物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦綜合信息化建設(shè)中的應(yīng)用研究

黃成玉，張全柱，鄧永紅

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，河北 三河 065201)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被譽為全球一個新的經(jīng)濟(jì)增長點，目前世界各國和政府都非常重視物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，都相繼出臺了與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的信息化政策,我國也已將物聯(lián)網(wǎng)列為重點培育和發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè),無錫物聯(lián)網(wǎng)研究所與北京郵電大學(xué)聯(lián)合成立了感知中國研究中心,中國礦業(yè)大學(xué)也成立了感知煤炭研究所。目前對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)初具規(guī)模，但對于其在煤炭行業(yè)的應(yīng)用研究尚處于起步階段[1-3]。近年來我國煤礦安全生產(chǎn)形勢逐年好轉(zhuǎn)，但和國外的差距仍很大。究其原因除了國內(nèi)煤礦的地質(zhì)條件不好，高瓦斯、高地下水等原因外，更主要的原因就是煤礦生產(chǎn)信息化自動化的程度不高。隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，急需提高煤礦安全生產(chǎn)、監(jiān)控的自動化程度和企業(yè)管理的信息化、數(shù)字化水平，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為煤礦信息化建設(shè)提供了新的思路與理想的解決方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)

1.1 射頻技術(shù)

射頻技術(shù)(RFID)是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。RFID系統(tǒng)由RFID電子標(biāo)簽、RFID閱讀器、RFID數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片組成。依據(jù)電子標(biāo)簽供電方式的不同，電子標(biāo)簽可以分為有源電子標(biāo)簽、無源電子標(biāo)簽和半無源電子標(biāo)簽。有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，無源射頻標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池，半無源電子標(biāo)簽部分依靠電池工作。RFID閱讀器(讀寫器)通過天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實現(xiàn)對標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌５湫偷拈喿x器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽用來存儲規(guī)范而具有互用性的數(shù)據(jù)信息，通過無線通信網(wǎng)采集這些數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)叫畔⒅行模瑢崿F(xiàn)對物品的識別，同時通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息交換和共享，實現(xiàn)對物品的感知。

1.2 無線傳感器網(wǎng)路

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的靜止或移動的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點均具有對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、融合、轉(zhuǎn)發(fā)和存儲的功能。能協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并將這些信息通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點經(jīng)其它網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給了用戶，實現(xiàn)對指定范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行檢測與跟蹤。傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)娜N功能，而這正對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模性、自組織性、動態(tài)可重構(gòu)性、軟硬件的魯棒性和容錯性等特點。

1.3 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普遍應(yīng)用，是進(jìn)入信息社會的標(biāo)志。傳感技術(shù)是人的感覺器官的延伸與拓展；通信技術(shù)人的神經(jīng)系統(tǒng)的延伸與拓展，承擔(dān)傳遞信息的功能；計算機(jī)技術(shù)人的大腦功能延伸與拓展，承擔(dān)對信息進(jìn)行處理的功能。傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)所感知信息的傳遞和協(xié)同。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括廣域網(wǎng)絡(luò)通信和近距離通信兩類。廣域網(wǎng)路通信是利用IP互聯(lián)網(wǎng)、2G/3G移動通信、衛(wèi)星通信技術(shù)等實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸。近距離通信典型的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi等。其中以IEEE 802.15.4為代表的通信技術(shù)是目前近距離通信的主流技術(shù),具有低功耗、低速率、短距離傳輸?shù)忍攸c,應(yīng)用于支持計算和存儲能力有限的簡單器件。

2 煤礦信息化建設(shè)現(xiàn)狀及物聯(lián)網(wǎng)在煤礦上的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 煤礦信息化建設(shè)現(xiàn)狀

煤炭行業(yè)信息化是用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和實現(xiàn)信息化帶動工業(yè)化的突破口。煤炭企業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工程技術(shù)和現(xiàn)代管理科學(xué)有機(jī)地結(jié)合，通過生產(chǎn)、管理全過程的信息化，可提升企業(yè)的核心競爭力。目前煤炭企業(yè)建成了滿足業(yè)務(wù)信息化需要的通訊、數(shù)據(jù)、視頻網(wǎng)絡(luò)及其基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，基本上建立了產(chǎn)運銷管理、財務(wù)管理、采購管理、人力資源管理、工程項目管理、企業(yè)資產(chǎn)管理、辦公自動化系統(tǒng)等數(shù)字化管理系統(tǒng)。有的企業(yè)還建立了商務(wù)、物流等信息平臺，煤礦企業(yè)基本上建立了煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、調(diào)度通訊系統(tǒng)、井下通訊系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)(采掘、運輸、供電、水泵等)。有的企業(yè)還建立了應(yīng)急管理、隱患排查等系統(tǒng)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)在煤礦的應(yīng)用現(xiàn)狀

