礦用設備協同管控與安全生產智能調度系統的分析應用

宋俊晟

（沁和能源集團有限公司永安煤礦，山西 晉城 366099）

1 項目概況

沁和能源集團有限公司永安煤礦位于山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮，井田面積4.76 km2，地質儲量255.4 萬t，設計生產能力60 萬t/年。主要開采沁水煤田山西組3 號煤層，煤種屬高變質1 號無煙煤，發熱量大，機械強度大，灰分低，含硫低。

在研究智能煤礦建設需求的基礎上，永安煤礦結合礦山生產設備管理以及安全生產的具體需求，圍繞礦山設備協同管控、在線診斷及安全生產智能調度的理論、技術和方法，在交互平臺基礎上，建設礦山設備協同管控及安全生產智能調度系統，通過大數據技術，使數據驅動與知識驅動相結合，實現設備協同管控、智能生產調度、在線故障診斷的智能輔助決策，實現礦山的安全、高效生產。設備協同管控及安全生產智能調度系統項目從2020 年8 月10 日進駐永安煤礦現場實施，在永安煤礦公司各級領導的大力支持下，在機電信息部各位技術人員的大力配合下，已基本完成項目建設內容。

2 設備協同管控與安全生產智能調度系統的建設內容

建設內容有：設備協調管控系統，主要是完成主煤流各設備協同分析；安全生產智能調度，完成井下煤流系統線路優化；煤流運輸設備在線診斷，完成皮帶系統效率分析；大型機電設備故障診斷系統，完成對通風機等大型機電設備數據智能分析與故障診斷；應用系統集成展示，完成任務調度、三維可視化、用戶權限、數據標準化建設[1-3]。

2.1 設備協調管控系統

設備協同管控系統可以實現實時監測、協同管控模型、模型訓練和歷史記錄四項功能。

對1～3 號電機電流、提升機電流、一部皮帶交流電壓、二部皮帶終端電壓、風機入摳溫度、一部皮帶皮帶打滑、左二級跑偏等進行實時監測。

將每一個設備管理層次視作一個設備智能協同管控模塊，將多個設備智能協同管控模塊在物聯網環境中按業務應用需求進行組合就可以構建協同管控模型。

對煤流運輸系統的歷史數據進行預處理，進行數據清洗與標柱后，就可以構造數據集，從而應用xgb、LR、感知機、SVM、決策機構建多智能體學習模擬訓練體系，實現在線智能決策，進而實現協同管控任務調度，如圖1 所示。

圖1 協同管控管控模型訓練示意圖

2.2 安全生產智能調度系統

在生產資源模型和生產業務流程模型的基礎上，構建一種智能調度算法，為永安煤礦井下生產過程的智能調度提供參考依據，實現生產的協同管控，同時還能對協同度進行評價，其技術實現路線如下頁圖2 所示。

圖2 智能調度算法圖

新建礦井的調度是針對新建的礦井建設規劃調度建模，井下生產調度是針對己經建好的煤礦安全生產任務調度輔助決策建議。

2.3 煤流運輸設備在線診斷系統

永安煤礦主要是對一部皮帶系統和二部皮帶系統進行在線診斷。皮帶檢測在線診斷算法模型為：對帶式輸送機運行數據進行采集→帶式輸送機實時工況顯示→帶式輸送機健康狀態評價指標設計→帶式輸送機的健康狀態顯示。

2.4 大型機電設備故障診斷系統

2.4.1 通風機

永安煤礦對于主通風系統的故障診斷系統主要有實時監測和風機狀態分析兩大部分。用戶通過左側模型樹定位具體的部件模型，并同時顯示該部件傳感器的實時數據。通過圖表的分析展示了風機的核心傳感器的實時數據和實時數據曲線。

2.4.2 提升機

永安煤礦對于提升機系統的故障診斷系統主要是通過傳感器數據進行。可以對提升機的啟動、制動系統、液壓梓潼、電控系統、閘瓦間隙、制動盤偏擺量、閘控、制動油壓、安全回路的健康狀態進行直觀表達，并顯示出相應的能量轉換效率。

2.5 應用系統集成展示

1）定時任務管理：實現業務、數據處理的定時執行。

2）緩存管理：將系統核心基礎數據存放到內存中，便于前端展示界面實時調用。

3）數據采集管理：實現自動化數據的實時采集。

4）數據標準化管理：將系統接入的自動化實時數據進行標準化管理，便于算法及實時展示界面調用。

5）門戶管理：主要是做好用戶管理、角色管理、菜單管理、sql 監控管理、日志管理、數據字典管理等基礎功能。

3 系統技術分析

3.1 系統架構

3.1.1 技術架構

系統技術架構如圖3 所示。

圖3 系統技術架構示意圖

從圖中可知，系統由采集層、存儲計算層、服務層、應用層四個層面組成。展現層主要有VUE、Elementui、Echar、Canvas、WebGL 技術。服務層的應用支撐主要有Application、WebWervice 等，批量數據有SFTP 技術，實時數據有Kafla、MQ 等。存儲計算層主要有MYSQL 關系數據庫、內存數據庫Redis、時序數據庫Influxdb。采集層主要有設備、采集點、熱交換數據。

可以實現以下能力：數據采集、數據存儲、批量計算、實時/準實時計算、查詢技術、擴展性設計等功能。

3.1.2 數據流向

系統數據流向如圖4 所示。第一步，多樣化、規模化設備場景：對采掘設備、機電設備、掘進設備、運輸設備、泵毆打設備、鍋爐設備的數據進行采集；第二步，邊緣計算海量接入、可行可靠連接：對數據進行以下處理過程，數據編碼→協議轉換→數據處理→閥值預警→實時分析→數據上傳→數據安全→消息通知；第三步，存儲計算：主要是流式計算、時序數據、數據存儲；第四步，數據應用：三維可視化和算法驅動，提供應用。

圖4 系統數據流向示意圖

3.1.3 系統前端開發

在該系統前端開發中，在vue 中通過SVG、Canvas 和WebGL 來實現系統的數據可視化及三維展示；采用Web SCADA 組態編輯器軟件，實現煤礦智能控制讓三維可視化監控。然后通過設備真實采集的數據驅動三維模型來進行虛擬結合真實的監控平臺。用戶在云端直接進行矢量行業圖標編輯、三維模型擺放、場景構建及量測數據綁定配置，一鍵式無縫發布到桌面和移動終端，實現純HTMLS 一體化的開發流程平臺，具有輕量、高效、易用和跨平臺等特性。

3.2 現場部署情況

礦用設備協同管控與安全生產智能調度系統在永安煤礦現場部署后，系統各部分的工作情況如下。系統前端，主要是實現Web 訪問界面；系統后端，主要是程序業務處理；通風機分析算法，對通風機、電機大數據分析；皮帶、提升機分析算法，一部、二部皮帶、提升機大數據分析；協同管控分析算法，主煤流設備協同管控大數據分析；安全生產智能調度，以生產資源模型和業務流程模型作為輸入量，通過計算能力條件、限制因素等方面的匹配，形成生產智能調度算法[4-6]。

4 結論

截至2021 年6 月1 日，沁和能源集團永安煤礦的設備協同管控與安全生產智能調度系統已全部完成建設，并投入煤礦現場的實踐應用中。從當前應用效果可知，系統整體運行情況理想，系統功能達到設計的要求。設備協同管控與安全生產智能調度系統應用后，可以對永安煤礦井下開采設備實現協同管控、在線診斷與智能調度服務，為實現永安煤礦智能礦山的建設目標奠定了基礎。