基于Hadoop架構的蘆溝煤礦綜采自動化系統研究與設計

賈艷麗魏宏鵬趙丹陽

(1.南陽理工學院,河南省南陽市,473004; 2.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司蘆溝煤礦,河南省新密市,452373; 3.內蒙古北方重型汽車股份有限公司,內蒙古包頭市,014030)

★煤炭科技·機電與信息化★

基于Hadoop架構的蘆溝煤礦綜采自動化系統研究與設計

賈艷麗1魏宏鵬2趙丹陽3

(1.南陽理工學院,河南省南陽市,473004; 2.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司蘆溝煤礦,河南省新密市,452373; 3.內蒙古北方重型汽車股份有限公司,內蒙古包頭市,014030)

為了提高綜采各設備間協同工作的能力,提出了基于Hadoop架構的分布式綜采系統的設計思路,詳細介紹了該綜采系統的系統架構和功能實現,同時結合蘆溝煤礦的實際情況,設計了該綜采系統的網絡結構。

蘆溝煤礦 Hadoop架構 綜采自動化系統 無線傳感器網絡

1 引言

隨著我國“兩化融合”的不斷推進,綜采自動化系統被越來越多的煤礦所采用,與傳統的采煤方式相比,綜采自動化系統不但提高了生產效率,同時也大大地減少了安全生產事故的發生。由于各個煤礦的綜采自動化系統在功能和工作流程上存在較大差異,部分煤礦在綜采自動化系統的應用、維護和升級等方面也面臨著一些新的問題。

蘆溝煤礦是鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司骨干生產礦井之一,近幾年隨著信息技術的快速發展,蘆溝煤礦引入了基于C/S架構的綜采自動化控制系統,在運行一段時間后,發現該系統存在以下幾個方面的問題:

(1)該綜采自動化系統嚴重依賴中心服務器,一旦中心服務器出現故障,則會影響到整個綜采系統的正常協同工作。由于系統采用了傳統的C/S架構,導致中心服務器頻繁的與各綜采終端設備進行數據交換,這不但增加了網絡負載,也大大增加了中心服務器的數據計算存儲負擔,從而加大了中心服務器出現不穩定運轉的風險。

(2)該綜采自動化系統采用傳統的總線控制系統,增加了系統升級和擴展的難度,尤其是當中心服務器不能滿足當前計算存儲需求時,煤礦需要花費大量資金重新購置新的中心服務器,不僅增加了設備成本,而且在升級中心服務器時也影響到了煤礦的生產。

(3)獲取綜采設備工作狀態的最佳手段是通過傳感器設備實時獲取綜采設備的工作數據,由于該綜采自動化系統缺少對傳感器設備的支持,所以導致無法實時獲取綜采設備的工作狀態數據。

因此,為了提高蘆溝煤礦綜采設備間的協同工作能力,最大程度地發揮現有綜采設備的效能,充分利用現有的信息化設備和成熟的信息化技術,研究設計了一套集智能檢測、協同作業和遠程控制等功能于一體的基于Hadoop架構的蘆溝煤礦綜采自動化系統。該系統能夠實現對各綜采設備的遠程控制與無縫銜接,在提升生產效率的同時,也降低了采煤工作面工人的安全風險。

2 綜采自動化系統設計

2.1 系統架構

本綜采自動化系統由分布式計算中心、監控調度中心和井下控制系統組成,該系統總體架構如圖1所示。

圖1 分布式綜采自動化系統總體架構示意圖

2.1.1 分布式計算中心

分布式計算中心可由多臺低端的服務器或計算機構成,通過在這些機器上部署基于Hadoop的分布式軟件系統,使其成為一個強大的計算和存儲陣列,為整個綜采自動化系統提供復雜的計算和大數據存儲。Hadoop作為一個分布式系統的基礎架構,能將多臺低端的服務器或計算機整合成一個強大的計算存儲集群,從而在不影響綜采自動化系統整體響應能力的同時,為蘆溝煤礦的信息化建設節約部署成本。與傳統的專用服務器相比,該中心還有易于擴展的優勢,在計算能力遇到瓶頸時,只需要在該中心添加相應的計算機節點即可。當其中的某一個計算機節點出現故障,也不會影響到分布式計算中心對整個綜采自動化系統的服務質量,比傳統單一服務器配置具有較高的穩定性和可靠性。該計算中心接收來自監控控制中心和各個井下控制系統發來的計算請求,并反饋計算結果。

