基于矿山物联网的设备动态管理系统.pdf

第 3 9卷 第 5期 2 0 1 3年 5月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd Mi n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 3 9 NO ． 5 M a y 2 0 1 3 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 5 0 0 1 6 0 4 D OI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 5 陈铎 ， 王刚． 基于矿山物联 网的设备动态管理系统I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 5 1 6 1 9 ． 基于矿山物联网的设备动态管理系统 陈铎 ， 王 刚。 1 ． 神 华 宁夏煤业 集 团有 限责任公 司 羊场湾 煤矿 ， 宁 夏 灵 武 7 5 0 4 0 9 ； 2 ． 中国矿业 大学 物联 网 感 知矿 山 研究 中心 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对现有的台帐式矿 山设备管理 系统存在人 为因素影响大、 过维修或欠维修状况明显、 无法及 时 了解运行设备状态等问题 ， 提 出了一种基于矿山物联 网的设备动态管理 系统的设计方案。该 系统在原有 台 帐 式设备 管 理 系统 的基础 上增加 了设 备运行 状 况的分 析处理 功 能 ， 实现 了矿 山设 备 的动 态管理 ； 基 于矿 山物 联 网的开放 式 架构 ， 只 需在感 知层接 入相应 的传 感 器即可在 应 用平 台上 获得数 据 ； 采用 L a b VI E W 软 件 实现 数 据采 集与 处理 ， 采 用 S i l v e r l i g h t 技 术 实现信 息发 布 ， 增 强 了 系统 的友 好性及 易用性 。 关键 词 矿 山设 备 ；设备 动 态管理 ；设备 状 态监测 ；矿 山物联 网；开放 式架构 ； 感知 层 ；网络 化传感 器 中图分类 号 TD 6 7 文献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 3 0 4 2 8 0 9 0 3 网络出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 4 2 8 ． 0 9 0 3 ． 0 0 5 ． h t ml Dy na mi c ma n a g e me nt s y s t e m o f d e v i c e s b a s e d o n mi ne I nt e r n e t o f Thi n g s CHEN Du o ， W ANG Ga ng 。 1 ． Ya n g c h a n g wa n Co a l M i n e ，S h e n h u a Ni n g x i a C o a l I n d u s t r y Gr o u p C o． ，L t d． ，Li n g wu 7 5 0 4 0 9 ，Ch i n a 2． I OT Pe r c e pt i on M i ne Re s e a r c h Ce nt e r，Chi na Uni v e r s i t y of M i ni ng a n d Te c h no l o gy， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r p r ob l e ms o f a r t i f i c i a l i n f l ue nc e，o ve r ma i nt e na n c e or i 1 1 一 m a i nt e na nc e ， u n a bl e t o r e f l e c t r e a l t i me s t a t u s o f r u n n i n g d e v i c e s e x i s t e d i n a c c o u n t s t y l e mi n e d e v i c e s ma n a g e me n t s y s t e m ，a d e s i g n s c he m e o f dy n a m i c ma n a g e me n t s y s t e m of d e vi c e s ba s e d o n mi ne I nt e r ne t o f Thi n gs wa s pr o po s e d．