物聯網技術提升煤礦機械生產企業運營水平的探索

趙鐵軍

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

1 概況

在“雙碳”的大背景下，節能增效、低碳賦能是當代企業的主題，利用新興的物聯網技術對企業日常運營中的能耗實施監測、管控，及時發現運行異常、浪費現象和設備維護問題，節能增效、減少設備故障率、保障安全生產運行時間，提高企業生產運營水平。

物聯網技術是發展數字經濟的重要支撐，正在推動經濟社會迎來前所未有的發展機遇，在推動產業轉型升級、促進節能減排等方面發揮著重要作用，助力企業向著實現高質量發展、高效率治理的目標不斷邁進。

2 物聯網技術在工礦企業中的應用

物聯網具有互聯化、自動化、感知化等特性，它是基于互聯網等傳統信息承載體，通過傳感設備，實施監控、采集、信息交互，實現物與物、物與人的互聯互通的平臺。

工礦企業根據RS-485總線工業標準約定，通過智能儀表和傳感器采集所需信息，可以把用能設備設施與網絡連接，實現泛在感知、信息傳輸和智能處理。企業有關人員可遠程通過PC端或手機端實時獲取與權限匹配的生產運行狀態及數據。

3 公司物聯網能耗監測系統簡介

3.1 系統實施規劃

公司占地63.8萬m2，生產車間19個，生產過程中主要消耗水、電、氧氣這3類能源。

由于不同的車間能耗各有側重，公司存在監測點分布廣、覆蓋面大、工序分級層次多等實際問題。經多方論證，考慮分2期實施，第一期涵蓋15個單位60個監測點，如10kV開閉站、各車間的一、二級計量點。第二期對未納入監測的部分予以補充；對于已經納入的部門，著重完善重點耗能設備的監測。

3.2 系統網絡搭建

能耗監測物聯網主要分3層。感知層是由各種儀表和傳感器組成，作用是獲取現場數據；傳輸層由監控終端采集器和開關量采集單元組成，作用是轉換數據模式，處理及傳輸數據；統計計算層由主站服務器、大屏幕組成，統計分析數據、展示計算結果，方便做出決策，見圖1。

圖1 物聯網能源監測系統圖

3.2.1 具備RS-485總線標準的各類儀表、傳感器

智能水表：提供精準的用水信息，顯示瞬間流量和累計流量。智能電表：提供精準的電量信息，實時傳輸電量數據。智能氧氣表：采用渦街原理，抗震性能好，無零點漂移，方便聯網。

小電流接地選線裝置：具有實時數據分析裝置自動選線功能，濾除干擾信號，選線正確率100%。

水浸傳感器：水浸情況發生時自動報警，選用長壽命、高可靠性，長時間浸泡也不會發生電泳極化的傳感器；

煙感報警器：通過監測煙霧的濃度來防范火災，選用光電傳感模式的煙霧探測裝置。

3.2.2 開關量采集單元

開關量采集單元是專為配電、工業自動化現場等領域開發設計，具有遙信功能，用于將傳感器產生的信號轉換成便于通訊傳輸和識別的信號。在本系統里將水浸、煙感傳感器產生的有源或無源開關量信號接收，再轉換為統一的RS485通訊數字信號。

3.2.3 監控終端采集器

監控終端采集器是終端設備與系統平臺間的數據交互橋梁，是網絡主站與智能水、電、氧氣表及傳感器之間的通訊接口設備，具備數據采集、規約轉換、邊緣計算、數據上傳等功能。

主要功能有：

（1）數據采集。支持串口、以太網，智能配置、兼容標準電力規約的各類儀表。

（2）數據上傳。具有多平臺上傳的能力。

（3）邊緣計算。靈活的報警閾值設置、本地數據存儲、主動上傳報警信息、數據合并計算、斷點續傳、數據加密。

（4）開放的路由網絡方式，根據實際情況，傳輸方式可選擇4G或5G。

（5）遠程管理。遠程配置、遠程升級、遠程監視。

（6）將一個區域內所有通訊數據匯總后，實時上傳主站系統，它具有多個下行通訊接口及1個或多個上行網絡接口，例如，針對熱鍍中心區域內6塊智能電表的數據匯總，上傳主站。

3.2.4 系統工程實施及網絡上傳設計

智能電表、水表、氧氣表通過RVSP2*1.0線纜手拉手相連引至區域內的監控終端采集器。要注意的是線纜屏蔽層要做接地處理，這樣可以起到較好的抗干擾作用。

不具備智能性質的煙感報警器、水浸探測器，首先要與開關量采集單元相連，然后開關量采集單元再通過RVSP2*1.0線纜與監控終端采集器相連。

監控終端采集器可選擇4G、5G或有線網絡的方式，將數據傳輸至系統平臺。用戶可根據自身需求選擇合適的通訊方式，將性價比和可拓展性貫穿在項目設計當中。在終端監控的儀表和傳感器數量還不多，以及還沒有實時視頻數據傳輸要求時，采用有線或4G網絡，降低成本。

隨著終端監控數量的增多，采集內容、頻次的增加，將會有海量數據的產生，甚至未來有可能使用巡檢機器人來承擔一部分監測工作，數據種類趨向多樣性，包括數據信息、視頻監控、安全信息等，數據的實時性要求高時，采用5G網絡，它的大帶寬、低延時、海量數據傳輸速率高，并配合邊緣計算的功能，可有效解決4G網絡所帶來的瓶頸問題。