1) 人員定位系統(tǒng)應(yīng)用。在礦井出入口、重點區(qū)域和限制區(qū)域等地點設(shè)置讀卡器分站，每名員工都隨身攜帶有人員定位卡，當(dāng)員工攜帶人員定位卡經(jīng)過讀卡器分站時，分站的接收天線接收到定位卡發(fā)來的信號，經(jīng)分站接收處理后，提取出目標(biāo)識別碼通過以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控服務(wù)器。

2) 礦井無線通信應(yīng)用。在井下布置礦用無線基站，用于接收由基站控制器傳來的信號，信號通過基站的射頻調(diào)制波發(fā)射，與定位手機(jī)和定位器之間構(gòu)成無線鏈路，實現(xiàn)井下的無線通信。

3) 設(shè)備點檢管理應(yīng)用。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦井每臺設(shè)備上安裝射頻識別卡，系統(tǒng)接收天線接收從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理，進(jìn)而取得設(shè)備正常或異常等狀態(tài)信息。

3 煤礦物聯(lián)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

3.1 煤礦信息化建設(shè)目標(biāo)

煤炭企業(yè)信息化建設(shè)目標(biāo)是自動化基礎(chǔ)上的信息化，通過推進(jìn)礦井生產(chǎn)過程綜合自動化，促進(jìn)企業(yè)綜合信息化，最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、安全監(jiān)控數(shù)字化、企業(yè)管理信息化和信息管理集約化,最終構(gòu)建煤礦信息化的“三個統(tǒng)一平臺”：①以礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)的“統(tǒng)一的高速信息傳輸平臺”；②以海量監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)挖掘和信息融合為基礎(chǔ)的“統(tǒng)一的軟件集成平臺”；③以智能數(shù)據(jù)處理和聯(lián)動為基礎(chǔ)的“統(tǒng)一的技術(shù)管理平臺”。

3.2 綜合信息集成架構(gòu)

煤礦綜合自動化信息化就是建立全集成的、開放的、全礦綜合自動化的信息平臺，把企業(yè)的橫向通信(同一層不同節(jié)點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)緊密聯(lián)系在一起，通過對經(jīng)營決策、管理、計劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)。綜合自動化和信息化建設(shè)內(nèi)容包括礦井生產(chǎn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)，礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，礦井調(diào)度一體化管理系統(tǒng)；信息集成處理系統(tǒng)；企業(yè)經(jīng)營管理與決策分析系統(tǒng)建設(shè)三個層次，如圖1所示。綜合信息化系統(tǒng)平臺的建立，不僅能實現(xiàn)全礦所有數(shù)據(jù)的集中，更重要的是有機(jī)的整合了所有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過聯(lián)動控制功能模塊可以實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間信息共享及聯(lián)動，從而使原來各個獨立的系統(tǒng)變成了一個整體無縫連接的大型系統(tǒng)。通過該綜合信息化平臺，可實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)測監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度管理和高效、現(xiàn)代化的經(jīng)營決策管理。

3.3 綜合信息化物聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)

在煤礦現(xiàn)有的以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了“以太網(wǎng)+無線傳感網(wǎng)”的有線/無線的煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)綜合利用了自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等，將企業(yè)的生產(chǎn)、運行、管理作為一個整體進(jìn)行控制與管理，可真正實現(xiàn)礦井采、掘、運、風(fēng)、水、電、安全等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化和自動化。煤礦的所有要素都是物聯(lián)系統(tǒng)的連接對象,都是物聯(lián)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位,如井下的掘進(jìn)機(jī)、輸送機(jī)、各種感應(yīng)器、交換機(jī)等設(shè)備和人員等，應(yīng)用感知技術(shù)使其具有數(shù)據(jù)信息采集功能。

