基于物联网的煤矿安全协同管控系统研究.pdf
第 4 2卷第 5期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 5 2 0 2 0年5月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nM a y 2 0 2 0 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 檾 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 檾 殧 殧 殧 殧 机电与自动化 收稿日期 2 0 1 9- 1 2- 2 8 ; 责任编辑 刘欢欢 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 5 . 0 1 9 基金项目 2 0 1 9年天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目( 2 0 1 9 T D M S 0 1 6 ) ; 国家重点研发计划专项( 2 0 1 6 Y F C 0 8 0 1 4 0 5 ) 作者简介 刘亚辉( 1 9 8 1 ) , 男, 河南内乡人, 副研究员, 主要从事安全监测监控、 电气安全防爆、 电子可靠性设计等研究工作。 引用格式 刘亚辉, 孙中光, 苟怡, 等. 基于物联网的煤矿安全协同管控系统研究[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 5 ) 9 7 1 0 1 . L i uY a h u i , S u nZ h o n g g u a n g , G o uY i , e t a l . R e s e a r c ho nc o a l m i n es a f e t yc o l l a b o r a t i v em a n a g e m e n t a n dc o n t r o l s y s t e mb a s e do ni n t e r n e t o f t h i n g s [ J ] . C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 5 ) 9 7 1 0 1 . 基于物联网的煤矿安全协同管控系统研究 刘亚辉1 , 2, 孙中光1 , 2, 苟 怡1 , 2, 孟小红1 , 2 ( 1 . 中煤科工集团重庆研究院有限公司, 重庆 4 0 0 0 3 9 ; 2 . 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 9 ) 摘要 针对煤矿目前存在的各类异构系统功能单一, 存在数据孤岛, 灾害时难以联动控制, 无法实现 “ 人、 机、 环” 参数的有序配合等问题, 提出基于物联网技术, 通过低功耗无线自组网传感器、 便携式智 能终端、 区域协同控制器、 多协议透明传输网关等关键设备, 构建全矿井高速、 可靠的区域协同控制网 络, 建立涵盖工作面、 采区、 矿、 集团之间的信息数据链和基于多种信息实时融合与分析的协同控制系 统。以“ 安全与生产动态平衡, 安全可控条件下的高效生产” 为目标, 实现多种信息交互与多层级的主 动安全保障, 减少无计划停产, 提高生产的连续性和安全性。 关键词 数据孤岛; 联动控制; 数据融合; 协同管控; 云计算; 区域控制; 智能化; 大数据 中图分类号 T D 6 7 ; T D 7 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 5- 0 0 9 7- 0 5 R e s e a r c ho nc o a l mi n es a f e t yc o l l a b o r a t i v ema n a g e me n t a n dc o n t r o l s y s t e m b a s e do ni n t e r n e t o f t h i n g s L i uY a h u i 1 , 2, S u nZ h o n g g u a n g1 , 2, G o uY i1 , 2, M e n gX i a o h o n g1 , 2 ( 1 . C h i n aC o a l T e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n gG r o u pC h o n g q i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e , C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 , C h i n a ; 2 . S t a t e K e yL a b o r a t o r yo f G a s D i s a s t e r M o n i t o r i n ga n dE m e r g e n c yT e c h n o l o g y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 , C h i n a ) A b s t r a c t I nv i e wo f t h es i n g l ef u n c t i o n so f v a r i o u sh e t e r o g