The s y s t e m a dd s a f u nc t i o n o f a na l y z i n g a nd pr o c e s s i n g r u nni ng s t a t us of mi ne d e v i c e s o n b a s i s of t h e a c c o un t s t yl e d e v i c e m a na g e me nt s y s t e m ，S O a s t o r e a l i z e d y na m i c ma n a g e me n t o f mi ne d e v i c e s．Th e s y s t e m i s ba s e d o n o pe ni n g a r c h i t e c t u r e of m i ne I n t e r n e t o f Th i n gs，t h us i t c a n ge t m o n i t o r i ng da t a f r o m a pp l i c a t i o n pl a t f o r m i f c o r r e s po nd i n g s e n s o r s a r e c o nne c t e d i n s e ns i ng l a y e r ．M e a nwhi l e，t he s y s t e m us e s La bVI EW t o c o l l e c t a nd p r oc e s s d a t a a n d S i l ve r l i gh t t e c h no l og y t o pu bl i s h i nf or m a t i o n，S O a s t o i mpr o v e f r i e n dl i n e s s a nd us a bi l i t y o f t he s ys t e m ． Ke y wo r ds mi ne de v i c e；d yn a mi c m a na g e me n t o f d e v i c e；s t a t us mon i t o r i n g o f d e v i c e；mi ne I nt e r ne t of Th i n g s ；o p e n i n g a r c h i t e c t u r e ；s e n s i n g l a y e r ；n e t wo r k e d s e n s o r 0引言 目前 ， 矿山设备管理仍以台帐式管理为主 ， 管理 内容主要包括设备型号、 价值 、 折旧、 维修维护记录、 备品备件等 。该种管理方式主要反映矿山设备 的静 态情况 ， 不能反映设备运行 中的动 态状 态， 主要弊 端 费时费工费力， 人为因素影响大 ， 过维修或欠维 修状况明显 ， 不能通过设备管理及时了解运行设备 的健康状态等 。煤矿设备故障特别是大型关键设备 突发性 事故 时有发 生 ， 影 响 了煤矿 安全 生产 。因此 ， 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 9 。 基金项 目 国家科技支撑子课题 2 O 1 2 B AH1 2 B O 2 ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目 2 0 1 0 QNB 2 9 ， 2 0 1 2 B Z BI 8 。 作者简介 1 9 7 5 一 ， 男 ， 宁夏固原人 ， 工程师 ， 主要从事矿 山综合 自动化方面的研究与应用工作， E - ma i l 1 9 7 5 c h e n d u o 1 6 3 ． t o m。 2 0 1 3年 第 5期 陈铎 等 基 于矿 山物联 网的设备 动 态管理 系统 1 7 有必要研究矿山设备动态管理技术。 设备动态管理是将设备实时运行状况作为设备 管理 的重要内容 ， 并根据设备运行状况动态安 排维 修计划及备品备件等 。现有针对设备动态管理 的研 究成果中， 参考文献[ 1 ] 主要讨论了设备动态管理的 软件架构 ； 参考文献E 2 3 主要从维护资源需求计划的 角度 ， 讨论了动态管理集成系统 ； 参考文献E 3 3 讨论 了 I n t e r n e t 网络在设备远程状态监测与故障诊断 中 的作用； 参考文献E 4 3 提出通过人工点检 的方式将煤 矿设备的运行状况加入到设备管理中去。除参考文 献E 4 3 F ， 其他文献均不是针对矿山系统 的， 具有一 定 的局 限性 。 矿山物联网的开放式架构为矿山设备动态管理 提供了可能 。参考文献 [ 5 6 ] 给出了矿 山物联网的 开放式架构 。该开放式架构与具体应用无关 ， 使 得 第 三方 能更 加专 注于 自己擅长 的服 务 。基 于该开 放 式 架构 ， 本 文提 出一 种 设 备 动 态 管理 系统 的设 计 方 案 。该 系统 基 于矿 山物联 网技 术 ， 综合有 线 、 无线 技 术 ， 采用多参数或网络化传感器对矿山设备运行的 多参数信息进行监测 ， 通过时空信息分析算法得 出 设备的整体运行状况。 