2.1.2 監控調度中心

監控調度中心是蘆溝煤礦分布式綜采自動化系統的決策者,負責從整體上將各井下控制系統發送的監控信息和分布式計算中心發布的計算結果展現出來,接收來自工作人員的控制指令,對指令解析后將指令發送給井下控制系統。通過監控調度中心,工作人員可以實時了解井下各個綜采工作面的情況和綜采設備的工作狀態。

2.1.3 井下控制系統

井下控制系統的網絡結構分為兩部分,一部分是作為控制網絡的工業以太網絡,該部分網絡采用環形網絡拓撲結構,由于井下工作環境惡劣,環形網絡拓撲結構在網絡中某一節點出現故障時,仍然能夠保證其他節點的正常通信需求,從而增加了網絡的穩定性;另一部分是實時獲取綜采工作面環境參數和綜采設備工作狀態參數的無線傳感器網絡,通過在井下各綜采設備和綜采工作面部署無線傳感器,使其組成無線傳感器網絡,并通過無線網關將各傳感器采集到的數據發送到地面監控控制中心和分布式計算中心。井下控制系統的工作示意圖如圖2所示。

圖2 井下控制系統工作示意圖

3 綜采自動化系統實現的功能

3.1 分布式計算中心實現的功能

分布式計算中心一方面負責接收來自各個井下控制系統發送的綜采工作面環境參數信息和設備運行狀態信息,并與給定的標準數據進行對比,如果發現當前的環境參數或者設備狀態信息不在給定的標準數據范圍內,則向監控調度中心發送警告信息;另一方面對監控調度中心發送的指令信息進行校驗,如果發現指令與常規的操作流程不符,則向監控調度中心發送警告詢問信息,在得到監控調度中心確認后才能使該指令往下進行,否則取消該指令,這樣有利于避免由于人為疏忽而引起的誤操作。

借助分布式系統強大的存儲計算能力,蘆溝煤礦可將一些規范化的流程操作存儲到分布式計算中心,分布式計算中心以這些流程為標準,對來自監控調度中心的每一條指令進行校驗,當發現與標準流程不符的指令時,則暫停該指令的轉發操作,并向監控調度中心確認該指令是否需要強制執行。同時,分布式計算中心也存儲了綜采設備的標準工作參數和各種情況下綜采工作面的標準環境參數,對各井下控制系統發來的實時數據進行校驗,一旦發現異常,則向監控調度中心發送報警信息,并搜索相應的預案,如發現有系統中存儲有處理此類事件的預案,則按照預案執行相應的流程,否則等待監控調度中心的指令。分布式計算中心還可以根據存儲的各類綜采設備的維修檢測信息自動計算設備的檢修時間,并按要求在檢修日期來臨前向監控調度中心發送提示信息。

3.2 監控調度中心實現的功能

監控調度中心一方面實時接收來自各個井下控制系統所采集的工作面環境信息和設備運行狀態信息,并將這些信息以圖表的形式展現出來,同時接收來分布式計算中心發來的各類告警信息;另一方面負責向各綜采設備發送相應的指令信息,這些指令信息首先要通過分布式計算中心的校驗,防止因為人為疏忽而導致的誤操作。

監控調度中心支持條件指令,即當發現井下控制系統所采集到的數據滿足某一條件時,可自動觸發某一指定指令,該指令依然需要通過分布式計算中心的校驗,以防止意外事故的發生。相關工作人員可在監控調度中心編輯標準工作流程、各類綜采設備的標準工作參數指標和維修檢測信息以及各類綜采工作面的標準環境參數等信息,并將這些信息存儲到分布式計算中心。