e n e o u ss y s t e m sc u r r e n t l ye x i s t i n gi nc o a l m i n e sa n dt h ee x i s t e n c eo f d a t a i s l a n d s , i t i s d i f f i c u l t t oc o n t r o l l i n k a g e s d u r i n gd i s a s t e r s a n di t i s i m p o s s i b l et or e a l i z et h eo r d e r l yc o o r d i n a t i o no f " m a n , m a c h i n ea n d r i n g "p a r a m e t e r s . B a s e do nt h e i n t e r n e t o f t h i n g s t e c h n o l o g y , t h r o u g hl o w p o w e r w i r e l e s s a dh o c n e t w o r ks e n s o r s , p o r t a b l e i n t e l l i g e n t t e r m i n a l s , r e g i o n a l c o o p e r a t i v ec o n t r o l l e r s , m u l t i p r o t o c o l t r a n s p a r e n t t r a n s m i s s i o ng a t e w a y sa n do t h e r k e ye q u i p m e n t , b u i l dah i g h s p e e d a n dr e l i a b l er e g i o n a l c o o p e r a t i v ec o n t r o l n e t w o r ko f t h ew h o l em i n ea n de s t a b l i s hac o v e r a g ew o r k i n gs u r f a c e , m i n i n ga r e a , m i n e , g r o u p i n f o r m a t i o nd a t al i n ka n dc o l l a b o r a t i v e c o n t r o l s y s t e mb a s e do nr e a l t i m e f u s i o na n da n a l y s i s o f m u l t i p l e i n f o r m a t i o n . Wi t ht h e g o a l o f " d y n a m i cb a l a n c eb e t w e e ns a f e t y a n dp r o d u c t i o n , e f f i c i e n t p r o d u c t i o nu n d e r s a f e a n dc o n t r o l l a b l e c o n d i t i o n s " , i t a c h i e v e s a v a r i e t y o f i n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o n s a n dm u l t i l e v e l a c t i v e s a f e t y g u a r a n t e e s , r e d u c i n g u n p l a n n e ds h u t d o w n s a n di m p r o v i n g t h e c o n t i n u i t y a n ds a f e t y o f p r o d u c t i o n . K e y w o r d s d a t ai s l a n d ; l i n k a g ec o n t r o l ; d a t af u s i o n ; c o o r d i n a t e dc o n t r o l ; c l o u dc o m p u t i n g ; a r e ac o n t r o l ; i n t e l l i g e n t ; b i gd a t a 0 引言 随着国家对煤炭行业安全生产的高度重视, 相 关技术与装备的不断研发与应用, 特别是“ 六大系 统” 的推广普及[ 1 ], 使得煤炭行业的安全事故与死 亡人数呈现逐年递减趋势, 安全形势明显改善。但 煤矿死亡人数总量依然偏高, 百万吨死亡率是美国 等发达国家的数十倍, 安全形势依然十分严峻。 目前, 国内安全生产相关的监控系统大多采用 三层模式架构, 分为现场设备层、 传输层与应用 79 2 0 2 0年第 5期 能 源 与 环 保第 4 2卷 层[ 2 ]。现场设备层主要由各类传感器( C H4、 C O 、 H 2S 、 粉尘、 压力、 位移、 温度、 电流、 电压等) 、 控制机 构组成, 分站( 人员、 电力、 安全监控、 顶板等) 或 P L C实现对相应的模拟信号与数字信号的实时采 集, 根据系统特定业务目的完成就地监视与控制; 传 输层主要基于“ 工业以太环网 + 现场总线 + 无线覆 盖” 模式[ 3 ], 构建全矿井信息公共传输通道; 应用层 通过不同的应用软件采用私有协议与相应的设备进 行数据的实时采集、 分析、 交叉控制和远程控制, 不 同系统间的数据融合通过应用层软件实现。