4 物聯網管理系統

4.1 系統組成

物聯網管理系統具有2層網絡結構，首層是由具有電力監控功能的物聯網斷路器組成，它集用電數據采集及傳輸于一體；第二層是由PC或手機監控終端組成，用于查看設備狀態和發送調控指令，見圖2。

圖2 物聯網安全用電管理系統圖

4.2 具有電力監控功能的物聯網斷路器

物聯網斷路器在正常電路條件下能夠連接互聯網，可以接通、承載以及分斷電流，也能在規定的非正常電路條件（例如短路）下接通、承載一定時間和分斷電流的機械開關電器。由斷路器主體模塊、通訊傳輸模塊、電源模塊組成。

在傳統斷路器基礎上增加了電壓、電流、電量、開關狀態、電弧、三相不平衡、線路溫度及漏電情況的實時監測功能和手自一體控制管理，具備全電量采集和參數閥值設定功能，可實現異常數據預警、報警機制，把電氣安全事故扼殺在萌芽之中。

管理者可通過電腦或手機遙控斷路器的開斷，用物聯網管理軟件來實現集中和分區域的電能供給管理。

斷路器主體模塊：主體模塊包含有電機、齒輪和過電流檢測電路板。當主回路出現過電流時，安裝于斷路器內的電流互感器二次側輸出信號至過電流檢測電路板，過電流檢測電路板判斷電流值超過預設動作閾值時，輸出信號驅動電機使斷路器脫扣，實現長延時過流保護。

通訊傳輸模塊：支持雙向互聯網通訊，支持NBIOT/2G/4G/Zigbee/485通訊方式，支持有線以太網通訊，具有100M網口（RJ45)，無線WiFi功能，內置2.4GWiFi功能，自帶熱點，支持向下串口通訊功能、數據計算分析存儲功能。

電源模塊：AC110～260V（超寬電壓工作范圍），輸出電壓：DC12V。

4.3 節能管控應用

本著先探索，獲取經驗，穩步推進的原則，物聯網管理系統首先應用在了公司路燈照明管理上。

公司有200余盞路燈分布在廠區各地、覆蓋區域大。原路燈設計采用定時器控制，每隔一段時間就需要人為調整開關燈時間，維護管理工作量較大。管理人員不能隨著天黑天亮時間變化而實時調整開啟關閉時間，這樣有可能造成早開燈晚關燈的現象，從而產生能源的浪費，無法做到精細化管理。

加裝物聯網安全用電控制管理后，根據日出日落自然規律，四季日照差別和企業實際運營狀況，通過網絡統一下發開關燈時間，實時優化路燈控制策略，在滿足路燈照明的前提下，遠程精細化控制開關燈時間，節約了電能。

4.4 電氣安全應用

實現對重點回路、設備用電的實時監測、閥值設定、電氣故障及故障類型的預警、報警。讓電力維護人員清晰了解用電異常信息、精確定位異常用電回路，便于快速解決用電故障，有針對性的進行線路改造和優化。

目前公司路燈系統開啟方式為時控器定時控制接觸器吸合方式，缺乏保護手段，當預埋線路老化，發生漏電、短路或者電纜發熱等安全隱患時，無法第一時間發現，這樣就需要安排專職人員定時巡檢。尤其是雨雪天氣時易發生線路漏電，人員途經路燈桿附近時，容易造成漏電傷人事故。

安裝物聯網安全用電管理系統后，可對路燈運行進行實時監控，當用電線路發熱、過載、過欠壓漏電等故障時通過平臺或App實時將預警、報警信息推送給管理人員進行合理處置，最大程度預防電氣線路著火和人員觸電事故發生，也可實時遠程脫扣管理，定時開關及經緯度開關燈，實現用電的智慧化管理，同時運行管理人員無需現場巡視即可實時觀察路燈運行狀態及電氣安全分析，預防電氣故障發生，減少財產損失，減少人員巡檢、維護管理費用。

4.5 智能運維應用

目前公司的3#、4#泵站所在位置為廠區外圍，其作用是生產用水供給，處于無人值守狀態，因此當用電回路發生故障時不能及時察覺，只有等生產現場反饋無水后才能知曉，這樣會對生產造成很大的影響。

安裝物聯網管理系統后通過PC端或者手機App實時監測供電電源、循環水泵的運行情況，同時當供電線路存在用電安全隱患時可提前預警，避免造成設備損壞，減少維護成本。同時，所有設備的用電量實現以年、月、日為單位的數據統計分析、查詢及導出表格，便于管理人員掌握設備同比、環比的能耗變化，進行針對性的運維管理。

5 思考

大數據時代，數字化運營改變著企業的傳統運營模式。一方面企業利用物聯網技術獲取生產生活中的大量實時數據，另一方面這些數據通過多維度的統計、對比、分析，對企業本身的頂層設計、經營管理帶來更高的價值。

6 結語

物聯網技術是企業數字化經營的基礎，這是一個不斷優化和迭代的過程，隨著技術的進步，將會有更多的企業運營要素被納入監測、管控范圍。

物聯網發展的燎原之勢，為高質量發展賦能助力，生產制造企業緊跟物聯網技術發展動態，將物聯網技術應用到生產制造過程中，讓物聯網技術成為企業轉型升級發展的新動力，堅持創新驅動發展，共建物聯網生態系統，實現互聯網技術與智能制造的深度融合，為經濟高質量發展提供內生動力。