最大相電流和啟動電流，tp為時間常數，最終的計算結果t為理論保護動作時間。

1.4 動態(tài)診斷礦山電氣工程故障

采用物聯網技術，有效解決了上述問題。其主要目標是對系統故障進行定位和分析，提前制定防范措施，使系統故障造成的損失最小化。對礦井電氣工程中漏電、短路故障進行動態(tài)診斷；泄漏故障會使電網對地絕緣降低，通過在電網與大地之間連接一個獨立的直流電源，通過流過三個相對地絕緣電阻的直流電源的大小，可以反映電網中絕緣電阻的變化。設置電氣線路的絕緣電阻為R0，并將實時檢測的電阻與R0進行比對，從而判斷當前礦山電氣工程是否存在漏電故障。同理可以對礦山電氣工程中的電氣設備以及線路短路故障進行動態(tài)檢測與診斷。

2 應用效果測試實驗分析

以測試應用物聯網下設計的礦山電氣工程管理方法為目的，設計應用效果測試實驗。實驗選擇某處于開發(fā)狀態(tài)的礦山工程作為研究實例，該采場分為平原和山地兩種地形，露天采場地勢平坦，投產后即進入深凹開采。該礦礦石品位較低，年產量約1580萬噸，礦石平均運距3.5 km。在該礦山項目的電力工程中，電氣設備的具體準備情況如表1所示。

表1 礦山電氣設備配置表

實驗設置了傳統的電氣工程管理方法和文獻[2]中提出的基于工程自動化技術的礦山電氣工程管理方法作為實驗的兩個對比方法。應用效果實驗主要對礦山電氣工程的管理效果進行對比，具體體現在電氣設備的工作效率和故障次數兩個方面，設置相同的礦山施工任務，通過分析相同開采任務下電氣工程的完成時間來反映工程管理效率。經過相關數據的統計和對比，得出應用效果測試實驗結果，如表2所示。

表2 應用效果測試實驗結果

從表2中可以看出，應用效果測試實驗采用多次實驗得出結論的方式，由此來保證實驗結果的可信度。通過對表2數據的分析，三種礦山電氣工程的平均管理耗時分別為11.69h、8.76h和6.58h。由此可見，通過物聯網的應用有效的提升了礦山電氣工程的工作效率，并降低故障發(fā)生的概率，具有較高的應用效果。

3 結語

針對目前礦山電氣技術不斷更新和發(fā)展的情況，也相應地對煤礦電氣工程管理提出了更高、更新的要求，這就要求煤礦電氣工程管理人員要有嚴謹科學的態(tài)度和工程質量意識。運用物聯網技術，促進礦山電氣工程及整個工程項目的健康、可持續(xù)發(fā)展，從而為國家、企業(yè)帶來良好的經濟和社會效益。