煤矿自动化发展趋势.pdf

第 3 9卷 第 2期 2 0 1 3年 2月 V0I ． 3 9 NO ． 2 Fe b ．2 O 1 3 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 I X 2 0 1 3 0 2 0 0 2 7 0 7 DOI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 0 8 张申． 煤矿 自动化发展趋势- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 2 2 7 3 3 ． 煤矿自动化发展趋势 张 申 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 分析 了煤 矿 自动化 发 展 过 程 ， 即从 单机 自动 化 、 综 合 自动 化 、 矿 山 物联 网到 矿 山信 息 物 理 系统 C P S ， 指 出煤矿 自动 化是 一 个逐 步 实现 信 息 系统与矿 山物理 系统相 融合 的过 程 ， 单机 自动 化 、 综合 自动化 、 矿 山物联 网和 矿 山 C P S只是 这 个过 程 中不 同时期 所表 现 出来 的特 征 ； 分 析 了综合 自动 化 、 矿 山物 联 网在 煤 矿 实际应用中存在的问题， 即综合 自动化和矿 山物联 网均 未考虑信息与事件 的置信度、 未采用发布与订 阅机 制 、 未考 虑物 理世 界 的 不确定 因素 、 未将 人 及其行 为作 为煤矿 自动 化 系统 中的要 素 来 考 虑 ， 指 出要使 信 息 系 统 与矿 山物 理 系统 融合得 更加 紧密 ， 矿 山 C P S是煤 矿 自动化 发展 的 必然趋 势 。 关键词 煤矿 自动化 ； 信息与物理融合；单机 自动化 ；综合 自动化；矿 山物联 网；矿山信 息物理 系统； C P S ；发展 趋 势 中 图分类 号 T D6 7 文献 标志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 3 - 0 1 2 6 1 5 3 9 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 l 3 0 1 2 6 ． 1 5 3 9 ． 0 0 7 ． h t ml De v e l o p me nt o f c o a l mi n e a u t o ma t i o n ZH ANG She n I o T Pe r c e p t i o n Mi n e Re s e a r c h Ce n t e r ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y Xu z hou 2 2 1 0 08，Ch i na Ab s t r a c t The pa p e r a n a l y z e d d e v e l o p m e n t p r oc e s s o f c o a l mi ne a u t o mat i o n f r om s i n gl e m a c hi n e a ut o m a t i on， i n t e gr a t e d a u t o m a t i on， m i n e I n t e r ne t o f Th i ng s t o mi n e CPS， i nd i c a t e d t h a t c o a l m i n e a u t o m a t i on i s a p r o c e s s o f g r a d ua l l y r e a l i z i ng f u s i on o f i nf or ma t i o n s y s t e m a nd mi ne p hys i c a l s ys t e m ，a n d s i ng l e ma c h i ne a u t o m a t i o n，i nt e g r a t e d a u t o ma t i o n，mi ne I nt e r ne t o f Thi n gs a nd mi ne CPS a r e f e a t ur e s a t d i f f e r e nt pe r i od s i n t he pr o c e s s ．I t a n a l yz e d pr o bl e m s of i nt e gr a t e d a u t o ma t i o n a nd mi n e I n t e r ne t o f Thi ng s i n a c t u a l a pp l i c a t i on of c o a l mi ne ， na me l y i nt e gr a t e d a ut oma t i on a n d m i ne I nt e r ne t o f Th i ng s d o n ot c on s i d e r c o nf i de nc e o f i n f o r m a t i o n a nd e v e n t ， n o t u s e m e