4 硬件平臺

為了實現(xiàn)礦井綜合信息化系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，需在調(diào)度控制指揮中心配置數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器和操作員站工業(yè)控制計算機(jī)等設(shè)備。可參考如下方法進(jìn)行配置：數(shù)據(jù)管控服務(wù)器配置2臺，構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實現(xiàn)對各子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器配置1臺，實現(xiàn)各個監(jiān)控子系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)的備份，生成歷史數(shù)據(jù)庫，以備調(diào)用和生成歷史報表；實現(xiàn)設(shè)備數(shù)學(xué)模型的建立；Web服務(wù)器配置1臺，實現(xiàn)把綜合自動化所有子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，如設(shè)備運行狀況、運行參數(shù)等以網(wǎng)頁的形式對外發(fā)布，這樣各個領(lǐng)導(dǎo)可實時在線了解煤礦各個環(huán)節(jié)的設(shè)備生產(chǎn)情況；PC操作員站配置4臺，其中一臺兼做為工程師站。正常時，4臺監(jiān)控和通訊終端(SCADA)實現(xiàn)礦井生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控。其中1臺作報警通訊機(jī)，實現(xiàn)故障實時報警、打印，兼做正常打印。當(dāng)有操作監(jiān)控站故障時，其它任意1臺監(jiān)控計算機(jī)均能完成其功能。網(wǎng)絡(luò)管理終端配置1臺，用于對工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行管理；A4網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)配置1臺，用于打印文件；136列高速針式打印機(jī)配置1臺，用于打印報表。按照上述所方法配置的硬件平臺如圖3所示。

5 軟件平臺

綜合自動化信息化軟件系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)通信、處理、采集、控制、綜合職能判斷、圖文顯示為一體的綜合數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，能在各種情況下準(zhǔn)確、可靠、迅速地做出反應(yīng)，及時處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作，達(dá)到實時、合理監(jiān)控的目的。軟件平臺將采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)控制自動化技術(shù)等先進(jìn)手段，將分布于廣域范圍的多個礦井現(xiàn)場的安全監(jiān)測信息進(jìn)行集中采集和監(jiān)視，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一存儲于工業(yè)數(shù)據(jù)庫中，并及時為集團(tuán)公司調(diào)度室、各專業(yè)部門提供各自所需的實時監(jiān)測信息。這些實時監(jiān)測可通過組態(tài)圖和表格方式進(jìn)行圖文并茂的展示。系統(tǒng)監(jiān)測信息采用WEB發(fā)布，供用戶通過瀏覽器訪問。同時將實時數(shù)據(jù)存儲至歷史數(shù)據(jù)庫中供數(shù)據(jù)分析和其它專家系統(tǒng)調(diào)用。地面調(diào)度指揮控制中心可實現(xiàn)實時地對各生產(chǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行集中統(tǒng)一監(jiān)控。為使所設(shè)計系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和可實施性，采用pSpace6.0，調(diào)度指揮控制中心設(shè)置兩臺互為冗余的pSpace IOServer和兩臺實時/歷史數(shù)據(jù)庫pSpace Server。pSpace IOServer實時采集現(xiàn)場物理I/O點的數(shù)據(jù)，并存入歷史數(shù)據(jù)庫。并在集控中心設(shè)置一臺WEB發(fā)布服務(wù)器pSpace Webserver，工礦圖和實時/歷史數(shù)據(jù)通過pSpace Webserver發(fā)布給不同的部門使用、瀏覽。

礦井綜合信息化軟件平臺可采集全礦井生產(chǎn)工藝、安全環(huán)境參數(shù)、顯示參數(shù)實時曲線、歷史曲線、報警信息顯示，對礦井上、井下各設(shè)備控制層子系統(tǒng)發(fā)出控制命令，遠(yuǎn)程啟/停設(shè)備，并能在控制中心計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)視井上井下各子系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)庫接口與信息中心數(shù)據(jù)庫連接，并能夠?qū)⒋说V級信息系統(tǒng)連接到上級管理信息網(wǎng)，實現(xiàn)煤礦與上級管理部門之間的生產(chǎn)與管理信息交換。通過Web 服務(wù)器向Internet 網(wǎng)發(fā)布各子系統(tǒng)畫面檢測信息數(shù)據(jù)顯示,礦各科室、礦領(lǐng)導(dǎo)通過瀏覽器Web 方式可以看到與控制中心各子系統(tǒng)相同的畫面，便于礦領(lǐng)導(dǎo)層及時查詢了解煤礦生產(chǎn)情況。

