煤礦井下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時集控、自動調(diào)控與風險預控系統(tǒng)研究

（供稿：晉能控股山西科學技術研究院有限公司同大科技研究院 景珂寧）

研發(fā)起止時間：2018.07～2020.12

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團有限公司、沈陽智慧云新元測控技術有限公司、晉能控股山西科學技術研究院有限公司、晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦有限公司、大同煤炭職業(yè)技術學院

成果水平：國際領先

1 項目背景

該項目于2021年4月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際領先水平。

目前我國煤礦生產(chǎn)中使用的各類異構監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)多達二十余種，重復投資、重復布線、互不兼容、不能實現(xiàn)關聯(lián)監(jiān)測監(jiān)控與互聯(lián)互控，已經(jīng)成為智能化開采必須解決的關鍵技術難題。因此須研究解決傳感器等測控單元的兼容與通用性問題，開發(fā)基于多系統(tǒng)融合的綜合通用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)平臺。另外，煤礦工作面生產(chǎn)效率的提升與瓦斯防治是一對矛盾，瓦斯防治技術進步促進了產(chǎn)能的釋放，生產(chǎn)效能的提升反過來又增加了瓦斯涌出量。特別是放頂煤技術與綜合自動化技術的快速發(fā)展，煤炭產(chǎn)量成倍增加，給瓦斯治理帶來嚴峻挑戰(zhàn)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯超前實時預測自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)強度，從而避免瓦斯超限，待瓦斯?jié)舛认陆档较拗狄韵驴稍黾由a(chǎn)強度提高產(chǎn)量，切邊運行，實現(xiàn)瓦斯與生產(chǎn)的動態(tài)平衡，解決瓦斯與生產(chǎn)之間的矛盾關系，具有重大意義。

2 研究內(nèi)容

（1）安全實時預測預警技術：建立高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井安全風險大數(shù)據(jù)超前感知與預測預控系統(tǒng)。以瓦斯、火、頂板為隱患目標對象，建立分級報警、超前預警、分級管理、網(wǎng)絡調(diào)度及時響應的安全體系，實現(xiàn)全方位監(jiān)測與超前預警，建立煤礦生產(chǎn)過程結構化模型與安全風險分級報警分級管理技術；構建安全風險大數(shù)據(jù)分析模型，實現(xiàn)安全風險大數(shù)據(jù)分析平臺構建與大數(shù)據(jù)分析。

（2）基于預測預警的采煤機自動優(yōu)化調(diào)控技術：研究基于瓦斯實時預測結果動態(tài)優(yōu)化調(diào)控工作面開采強度新技術，實現(xiàn)預測隱患控制與生產(chǎn)聯(lián)動，從而保證礦井安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

（3）地面多網(wǎng)融合集成監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)：對礦井安全與生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)大數(shù)據(jù)綜合集成，實現(xiàn)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員監(jiān)測、語音廣播、抽采監(jiān)測、頂板監(jiān)測等安全與生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)地面融合大數(shù)據(jù)綜合集成測控與實時調(diào)度。

（4）井下工業(yè)以太網(wǎng)IP 總線新一代監(jiān)控系：井下工業(yè)以太網(wǎng)IP 現(xiàn)場總線技術與LonWorks 神經(jīng)元現(xiàn)場總線多網(wǎng)多系統(tǒng)井下融合實時監(jiān)測監(jiān)控。

（5）開展井下多系統(tǒng)融合綜合自動化測控系統(tǒng)平臺試驗：測試接口協(xié)議、接入器邊緣計算裝置、融合軟硬件平臺。

（6）開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)APP 平臺：地面控制中心與手機APP工作面遠程開采實時監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

3 主要研究成果

（1）開發(fā)的煤礦多系統(tǒng)融合綜合通用實時監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，其中IP總線解決底層控制協(xié)議升級到以太網(wǎng)關鍵技術問題，實現(xiàn)IP 到底，井下多系統(tǒng)融合開放式接口協(xié)議與接入控制器解決異構系統(tǒng)傳感器級別的互聯(lián)互控關鍵技術，嵌入式集控中心站提供功能更強的邊緣計算控制中心能力，將整個礦井各類監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)融合為一體，提升了監(jiān)測監(jiān)控技術水平。