这种模 式在一定时期内为煤矿安全生产提供了基础的技术 支撑, 对安全生产起到了积极作用。但随着煤矿安 全生产自动化与信息化水平的不断提高, 煤矿对安 全生产环境与生产过程的管控模式发生了较大变 化, 现有模式无法满足煤矿现场应用需求。因此, 将 物联网技术引入到煤矿安全监测监控及自动化领 域, 通过对矿山感知、 传输、 数据融合分析等技术及 装备的研发和应用, 解决制约煤矿安全、 高效开采的 技术瓶颈, 具有重要意义。 1 系统设计 1 . 1 系统网络架构设计 基于物联网的煤矿安全管控系统网络架构平台 总体划分为管控层、 链路层和设备层 3层。系统网 络架构如图 1所示, 设备层是系统安全生产的执行 层和监控层, 是具体控制动作的执行者和现场信息 的采集者, 开发各种低功耗、 具有智能特性的传感器 或移动终端。所有监测监控子系统数据通过有线的 万兆工业环网或无线网络接口汇入链路层, 链路层 设计三大环路网络分别为设备层数据提供高速、 可 靠、 有序的传输通道, 将数据传输到管控层。管控层 通过云计算数据中心数据融合和业务分配, 将矿井 全方位、 立体化展示在调度大屏和控制中心屏幕上 方, 实现全矿安全生产的信息化与智能化管理。 图 1 系统网络架构 F i g 1 A r c h i t e c t u r eo f s y s t e mn e t w o r k 1 . 2 协同控制系统技术及装备 1 . 2 . 1 低功耗传感器设计 终端传感器的低功耗设计是确保系统多节点、 数字化优势得以发挥的基础。因此, 选择先进的低 功耗处理技术。传感器低功耗设计主要遵循以下思 路 89 2 0 2 0年第 5期刘亚辉, 等 基于物联网的煤矿安全协同管控系统研究 第 4 2卷 ( 1 ) 硬件设计思路。①低功耗检测元件选型及 应用研究。选用功耗较低的物理量检测元件, 从检 测原理更新、 加工工艺改进等 2个方面优选、 一氧化 碳、 氧气温度、 风速、 烟雾、 锚杆( 索) 应力、 围岩、 钻 孔应力、 顶底板移近量、 跑偏、 速度、 堆煤、 振动等传 感器检测元件, 并进行相关测试及应用研究。②整 机低功耗研究。传感器设计时, 每个电子元器件都 优选漏电流小的低功耗器件, 采用低功耗的单片机 作为主控智能核心, 特别是电源电压转换芯片, 需要 采用高效芯片, 从而有效降低整机功耗。③传感器 低功耗工作机制的电路设计。主板采用动态显示电 路, 一般情况下无数据显示节省功耗; 元件电路等重 要功能电路单元都配有单独的供电控制, 由单片机 根据工作机制合理控制各功能电路单元的上电与断 电, 有效降低传感器整体功耗。④传感器故障自诊 断硬件电路设计思路。考虑到电路板关键电子元件 的故障特性, 在电路设计时对主板中多个 L D O芯片 输出电压信号进行实时状态跟踪, 然后通过软件程 序算法实现电压欠压、 过压等异常现象的自诊 断[ 4 ]。 ( 2 ) 软件设计思路。①传感器低功耗工作机 制。结合传感器低功耗工作机制的电路设计, 根据 不同检测元件的工作特性, 由程序软件控制各种检 测元件上电工作占空比的机制, 在保证传感器正常 工作、 有效监控的基础上, 降低检测元件的平均功 耗。②传感器故障自诊断。通过大量实验, 得到 L D O失效、 元件断丝等各类硬件故障测试点的经验 阈值, 在程序中对各故障测试点的电压值进行周期 性判断, 得出故障结论。③传感器数据交互。在传 感器程序中设置备用节点, 当传感器监测数据异常 时, 通过网络侦听技术及主动呼叫机制确定备用节 点数据变化趋势是否一致, 以提高监测数据的可靠 性, 有效避免误报。 1 . 2 . 2 区域协同控制器 区域协同控制器采用嵌入式高速处理芯片, 实 现整个工作面区域内运行设备、 环境参数及人员分 布的实时监控, 分析在生产过程中可能出现的不安 全因素。当环境参数出现异常, 如区域内瓦斯异常 升高, 到达预警值时, 系统会告知生产人员降低采煤 速度或通过控制通风设备加大区域供风量, 同时通 过广播终端发布报警, 向区域内的工作人员发送报 警信号, 如安全参数继续恶化, 通过系统向调度室发 出报警, 同时禁止其他人员进入[ 5 ]。 区域协同控制器作为主要的采集、 传输、 控制设 备, 是连接终端设备与地面设备的核心, 具有如下主 要功能。 ( 1 ) 数据融合功能。具有标准数据输入输出接 口, 能够采集与安全相关的监测监控数据。 ( 2 ) 数据存储功能。能够存储各种定义及设置 信息, 并能自动处理并存储设备运行异常数据或采 集到的异常数据。 ( 3 ) 数据处理功能。具有逻辑编辑及处理功 能, 可根据用户实际需求进行简单逻辑功能编辑, 并 能在离线时自动运行编辑好的逻辑。 ( 4 ) 按需配置功能。可根据实际需求配置硬件 需求, 如总线类型、 数量、 光口或电口配置、 频率及电 流采样等硬件需求[ 6 8 ]。 ( 5 ) 智能化管理功能。能够对供电电源状态、 备用电池电量、 设备连接状态及运行参数进行智能 管理。 1 . 3 协同管控平台设计 1 . 3 . 1 数据融合模式 传感器数据融合通过利用多个传感器信息, 依 据传感器布点规则及风流方向与环境甲烷变换间的 关系, 从而实现监测数据的交互校验与趋势预判。 在一些要求高可靠性的监测点, 也可以同时挂接 2 台同类传感器, 从而实现最准确的交互校验和趋势 判断。