1 系统 功能 模块 基 于矿 山物联 网的设备 动态 管理 系统 在原 静态 管理系统 的基础上， 增加设备运行健康状态监测功 能 ， 即对设备的运行状态进行监控 ， 预测设备的可靠 性 ， 及时发现设备故障的早期征兆 ， 预报故 障发展趋 势 ， 并提供 维修 意见 和措施 。其 主要 功能模 块 如 图 1所 示 。 图 1系 统 功 能 模 块 基 础管 理模 块 主 要 实 现基 本 信 息 维 护 、 系 统 规 范 测试 与标 准 制定等 功 能 。状 态监 测模 块 主要用 于 自动监测设备状态 ， 采集设备运行数据。数据趋势 曲线模块主要实现设备运行历史数据保存 、 历史数 据查询、 设备历史曲线绘制及设备数据 曲线的比较 功能 。设备状态分析模块通过分析采集 的设备数据 得出设备运行的健康状态 ， 为设备的维修提供决策 支 持 。通信 接 口模块 主要 实现 系统 与其 他系 统 的连 接、 通信协议的制定等功能 。设备 台帐管理模块 主 要实现原静态设备管理系统所具备的功能。系统维 护模块主要用于备份数据库 ， 增加 、 删除、 修改 、 升级 系统 模块 和功 能 。 2系统 状态 感知 层设 计 设 备状 态 监 测 的 目的 是 完 整 地 采 集 、 存 储 、 整 理 、 分析设备运行数据 ， 诊断设备健康状况 ， 为状态 检修提供有用资料。系统主要针对设备振动、 温度、 声 学 3种数 据 进行 采 集 和分 析 。设 备 的声 学 监 测 、 振动监测 、 温度监测均 由网络化传感器 实现。图 2 为 系统状态 感 知层所 采用 的网络化 传感 器结构 。该 网络 化传感 器 将 以太 网 口直接 作 为矿 山物联 网开放 式架构中的感知层监测设备 ， 通过矿山物联 网传输 层平 台将数据上传至应用基础平台。 温度传感器 I l 声学／ 振动传感器 信号预处理 I I信号预处理 I l以太网口 l 茎 兰 兰 r 兰 苎 兰 I 图 2网络化传感器结构 由于物联网应用平台提供了与应用无关的公共 数据处理服务 ， 如数据描述 、 数据通信接 口、 数据仓 库、 中间件、 报警处理 、 报表 、 人机接 口等 ， 设备动态 管理 系统 只需 从该 应用 平 台中取 出数据 进行具 体应 用 即可 。 3系统 应用 层设 计 3 ． 1 应 用层 软件 组成 及功 能 在应用平 台数据处理的基础上 ， 应用数据既可 在本 地 工作 站上 显示 ， 也 可通 过 工 业 以 太环 网发 送 至 相关 科室 以 We b方 式 显示 。应 用 层 服 务 器 直 接 与交换机相连， 读取各设备所采集的数据 。系统应 用 层软 件 分 为 数 据 集 成 层 、 数 据 接 口层 和 数 据 表 现 层 。 数 据集 成 层 通 过 S OAP S i mp l e Ob j e c t Ac c e s s P r o t o c o 1 实现设备原有 台帐信息 和健康 状况监测 信息的数据集成 。 数 据 接 口层 采 用O P C OL E f o r P r o c e s s C o n t r o 1 等通信方式从数据集成层 获取相关数据 ， 包括存人数据库的数据和以数据文件形式存在的数 据 如实时振动数据 。数据库和数据文件均属于应 用基础平台部分 ， 由矿山物联 网开放式架构中的应 用 基础 平 台部分完 成 ， 包括通 信 的协议 格式 、 数据 的 接收和用户信息的反馈等。 1 8 工矿 自动化 2 0 1 3年 第 3 9卷 数据表现层获取数据接 口层的信息并将其显示 在 表现 层 中 ， 从而 达到 与用户交 互 的 目的 。 应 用层 软件 的主要 功能如 图 3 所 示 。 图 3应 用 层 软 件 的 主要 功能 3 ． 2设备 状 态预测 设备状态 预测主要通过对在线监测数据 、 设备 历史运行状况、 同类设备统计数据等进行综合分析 ， 利用评估算法对设备 的健康状况进行评估 ， 对不合 格设备给出不合格原因及检修建议 。 由于设备温度变化 比较缓慢 ， 可以作为直流信 号处 理 ， 一般 按 照 常规 门 限判别 方 法 进行 判 别 。声 学或振动信号均属于波形变化信号 ， 只是监测 的传 感器不 同， 可归并成一类信号进行监测与分析。 由于声学或振动信号均为瞬变交流信号 ， 在保 证一定的频率分辨率下 ， 要求 1次采样的点数 比较 多， 对系统的实时处理要求较高。因此， 设备状态监 测的设计要点 ① 设计满足实时性要求的数据采集 模块。传统的利用上位软件实现判决的方法一般很 难保证实时性， 建议构建基于宽带参数监测 、 结合频 率选择性监测算法进行设备状态预测的信息采集平 台。对于变化性较大的机器振动信号， 采用在现场 机 箱 中 集 成 的 F P GA F i e l d P r o g r a mma b l e Ga t e Ar r a y 进行采集 ， 从 而使 系统具有硬件级的执行速 度和稳定性。② 引入设备运行状况模式库的概念 ， 通 过研究 模式 库 的 自学 习 与 自动 建立 技 术 ， 为 煤 矿 设备状态分析与诊断提供依据 。矿山机械设备与其 他行业 如电力行业 机械设备的不同之处在于矿山 机械设备很少有故 障报道， 因此 ， 对其故障模式未 知。