系統(tǒng)組成與原理：在現(xiàn)場總線中增加了IP技術的應用，現(xiàn)場的設備已經(jīng)不需要網(wǎng)關連接，都有各自的IP 地址；減少了網(wǎng)關的使用，網(wǎng)絡連接更多使用路由器。IP 以太網(wǎng)現(xiàn)場總線在煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)井下融合系統(tǒng)中的位置在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多系統(tǒng)融合中IP 總線位于測控底層傳輸，參見圖1。

圖1 IP總線與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關系

（2）研發(fā)了基于工作面瓦斯實時預測的安全風險智能化實時預測與產(chǎn)能聯(lián)動自動優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)瓦斯監(jiān)測與生產(chǎn)強度聯(lián)動智能實時調(diào)控，解決了高強度生產(chǎn)與瓦斯超限的矛盾，即避免瓦斯超限又提升生產(chǎn)效率，有效解決提升生產(chǎn)效能受瓦斯制約問題。工作面采煤機優(yōu)化調(diào)控需要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲、預處理、實時預測、執(zhí)行控制、通訊、廣播等大量系統(tǒng)功能，該嵌入式集控中心站采用安卓操作系統(tǒng)，實現(xiàn)采煤機無線控制功能。包括無線網(wǎng)絡組網(wǎng)，由網(wǎng)絡通訊單元、無線網(wǎng)關、控制之下單元等組成。井下集控中心站或地面主機通過有線方式到達工作面，然后通過無線網(wǎng)關進入zigbee無線網(wǎng)絡，通過無線通訊單元，傳遞到控制單元執(zhí)行控制。地面遠程監(jiān)測控制中心，包括系統(tǒng)設置、井上下數(shù)據(jù)通訊、狀態(tài)顯示、預測與對比檢驗、井上下語音廣播報警通訊等功能。語音廣播報警與通訊系統(tǒng)可自動進行預警與報警廣播，可布置在采掘工作面。

（3）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多系統(tǒng)融合集成測控與風險預控系統(tǒng)作為多系統(tǒng)融合的軟件監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了基于位置的面域集成監(jiān)控、各生產(chǎn)過程關聯(lián)監(jiān)控生產(chǎn)過程集控、安全風險集控與風險預控、安全與生產(chǎn)關聯(lián)自動調(diào)控。基于位置面域圖集成監(jiān)控解決各安全與生產(chǎn)過程基于位置的關聯(lián)關系，區(qū)域位置安全與狀態(tài)關系，直觀可視，一目了然；可實現(xiàn)井下無人化與少人化地面遠控與自動優(yōu)化調(diào)控；生產(chǎn)過程多系統(tǒng)融合綜合實時集控與調(diào)度處理；優(yōu)化生產(chǎn)過程與工序環(huán)節(jié)；煤礦安全與生產(chǎn)大數(shù)據(jù)風險分級報警分級管理與分布式處理；煤礦安全與生產(chǎn)高效率運行；基于大數(shù)據(jù)挖掘與分析的科學決策支持；多系統(tǒng)集成監(jiān)測監(jiān)管減少值班人員與設備投入。

（4）開發(fā)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP 強實時遠控與分級報警分級管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了手機端瓦斯、頂板、人員等融合系統(tǒng)的集成關聯(lián)監(jiān)測與遠程強實時控制功能，直接作為調(diào)度處理客戶端，實現(xiàn)安全風險的分級報警、分級管理以及分級調(diào)度，為現(xiàn)代化管理與網(wǎng)絡化管理提供新的管理模式與技術手段。

圖2 主界面

4 應用效果

本研究以塔山礦為依托，從基礎數(shù)據(jù)調(diào)研、室內(nèi)試驗、理論研究、現(xiàn)場實測驗證等方面，在對煤礦井下安全監(jiān)控等十個子系統(tǒng)融合的基礎上，建立了煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時集控、自動調(diào)控與風險預控系統(tǒng)平臺，開發(fā)出了多系統(tǒng)融合生產(chǎn)過程集成監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)、安全風險預控系統(tǒng)及分級報警、分級管理、分級調(diào)度跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于工作面瓦斯實時預測的生產(chǎn)強度自動調(diào)控，為智能化開采提供了技術基礎。該項技術成果的成功應用有效解決了高產(chǎn)高效工作面瓦斯問題與提升生產(chǎn)效能受瓦斯制約問題，既可避免瓦斯超限又可提升生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，具有十分廣泛的推廣應用前景。