c ha ni s m o f i s s u e a n d s u bs c r i p t i o n，n ot c o ns i de r un c e r t a i n f a c t o r s i n phy s i c a l wo r l d，no t t a ke p e r s on a nd hi s be ha v i o r s a s f a c t o r s o f c o a l m i n e a ut o ma t i o n s ys t e m ，a n d i nd i c a t e d t h a t mi ne CPS i s i ne v i t a bl e t r e nd o f d e v e l o pme nt o f c o a l mi ne a ut o ma t i o n wh i c h c a n ma ke f u s i on o f i nf or ma t i o n s y s t e m a n d m i n e phy s i c a l s y s t e m c l os e l y． Ke y wo r d s c o a l m i n e a ut o ma t i o n； f us i o n o f i nf or ma t i o n a n d phy s i c s； s i ng l e m a c hi n e a u t o m a t i o n； i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n；mi n e I n t e r n e t o f Th i n g s ；mi n e c y b e r p h y s i c a l s y s t e m ；CP S；d e v e l o p me n t 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 1 - 2 9 。 基金项 目 国家 自然科学 基金 资助项 目 6 0 9 7 2 0 5 9 ； 国家科技支撑计划 资助项 目 2 0 1 2 B AH1 2 B 0 1 ～O 2 。 作者简 介 张申 1 9 5 7 一 ， 男 ， 江苏兴化人 ， 教授 ， 博士 ， 博 士研究生导师 ， 主要研究方 向为煤矿通信 ， Ema i l y u n n a n 0 5 t o m． t o m。 ∞ 化 m 吣 动 自 d 矿 工 -至 d 2 8 工矿 自动化 2 0 l 3年 第 3 9卷 0 引 言 煤 矿 自动化 的发 展 已有 了几 十年 的历 史 ， 从 单 机 系统 自动化 、 矿 山综 合 自动化 数 字矿 山 发 展 到矿 山物联 网 智 能矿 山 、 智 慧矿 山 、 感 知矿 山 。近 些 年 来 ， 有 关 煤 矿 自动 化 的新 名 词 、 新 概 念 层 出 不 穷 ， 除 了上 面 已列 出 的名 词 外 ， 还有 矿 山数 字 化 、 矿 山信息化 信息化矿山 等 ， 令人眼花缭乱。实际上， 自动 化技 术 的发展 是有规 律 的 、 是循 序渐 进 的 ， 不会 受这些人造名词或概念的左右 。本文从信息与物理 融 合的 角度来 揭示 煤 矿 自动化 的发 展 过 程 ， 说 明不 同时期煤 矿 自动化 发 展 的 特 点 、 规律 和 煤 矿 自动化 的发展 趋势 。 1煤 矿 自动化 的发展及 趋 势 自动化的过程就是一个将信息采集 、 信息处理 和信息施用的方法与外部物理世界相融合 的过程 ， 即信息物理系统 C P S C y b e r P h y s i c a l S y s t e m ， 煤 矿 自动化 也不例 外 。因此 ， 煤矿 自动 化 的 过程 本 质 上就 是一个 煤矿 信息 技术 与煤矿 物理 世界 相融合 的 过程 ， 即矿 山 C P S 。煤 矿 自动 化 的发 展 过 程及 其 在 各个 阶段 的特征 反 映 了这 种信 息物 理世界 融 合的程 度 。图 1 为煤 矿 自动化发 展过 程及 趋势 分析 。 信息物理融合度 深度嵌入 中度嵌入 开始嵌入 分离 9 9 0 2 0 0 0 2 0 1 0 2 0 2 0 年份 图 l煤 矿 自动 化 发 展 过 程 及 趋 势 分 析 1 ． 1 单机 系统 自动化 2 0世纪 9 0年代 左 右 ， 煤 矿 自动 化 基 本 是 以单 机或 单 系统 自动化 为主 。胶带 运输 、 排水 泵房 、 通风 机监控 等 基本 都是 单 机就 地控 制 ， 直 到 2 0世纪 9 0年代后期开始 出现单系统地面监控。此后， 由于 较多的单 系统 自动化都 希望实现在地面 的监测监 控 ， 采用了每个系统 自己布置独立的传输线路到地 面的方式， 这样就逐步形成了信息孤岛格局 ， 即一个 矿 山有多个不同类 型的窄带通信线路并行 ， 总成本 高、 信道不能共用 、 维护量大 、 备品备件多、 维护人员 多、 可靠 性 差、 信 息不 能集 成 等一 系列 问题 随之 出现 。 从 信 息 物理 融 合 的角 度来 说 ， 该 阶段 的煤 矿 自 动化 系统基 本是 信 息 与物 理 分 离 的 系统 ， 各 种 矿 用 设 备 基本 是一个 纯 物 理 系统 ， 在 设 计 制 造过 程 中基 本不 考虑 其信 息采集 与 自动控 制 的需 要 。