3.3 井下控制系統實現的功能

井下控制系統由礦壓監測控制單元、采煤機監測控制單元、刮板輸送機監測單元、供配液監測控制單元、供電監控單元以及氣敏監控報警單元6個部分組成,各個部分分別實現不同的功能。

3.3.1 礦壓監測控制單元

礦壓監測控制單元能夠實現工作面礦壓監測、巷道礦壓監測以及對自移式液壓支架的遠程遙控等功能。通過在自移式液壓支架上安裝相應的傳感器,實現對工作面礦壓、支架工況以及支護質量監測,通過壓力傳感器實時采集工作面支架的前后立柱的工作阻力,位移傳感器實時采集支架立柱伸縮量,傾角傳感器實時采集支架頂梁傾角,通過這些實時數據可實時掌握頂板壓力的變化情況,并準確預測頂板初次來壓及周期來壓,從而采取有效防范措施,減少和消除頂板壓力給安全生產所帶來的不利影響。與此同時,也可以及時發現損壞或不能正常工作的支架,還能夠檢查支架操作的初撐力是否符合要求,以檢查和保證工作面的支護質量。巷道礦壓監測可通過使用錨桿拉力傳感器對巷道支護質量進行實時監測,還可實現多截面多點監測。各類無線礦壓檢測傳感器通過無線傳感器網絡將采集到的數據實時傳輸到地面分布式計算中心和監控調度中心,并通過工業以太網絡和現場總線控制網絡接收來自監控調度中心的指令,從而實現自移式液壓支架的遠程控制。

3.3.2 采煤機監測控制單元

采煤機監測控制單元通過電流負荷傳感器和開關量傳感器實時獲取采煤機工作狀態,防止采煤機發生超負荷運轉的情況;通過傾角傳感器來實時獲取采煤臂的俯仰角度,從而實現對采煤機的精準控制,提高采煤效率;通過位移傳感器實時獲取采煤機的位置信息;通過溫度傳感器和壓力傳感器實時采集冷卻水的溫度和壓力;通過在采煤機的危險工作區域安裝人體接近傳感器來實現對人體的識別,一旦發現有人在這些危險區域,則不能開機或者馬上停止運轉,以防止安全事故的發生。傳感器采集到的數據通過無線網絡傳感器實時傳輸給地面分布式計算中心和監控調度中心,并通過工業以太網絡和現場總線控制網絡接收來自監控調度中心的指令。

3.3.3 刮板輸送機監測單元

刮板輸送機監測單元通過電流負荷傳感器和開關量傳感器實時獲取刮板輸送機工作狀態,防止刮板輸送機發生超負荷運轉的情況;通過測速傳感器實時采集刮板輸送機電動機以及鏈板轉速數據,通過對比鏈板轉速和電動機的轉速來檢測刮板輸送機的傳動部分和動力部分是否出現故障;通過溫度傳感器實時采集刮板輸送機電動機的溫度和周邊環境的溫度,一旦發現電動機溫度或周邊環境溫度出現異常情況,監控調度中心可立即對刮板輸送機采取減速、制動和停車等措施,防止因為過熱而導致對電動機或其他裝置的損毀;通過壓力傳感器實時采集作用在溜槽上的壓力,防止由于超載而給電動機造成過載,同時也防止鏈板因為過載而導致疲勞失效;通過超聲波傳感器實現對鏈板和鏈條的無損探傷,防止因為疲勞失效而導致鏈板和鏈條的斷裂。傳感器采集到的數據通過無線網絡傳感器實時傳輸給地面分布式計算中心和監控調度中心,并通過工業以太網絡和現場總線控制網絡接收來自監控調度中心的指令。