设备运行状况模式 库是通过对设备 的长期监 测 ， 在得到大量数据的基础上进行分析总结 ， 结合设 备 现场 运行情 况而 逐 步 建 立 的 ， 能 为 设 备运 行 的健 康状况提供有效的判别依据。 设备运行状况模式库的模式个体可选择振动信 号的有效值 、 峰值 、 峭度、 烈度值等统计特征参数。 在进行大量数据统计后对特征参数设定阈值 ， 联合 几组特征量对设备运行状态进行诊断 ， 将 阈值之外 的模式个体抛弃 ， 将健康的模式个体存人模式库 。 为 了衡 量设 备 的 运行 状况 ， 模 式 库选 择 振 动烈 度[ 7 作为判别标准。振动烈度定义为 1 O ～1 0 0 0 Hz 范围内振动速度的均方根值 ， 能够简明、 综合 、 实用、 有效地反映一台机器的振动状态。通常取在规定的 测量点和测量方向上测得的最大值作为机器的振动 烈度 。 根据以上原则设计的设备状态预测流程如图 4 所示 。 图 4 设 备 状 态 预 测 流 程 3 ． 3数 据 处 理 显 示 图形化系统设计平台 L a b VI E W 结合了图形化 编程软件及模块化 、 开放的硬件 ， 对工程师开发和部 署声音和振动测量 的解决方案进行 了重新定义 ， 从 而减 少 了 开 发 时 间 ， 降 低 了 系 统 成 本 。此 外 ， L a b VI E W 提 供 了机 器状 态监 控 MC M 资源 包 ， 该 资源 包包含 了机器 状 态 监测 相 关 的 De mo程 序 、 应 用演示等 ， 为进行 MC M 监测应用提供了最佳选择。 因此 ， 选择 L a b VI E W 软件作为上位开发软件， 并结 合 MC M 资源包开发上位程序 。 上位程序按照一定的规则和算法对数据进行处 理 、 清洗 ， 以动画、 图片、 文字 、 表格等方式显示数据。 上位程序显示内容主要包括各种数据分 析工具、 报 表工 具 、 查 询 工 具 、 数 据 挖 掘工 具 及 各 种 基 于 数 据 仓 库的应 用 。 3 ． 4信 息发布 信息发布的目的是供矿山各相关科室使用设备 动态管理信息， 这与组态监控是不 同层 次的应用 。 组态监控通常要求更好 的实时性 ， 而信息发布更强 调信 息 的大范 围使用 。信 息 发 布 程序 以 Vi s u a l S t u d i o 2 0 1 0为开发 工具 ， 采用 E x p r e s s B l e n d 4开发 UI Us e r I n t e r f a c e 。 S i i v e r l i g h t 技术是一 种富互联 网应用技术 ， 是 为 了提高 用户体 验 的丰富性 而推 出的新 型互联 网应 用技术 ， 具有高度 的交互性 和丰富的 UI 功能[ 7 。 基 于 Wi n d o ws 平 台 的应 用 ， 系统选 用 S i l v e r l i g h t 技 术实现设备动态管理信息的发布。客户端只要根据 提示信息正确安装 S i l v e r l i g h t 插件即可。 第 3 9 卷 第 5期 2 0 1 3年 5月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 3 9 NO ． 5 M a y 2 0 1 3 文章 编号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 3 0 5 0 0 1 9 0 5 D OI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 6 李明建， 刁勇 ， 张轶． 基于双机热备的瓦斯灾害预警系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 5 1 9 2 3 ． 基于双机热备的瓦斯灾害预警系统设计 李 明建h 。 ， 刁勇 ， 张轶 。 1 ． 瓦斯 灾害监 控 与应 急技 术 国家重 点实验 室 ， 重 庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 中煤 科工 集 团重庆 研究 院 ，重庆4 0 0 0 3 9 摘 要 针 对煤矿 瓦斯 灾害预警 系统 软硬 件运 行环 境 的单点 失效 问题 ， 设计 了一种 基 于双机 热备 的 瓦斯 灾 害预 警 系统 ， 介 绍 了该 系统的 双机 热备 方案 、 软硬 件 结构设 计及 实现 方 法。该 系统 选 用互备运行 模 式的 双机 备份高可用性集群及基于 R o s e HA和共享磁 盘阵列的双机 热备方案 ， 提 高 了系统的可靠性。应 用结果表 明 ， 与单服 务 器的预 警 系统相 比， 基 于双机 热备 的 瓦斯 灾害预 警 系统 的平 均无 故 障 间 隔时 间 大幅 增加 ， 平 均 故障修复时间大大缩短 ， 系统可用性有 了较大提 高。 关键 词 瓦斯预 警 ；灾害预 警 ；双机 热备 ； 服 务 器集 群 ；共 享磁 盘 阵列 中 图分类 号 TD 7 1 2 ． 