对这 些设 备的监测控制都是由矿山根据需要事后附加在物理 系 统上 的 。因此 ， 该 阶段 煤 矿 自动化 要 解 决 的 问题 主要是如何在单机系统上附加上信息采集与控制系 统 ， 实现单机或单系统 自动化 。 1 ． 2 综合 自动化 2 0 0 0年 左 右 ， 随 着 通 信 、 工 业 总 线 及 工 业 以 太 网技 术 的普 及 ， 用 统 一 的 网络 来 实 现 煤 矿众 多 子 系 统集 成 的呼声越 来越 高 。国 内神 华集 团大 柳塔煤 矿 首先 采 用 了双 C o n t r o l Ne t总 线 ， 实 现 了 将 胶 带 运 输 、 排水泵 房 、 通 风机 监控 等多个 子 系统集 成在 一个 网络上传输 的综合 自动化系统。其后兖矿集团等采 用 1 0 0 0 Mb i t ／ s的 工 业 以 太 网实 现 了将 各 种 监 测 监控 系统 、 语 音 、 工业 电视等集 成在 一起 的三 网合 一 综合 自动化系统 ] 。短短的几年 内， 综合 自动化 成 为许 多煤 矿 ， 特 别是 新 建 煤 矿 的 首选 模 式 。 同一 时 期 ， 煤 矿地测 专业 人员 开始提 出数 字矿 山 的概念 ， 但 其 最后 的发 展与综 合 自动化 概念 趋于一 致l 2 ] 。 综 合 自动化 也 表 现 出许 多不 足 1 感 知 手 段 单一 ； 2 缺 乏 泛 在 感 知 网络 ； 3 重 硬 平 台 集 成 ， 轻软平台集成 ； 4 缺乏应用层信息融合 ； 5 多学 科交叉不够 ； 6 标准建设不突出等。 对上 述不 足 的思 考让 人们逐 步认 识 到信息 物理 系统 融合 的需 要 ， 并 出现 一些这 样 的系统 ， 如采 煤机 监控 、 电液阀支架监控等系统 ， 也就进入信息系统嵌 入物 理 系统 的阶段 ， 特 别 是 明确要 求 对 设 备 控 制必 须具 有 接入 网络 的 能 力 ， 这 就 是 物 体 联 网 的要 求 。 这 样 ， 矿 山物联 网的概念 就应 运而 生 了 。 1 ． 3 矿 山 物 联 网 根 据工 业 和 信息 化 部 于 2 0 1 1年 5月对 物 联 网 的定 义Ⅲ 3 ] 略加 引 申可得 矿 山物 联 网是 通 信 网和 互 联 网的拓展 应用 和 网络 延 伸 ， 它 利 用 感 知技 术 与 智 能装置对矿山物理世界进行感知识别， 通过网络传 输互联 ， 进行计算、 处理和知识挖掘 ， 实现矿山人与 物 、 物与物信息交互和无缝链接 ， 达到对矿山物理世 界实时控制、 精确管理和科学决策的 目的。矿山物 联 网的定 义直 接 表 明 了信 息 世 界 与 物 理 世 界 的关 系 ， 实际 就是包 含 了 C P S的概 念 。 矿 山物联 网 的核心 内容 就是利 用物联 网的 3 层 架构在煤矿构建一种开放的平台， 包括泛在 的感知 层平台、 高速传输平 台、 应用基础平 台 。这样一种 2 0 1 3年 第 2期 张 申 煤矿 自动化发 展 趋 势 2 9 平台真正的作用是为矿山各个不同专业提供一个协 同工作的平台 ， 同时有利于将各种不同的应用服务 集 成到 矿 山物联 网 中 ， 有 助 于 推 动 矿 山 安 全 生产 所 需的各种服务的专业化发展 ， 这样可以解决综合 自 动化 系统 在 实施 过程 中所 暴露 出来 的问题 。 1 ． 4 矿 山 CP S 上述各种煤矿 自动化的概念本身也在不断地发 展演化 ， 但最后 必定会归结到 同一个理念之下。 目 前来 看 ， 这个 理念 就是 矿 山 C P S 。 实际矿 山的物理世界除机器设备外 ， 涉及许多 诸如矿压 、 地质、 水文 、 瓦斯等不确定 因素， 煤矿 自动 化 在很 长 一段 时 间里还 需要 人 的参 与 。而综 合 自动 化 、 感知矿山物联网等概念均缺乏一个信息世界与 物理世界紧密融合的模型 ， 因此 ， 难以考虑物理世界 的不 确 定 因素 ， 没 有 将 人 及 其 行 为 作 为 系 统 中 的 一 个要素来考虑 ， 没有对信 息的可信度进行分析和 处理 ， 没有统一的时间概念 ， 没有统一的信息采集与 发布机制。因此 ， 煤矿 自动化 的发展必须要尽快 引 入 C P S的理论 ， 这是今后很长一段时间内煤矿 自动 化 的发展 方 向 。 1 ． 5 煤矿 自动 化 需用 C P S的理 念 来统 一各种 模 型 图 2给 出 了综 合 自动 化、 矿 山物联 网和矿 山 C P S包容的关 系及各个 阶段要解 决 问题 的主要特 征。综合 自动化是在单机 自动化的基础上实现统一 网络化集成 ； 矿山物联网要进一步做到无盲区感知、 标准统一和开放 、 云计算服务； 矿 山 C P S要在物联 网的 基础 上 ， 做到 信息 与 物理世 界 的深度 嵌入 ， 用 置 信度 、 发布与订阅机制、 语 义规则 、 松耦合模型等来 考虑物理世界 的不确定 因素 ， 同时将人及其行为作 为系统 中的要素来考虑 。图 2 也表示 出了无线通信 与接入与综合 自动化阶段及矿山物联 网阶段均紧密 相 关 。 