3.3.4 供配液監測控制單元

供配液監測控制單元主要包括噴霧泵站監控、乳化液泵站監控以及冷卻水泵站監控等,噴霧泵站通過出口壓力傳感器實時采集出口壓力,防止由于出口壓力過大或過小對自身或者其他設備造成損壞;通過油溫、油位、油壓傳感器以及泵箱液位傳感器實時采集噴霧泵的工作狀態信息;通過油溫和油壓傳感器實時采集乳化液泵中潤滑油油溫和油位信息;通過壓差傳感器實時采集管路高低壓過濾器進出口的兩邊壓差;通過油位傳感器實時獲取乳化液在乳化液箱中的液位信息;通過溫度傳感器實時采集冷卻水泵站中冷卻水的溫度信息,防止冷卻水溫度過高而影響正常的生產計劃。傳感器采集到的數據通過無線網絡傳感器實時傳輸給地面分布式計算中心和監控調度中心,并通過工業以太網絡和現場總線控制網絡接收來自監控調度中心的指令。

3.3.5 供電監控單元

供電監控單元主要通過電流傳感器實時采集移動變電站和UPS備用電源的工作狀態,并將這些采集到的信息通過無線網絡傳感器或者工業以太網絡傳輸給地面分布式計算中心和監控調度中心,同時,也實時接收來自監控調度中心發來的指令,從而實現備用電源和移動式變電站的快速切換。

3.3.6 氣敏監控報警單元

氣敏監控報警單元主要包括對有害氣體及粉塵的監測和報警單元,通過在綜采工作面安裝多個各類氣敏、氣壓、風速傳感器和報警裝置,實現對有害氣體和粉塵的全方位無死角監測,一旦發現監測數據異常,則可通過報警裝置及時通知處于危險區域中的工作人員快速撤離,從而最大限度地減少安全生產事故的發生。

4 結語

分布式綜采自動化系統的部署和運行不但解決了原有綜采系統中存在的穩定性不高和擴展能力有限的問題,而且通過復用原有系統的硬件設備,也大大降低了蘆溝煤礦在信息化 方面的成本。由于其采用了無線傳感器網絡,使得分布式綜采自動化系統本身具有一定的自檢能力,環形的網絡拓撲結構進一步提升了系統的容錯能力和穩定性。通過在蘆溝煤礦一段時間的運行,分布式綜采自動化系統完全符合該煤礦的生產需求,極大地降低了人工成本,提高了綜采工作面的生產效率。

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[2] 何勇華.綜采自動化控制系統在新元煤礦的應用[J].中國煤炭,2014(9)

[3] 趙小虎,張申,譚得建.基于礦山綜合自動化的網絡結構分析[J].煤炭科學技術,2004(8)

[4] 王東,程志齊.白芨溝煤礦綜采系統的技術改造[J].礦山機械,2012(2)

[5] 付國軍,楊明亮,許太山.綜采無人工作面的整體設計與實現方法的構想[J].工礦自動化,2012 (12)

(責任編輯 路 強)

Research and design of fully mechanized mining system for Lugou Coal Mine based on Hadoop architecture

Jia Yanli1,Wei Hongpeng2,Zhao Danyang3
(1.Nanyang Institute of Technology,Nanyang,Henan 473004,China; 2.Lugou Coal Mine,Zhengzhou Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Xinmi,Henan 452373,China; 3.Inner Mongolia North Hauler Joint Stock Co.,Ltd.,Baotou,Inner Mongolia 014030,China)

In order to enhance the team working efficiency of different facilities,the design of distributed fully mechanized mining system was proposed on the basis of Hadoop architecture. The architectures and functions of this system were expounded.Moreover,the corresponding network for this system was designed according to the actual situation of Lugou Coal Mine.

Lugou Coal Mine,Hadoop architecture,fully mechanized mining system,wireless sensor network

TD67 TD823.97

A

賈艷麗(1977－),女,河南新野人,現任南陽理工學院講師,主要研究方向為煤炭行業數據挖掘及計算機軟件與理論研究。