7 文献 标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 3 0 4 2 8 0 9 0 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 3 0 4 2 8 ． 0 9 0 4 ． 0 0 6 ． h t ml De s i g n a n d i mp l e me nt a t i o n o f g a s d i s a s t e r e a r l y wa r n i n g s ys t e m b a s e d o n ho t 。。 s t a n d b y L I Mi n g j i a n 一， DI AO Yo n g l _ ， ZHANG Yi ， 1． St a t e Ke y La bo r a t o r y of Ga s Di s a s t e r De t e c t i n g，Pr e ve nt i n g a nd Em e r ge n c y Co nt r o l l i ng， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，Ch i n a ；2 ． Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e o f CCTEG，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m of s i ng l e p o i nt f a i l u r e i n h a r dwa r e a n d s o f t wa r e r un ni n g e nv i r o nme n t o f 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 2 0 6 。 基金项 目 “ 十二 五” 国家科 技支撑计划项 目 2 0 1 2 B AK0 4 B 0 1 ； 国家重点基 础研究发展规划 9 7 3计划 资助项 目 2 0 1 2 C B 7 2 4 3 0 O 。 作者简介 李 明建 1 9 7 7 一 ， 男 ， 重庆 人 ， 工程师 ， 主 要从事 煤矿 安全 管理 相关软 件 系统研 究、 需 求分 析、 设 计开 发等 工作 ， E ma i l c q l m j f o xma i l ． c o rn 。 4结语 基于矿山物联网的设备动态管理系统只需在物 联网感知层接人适 当的传感器即可在应用平台上获 得 数据 ， 从 而实 现 相关 应 用 。该 开放 式 应 用 体 系 是 矿 山物 联 网应用 的 典 型方 式 ， 代 表 了矿 山设 备 管 理 信息化的发展方 向。另外 ， 系统的数据采集与处理 部 分采 用 L a b VI E W 软件 设 计 ， 信 息 发 布 部 分 采 用 S i l v e r l i g h t 技术 ， 大大增强 了系统的友好性及 易用 性 ， 符合矿山物联 网 We b应用的发展趋势 。 参考文献 [ 1 ] [ 2 - 1 袁苑 ， 李俊坤． 开放 式系统结 构中设备动态管理软件 架 构 的研究与实现 I- J ] ． 电讯技术 ， 2 0 0 8 ， 4 8 3 5 7 6 0 ． 刘建胜 ， 涂海宁 ， 张华 ， 等． 设备动态管理 与维 护资源需 求计划集成 系统研 究r J ] ． 机械设 计与 制造 ， 2 0 0 8 1 22 6 - 2 28 ． 韩捷 ， 董辛 ， 靳红涛 ， 等． 基 于 I n t e r n e t 的设 备远程状 态 监测 与故 障诊 断 [ J ] ． 机 械科学 与技 术 ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 2 1 5 03 15 05 ． 张萍 ， 陈士桐． 基 于点检技术 的煤矿设备管理信 息化系 统l- J ] ． 山东煤 炭科 技 ， 2 0 1 1 3 2 5 6 2 5 7 ． 张申 ， 张滔． 论 矿山物联 网的结构性平 台与服务 性平 台 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 3 4 3 8 ． 张申 ， 丁恩杰 ， 徐钊 ， 等． 物联 网与感知矿 山专题 讲座之 三感 知矿 山物联网的特征与关键技术 [ J ] ． 工矿 自 动化 ， 2 O 1 O ， 3 6 1 2 1 1 7 - 1 2 1 ． 刘 波． 基 于 R I A 的 AJ AX和 S l i v e r l i g h t 研 究 与 应 用 [ D] ． 西安 西北大学 ， 2 0 0 8 ． 付华 ， 钟 勇． 富因特 网应用 程序 在 We b数据 展现 中 的 应用[ J ] ． 计算机应用， 2 0 0 9 ， 2 9 增刊 1 2 9 2 2 9 5 ． ] ] ] ] ] ]