图 2 煤矿 自动化各个时期 的特征 煤矿 自动化是一个逐步实现信息系统与矿山物 理系统相融合的过程 。单机 自动化 、 综合 自动化、 矿 山物联网和矿山 C P S只是 这个 过程 中不 同时期所 表 现 出来 的特 征 ， 每 个 过 程均 是 要 解 决 前 期 过程 中 所暴露出来的问题 ， 从 而使信息系统与矿 山物理系 统融合得更加紧密。因此 ， 从信息世界与矿 山物理 世界 相融 合 的实质 来 看 ， 煤 矿 自动化 确 实 需 用 C P S 的理念 来 统一各 种模 型 。 2煤 矿综 合 自动化 实例 1 2 0 0 0年 ， 神 华集 团大 柳 塔煤 矿 首 先 采 用 了 双 C o n t r o l Ne t 总线 ， 实 现 了将 胶 带运 输 、 排 水 泵房 、 通风机监控等多个子系统集成在一个网络上传输的 综合 自动化系统 ， 但该系统冗余性不够， C o n t r o l Ne t 带 宽有 限 ， 不 能 实现 三 网合 一 。 2 2 0 0 2年 ， 兖 矿集 团济 三 煤 矿 采 用 C o n t r o l Ne t 环 网进 行综合 自动化 建设 ， 解决 了冗余 问题 。 3 2 0 0 4年 ， 山东 能 源 龙 口矿 业 集 团 有 限公 司 北皂 煤 矿 首 先 采用 1 0 0 Mb i t ／ s的工业 以太 网环 网 实现煤矿综合 自动化 ， 但 由于煤矿井下网络属 于流 量非均匀 分布 的 网络 ， 存 在传输 瓶颈 ， 1 0 0 Mb i t ／ s 的工业以太网难以实现三 网合一， 与工业总线环 网 的综合 自动化系统相 比优势不明显。 4 2 0 0 5年， 兖矿集 团兴 隆庄煤矿 尝试采 用 1 0 0 0 Mb i t ／ s 工业 以太 网环网实现井下三 网合一的 综 合 自动 化系 统 ， 如 图 3所 示 。这 种模 式 基 本 成 为 当前煤矿综合 自动化建设 的首选模式。 5 煤矿综合 自动化系统 主干传输 网络也有采 用 光 无 源 网 络 和 基 于 S D H S y n c h r o n o s D i g i t a l Hi e r a r c h y 传 输 原 理 的 MC T P Mu l t i c h a n n e l Tr a n s mi s s i o n P l a t f o r m 网 络的 ， 但没有 1 0 0 0 Mb i t ／ s 工业 以太 网 的应用 面广 。图 4为 中国 平煤神马集团十二矿使用的光无源网络 GE P ON结 构 __ 5 ] 。对 于光 无 源 网络 主 干 网 ， 有 人 想 当然地 认 为 由于采 用 了光 无 源 网络 ， 不 采 用 电 的交 换 ， 不 怕 停 电 ， 用 于煤矿 更加 安全 可靠 ， 这完 全是 一种 误解 。光 无源网络除光源和光探测器需使用电外 ， 其多用户 方式 为下 行采 用广 播方 式 ， 上行 采用 时分方 式 ， 也 就 是给各用户指定专用的时隙。限于现有技术 ， 目前 还只能采用电信号的方式来给各用户指定时隙。因 此 ， 光无源网络根本无法在没电的情况下工作。 6 郑州煤炭工业 集团 有限责任公 司综合 自 动化系统采用 1 0 0 0 Mb i t ／ s的工业 以太网实现井 下 三网合一 的综合 自动化系统 ， 并按综合 自动化运 第 3 9卷 第 2期 2 O 1 3年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Aut oma t i on V0 1 ． 3 9 NO ． 2 Fe b ．2 O 1 3 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 2 0 0 3 3 0 6 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 2 ． 0 0 9 苏长胜． 矿井提升机控制技术研究现状与发展[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 2 3 3 3 8 ． 矿井提升机控制技术研究现状与发展 苏长胜 黑龙江龙煤矿业控股集 团有限责任公司 鹤岗分公司鸟山煤矿筹备处 ， 黑龙江 鹤岗 1 5 4 1 0 0 摘 要 分析 了国 内外直 流 、 交流矿 井提 升机 控制 系统 的现 状 与发展 历程 ， 重点介 绍 了双 三 电平 拓 扑 结构 下3种变频调速 系统， 即定子侧 高压 变频调速 系统 、 同步电动机双三电平变频调速 系统、 交一直一交电压型双 三 电平 S VP WM 变频调 速 系统在 矿 井提 升机 控 制 系统 中的应 用 ， 指 出交一直一交 电压 型双 三 电平 变频 调 速 系统 节能 效果较 好 ， 最适 用 于矿 井提 升机控 制 系统 。 关 键词 矿 井提 升机 ； 提 升 机控 制 ；直 流调 速 ；变频 调速 ；双三 电平 ；节能 中图分类 号 TD 6 3 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 3 0 1 2 6 1 5 4 1 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 ． T P ． 