如工作面上隅角设置的甲烷传感器与工作面 设置的甲烷传感器数据变化趋势具有高度的一致 性, 可以通过将相关的 2个传感器互相设置为备用 传感器, 当主或备传感器监测数据异常时, 通过网络 侦听技术及主动呼叫机制确定关联节点数据变化趋 势是否一致, 通过数据交互算法确定监测数据异常 的有效性, 以提高监测数据的可靠性, 有效避免误 报[ 9 1 2 ]。如果确实发生瓦斯浓度异常升高等重大险 情, 主、 备传感器报警, 并主动呼叫分站和断电控制 器, 实现协同控制, 对采掘电气设备执行断电操作, 井下工作人员紧急疏散升井, 切实保障工人和煤矿 生命财产安全。传感器数据交互及协同控制软件流 程图如图 2所示。 1 . 3 . 2 协同控制策略 通过协同控制策略可以实现各个子系统之间信 息共享, 从而使原来各个独立的系统变成一个整体 无缝连接的大型系统。煤矿主要系统的协同控制关 系如图 3所示。从图 3中可以看出, 瓦斯灾害预警 系统、 电网监控系统参与各个生产环节的协同控制。 99 2 0 2 0年第 5期 能 源 与 环 保第 4 2卷 图 2 传感器数据交互及协同控制软件流程 F i g 2 F l o wc h a r t o f s e n s o rd a t ai n t e r a c t i o na n d c o l l a b o r a t i v ec o n t r o l s o f t w a r e 图 3 主要系统的协同控制关系 F i g 3 C o o p e r a t i v ec o n t r o l d i a g r a mo f ma i ns y s t e ms 通过图 3建立各个生产环节的协同控制策略, 各个协同控制策略的目的是为了使系统能够有效地 进行协调合作, 共同实现成安全生产的目的。具体 控制策略如下 ( 1 ) 区域瓦斯或 C O超限时, 停止区域内所有机 电设备, 广播系统通知人员撤退, 并点亮撤退路线指 示牌; 人员定位统计区域人员分布, 发送人员撤退指 令; 打开视频观察; 启动应急预案。 ( 2 ) 煤矿各大型设备开机前及设备运行中, 判 断环境参数( 如瓦斯、 C O 、 温度等) , 环境符合开机要 求才能开机运行, 当不符合时不能开机运行。 ( 3 ) 根据水位、 涌水量及电价, 以避峰填谷原则 开关生产用水系统水泵或主排水系统水泵。 ( 4 ) 根据井下设备需求风量, 控制压风机开启 台数。 ( 5 ) 电网停电, 如果导致局部通风机停止, 实时 监测风速、 瓦斯、 C O , 如果达到撤人条件, 按原则执 行。 ( 6 ) 实时监控煤矿各个区域通风情况, 根据风 量要求调节通风系统, 并打开视频观察。 ( 7 ) 所有重要机电设备 如胶带、 压风机、 架空 人车、 水泵、 绞车等出现故障时, 打开视频观察。 ( 8 ) 实时分析各设备的运行工况, 按设备工况 提示用户需要对设备进行哪种类别的操作, 如 是否 需要维修、 是否需要保养等。 ( 9 ) 胶带系统根据煤量调节带式输送机速度, 并进行产量计量自动调整采煤机割煤进度, 防止带 式输送机超负荷运行出现故障。 2 系统功能特点 综合利用已有研发基础, 结合本项目研发了系 列环境参数、 设备工况、 目标跟踪定位、 生产过程控 制与个人便携装备相关的传感设备, 实现了人员位 置、 设备工况、 环境参数等的稳定可靠动态感知。其 具备如下特点 ( 1 ) 传感设备均具有身份识别、 状态自检、 趋势 判断等智能功能, 具有低功耗、 高可靠性等特点, 实 现对矿山灾害的提前、 准确预警预报。 ( 2 ) 针对各类机械设备, 传感设备具有多维度、 多参数感知功能, 实现对机电设备的工作健康状况 感知与预知维修[ 1 3 1 7 ]。 ( 3 ) 传感设备均采用统一协议的无线和总线数 据接入技术组网, 各类人员穿戴传感设备、 环境监测 传感设备、 机电故障诊断传感设备、 定位传感设备等 在传感层即可完成数据交互, 完成矿工周围环境安 全的快速感知和故障处理, 实现主动式安全保障。 ( 4 ) 采用 6 L o w P a n 建立轻量级 I P V 6协议, 配合 基于最小跳数路由协议( M H C ) 算法, 建立支持 I P V 6 的智能路由策略, 实现了海量传感器地址获取和设 备入网问题[ 1 8 2 0 ]。 3 结语 煤矿井下环境复杂, 各种因素制约着信息化发 001 2 0 2 0年第 5期刘亚辉, 等 基于物联网的煤矿安全协同管控系统研究 第 4 2卷 展。但建设高产高效矿井, 提升矿井智能化、 信息化 手段, 使信息化能更好服务于安全生产是发展的必 然, 也是煤矿由粗放式开发转变为安全、 高效、 绿色 的科学开发, 形成智慧矿山的必然。基于物联网的 煤矿安全协同管控系统, 围绕矿山物联网体系架构、 标准与规范、 传感控制设备的低功耗与高稳定性、 信 号覆盖与多制式通信适配、 信息分层实时融合与控 制。在建设中, 围绕传感器的智能化、 数据的挖掘利 用, 云计算、 大数据的应用发展, 在煤矿井下实现全 矿井“ 人、 机、 环” 参数全面感知、 数据高效利用分 析、 融合共享及协同控制, 全面提升矿井安全保障、 综合管理水平。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] J i a n g s h i Z , G u i F , S h u s h a nG , e t a l . 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