本文所設(shè)計的軟件平臺具有以下特點：①軟件系統(tǒng)采用全中文平臺界面，窗體框架結(jié)構(gòu)，界面直觀易學(xué)易用，多線程技術(shù)，能實現(xiàn)多任務(wù)穩(wěn)定可靠運行；②具備工程管理功能，統(tǒng)一的管理環(huán)境，可創(chuàng)建、刪除、修改，數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出，支持實裝點數(shù)應(yīng)達(dá)到65535；③具備瀏覽器功能，支持WEB發(fā)布，具備程序語言的設(shè)計、變量定義管理、連接設(shè)備的配置、開放式接口配置、系統(tǒng)參數(shù)的配置、第三方數(shù)據(jù)庫的管理等功能；④具備畫面設(shè)計功能，系統(tǒng)具備畫面設(shè)計、動畫連接、程序編寫等功能，還具備對變量的報警、趨勢曲線、過程記錄、安全防范等重要功能；⑤具備運行環(huán)境功能，支持工控行業(yè)中測量控制設(shè)備，遵循工控行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，采用開放接口提供第三方軟件的連接，支持HMI；⑥具備編程語言嵌套功能，支持VB，VBA，C語言嵌入式編程；⑦具備軟件歸檔能力，每秒歸檔數(shù)據(jù)量應(yīng)達(dá)到10000點，并可自動采集到現(xiàn)場I/O的故障報警，無需通過OPC。

6 網(wǎng)絡(luò)平臺

綜合信息化網(wǎng)絡(luò)平臺把各個自動化子系統(tǒng)有機(jī)地整合在一起，所有的監(jiān)測監(jiān)控管理操作都在一個平臺中運行，提高了礦井綜合自動化水平，實現(xiàn)了減員增效和礦井機(jī)電設(shè)備的安全運行，提高了煤礦的生產(chǎn)效率。采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式全分布控制系統(tǒng)，具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點。該礦井綜合自動化信息化網(wǎng)絡(luò)平臺的主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用1000M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為單模光纖，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過工業(yè)以太網(wǎng)連接井上、井下各個子系統(tǒng)，把所有系統(tǒng)設(shè)備控制和監(jiān)控信息傳輸?shù)郊锌刂剖遥ㄟ^服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集，使工程師完成各個子系統(tǒng)的組態(tài)，達(dá)到監(jiān)測和控制的目的。

目前采用以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的大型控制系統(tǒng)大多為分布式控制系統(tǒng)[4]。因此多采用總線結(jié)構(gòu)或星型結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了將綜合自動化信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計得更可靠，在此采用雙星型、環(huán)型、雙環(huán)形等組網(wǎng)技術(shù)。各骨干網(wǎng)絡(luò)均采用單環(huán)網(wǎng)絡(luò)的方式組網(wǎng)，保證整個自動化內(nèi)網(wǎng)的可靠性及在突發(fā)情況下的生存能力。如果環(huán)網(wǎng)中某個交換設(shè)備或連接鏈路發(fā)生意外中斷的情況，環(huán)網(wǎng)傳輸路徑將選擇反方向正常傳輸，傳輸路徑倒換時間小于50ms。在此采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和環(huán)間耦合技術(shù)，將地面各子系統(tǒng)、井下各子系統(tǒng)、集控中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等連接到1000M光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上，在調(diào)度指揮控制中心布置兩臺支持三層動態(tài)路由功能的核心交換機(jī)。兩臺核心交換機(jī)啟用VRRP協(xié)議實現(xiàn)冗余配置，為終端設(shè)備提供無縫隙的路由交換服務(wù)，兩臺交換機(jī)互為備份。在交換機(jī)正常時，兩臺交換機(jī)各自分擔(dān)一部分?jǐn)?shù)據(jù)流量；當(dāng)其中一臺交換機(jī)出現(xiàn)故障時,另一臺交換機(jī)就會自動分擔(dān)起所有數(shù)據(jù)流量,數(shù)據(jù)的傳輸不會受到任何的影響。這樣，既達(dá)到了負(fù)載均衡，又實現(xiàn)了相互備份的目的。

7 結(jié)語

目前大多數(shù)煤礦處在某個環(huán)節(jié)的信息化方面，但人們越來越多的意識到分開、獨立的安全信息化系統(tǒng)對于煤礦整體安全的作用有限。信息化從單一事項到集成是一個大的發(fā)展趨勢[5]。集中控制、集成信息平臺、自動預(yù)警已成為煤炭安全管理信息化的重要發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在作為信息獲取、傳輸、處理的新興技術(shù)必然能夠在煤礦綜合信息化建設(shè)中發(fā)揮獨特的作用，促進(jìn)我國煤礦信息化、現(xiàn)代化的建設(shè)。煤礦物聯(lián)網(wǎng)能真正實現(xiàn)煤炭企業(yè)生產(chǎn)和管理的全過程信息化、自動化和智能化。需要指出的是煤礦信息化真正的難點在于生產(chǎn)裝備的信息化。

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