2 0 1 3 0 1 2 6 ． 1 5 4 1 ． 0 0 8 ． h t m1 Re s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p me nt o f c o n t r o l t e c h n ol o g y f o r mi ne ho i s t SU Ch a ng s he n g Pr e p a r a t o r y Of f i c e o f Ni a o s h a n C o a l Mi n e o f He g a n g Br a n c h，He i l o n g j i a n g L o n g ma y M i ni n g Hol d i n g Gr ou p Co．，Lt d． ，H e ga n g 1 5 4 1 0 0，Chi n a Abs t r a c t The pa p e r a na l y z e d s t a t us a nd d e v e l o pme n t p r oc e s s o f DC a nd AC mi ne h oi s t c on t r ol s ys t e m a t h o m e a nd a br o a d．I t e m p ha t i c a l l y i n t r od uc e d a p pl i c a t i on o f t hr e e f r e q ue nc y c o nv e r s i o n s pe e d r e g ul a t i o n s y s t e m s ba s e d o n do ubl e t hr e e l e v e l t o p ol o gy i n c on t r ol s ys t e m of m i ne ho i s t ， n a me l y h i gh v o l t a g e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n s p e e d r e g u l a t i o n s y s t e m a t s t a t o r s i d e ，d o u b l e t h r e e l e v e l f r e q u e n c y - c o n v e r s i o n s p e e d r e gu l a t i o n s y s t e m o f s y nc hr o nou s m o t o r a nd AC DC AC v ol t a g e t y p e SVPW M f r e q ue nc y 。 。 c o n ve r s i o n s pe e d r e gu l a t i o n s y s t e m wi t h d ou bl e t h r e e l e ve 1 ． A n d i t i nd i c a t e d t ha t AC DC AC vo l t a ge t yp e f r e qu e nc y - 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 1 2 9 。 作者简介 苏长胜 1 9 6 2 一 ， 男 ， 黑龙江鹤岗人 ， 高级工程师 ， 主要从事煤矿生产管理和建设 工作， E ma i l f a n s h o n g 0 3 0 2 1 6 3 ． c o rn。 参考文献 [1 ] 张 申， 赵小虎． 论感知 矿 山物联 网与矿 山综合 自动 化 E J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 8 3 8 6 ． [ 2] 张 申， 丁恩 杰 ， 赵小虎 ， 等． 数字 矿 山及其两 大基 础平 台建设I- J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 7 ， 3 2 9 1 0 3 1 0 7 ． [ 3] 工业 和信 息化 部 电信研 究 院． 物联 网 白皮 书 2 0 1 1 l, J - I ． 中国公共安全 综合版 ， 2 0 1 2 增 刊 1 1 6 8 1 7 3 ． [4] 张申， 丁恩杰， 徐钊 ， 等． 物联网与感知矿山专题讲座 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 0 1 0 4 1 0 8 ； 2 0 1 0 ， 3 6 1 1 1 2 9 - 1 3 2； 2 0 1 0， 3 6 1 2 1 1 7 - 1 2 1 ； 2 O 1 1 ， 3 7 1 1 0 5 1 08 ． [5] 李雨 田． G E P O N 千兆无 源光 网络技 术在平 煤十 二矿 的应用l, c ] ／ ／第 1 8届全国煤矿 自动化学术年会 中国 煤炭 学会 自动化专业委员会学术会议 ， 杭州 ， 2 0 0 8 ． [ 6] L E E B T ． S e ma n t i c we b t 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