以物聯網為基礎的煤礦安全協同管控系統研究

張倩倩

（潞安集團常村煤礦洗煤廠，山西長治 046102）

0 引言

隨著國家煤炭行業的不斷發展，國家對其安全生產的重視程度越來越高，不斷加大對煤炭行業技術裝備的創新研發力度，尤其是在推廣“六大系統”方面，使得煤炭行業的安全隱患大大降低，安全事故和死亡人數的發生概率也逐年降低。然而，煤礦作業過程中的死亡總數還是處于較高水平，煤礦作業中的事故安全形勢仍然處于較為嚴峻的態勢[1]。

如今，通常而言有關煤礦安全生產的監控系統的模式架構往往包括現場設備層、應用層以及傳輸層3 層。其中，現場設備層包括各種傳感器（CH、硫化氫、一氧化碳、粉塵、溫度、電壓、位移、壓力等等）控制機構組成，分站（人員、電力、安全監控、頂板等）或PLC 實現對相應的模擬信號與數字信號的實時采集，根據系統特定業務目的完成就地監視與控制；應用層通過不同的應用軟件采用私有協議與相應的設備進行數據的實時采集、分析、交叉控制和遠程控制，不同系統間的數據融合通過應用層軟件實現；傳輸層主要基于“工業以太環網+現場總線+無線覆蓋”模式，構建全礦井信息公共傳輸通道。該類型的模式在一定階段中能夠保障煤礦的安全生產，并為其提供基礎技術支持。隨著安全生產自動化的不斷發展和信息化水平的不斷提高，煤礦開采作業對安全生產環境、生產過程的管控模式都有較大的改善，現有的模式無法滿足煤礦現場應用需求。因此，將物聯網技術引入到煤礦安全監測監控及自動化領域，通過對礦山感知、傳輸、數據融合分析等技術及裝備的研發和應用，可以高效提升開采、煤礦安全的技術，具有十分重要的現實意義。

1 系統網絡架構設計

圖1 系統網絡構架情況圖

在物聯網背景下的煤礦安全管控系統網絡架構平臺共分為3 層，其中包括管控層、鏈路層和設備層，如圖1所示。其中，設備層是保證系統進行安全生產的監控層以及執行層，發揮對動作進行控制的具體的執行作用和采集現場信息作用，開發各功耗低、具備智能化特性的傳感器以及移動終端。借助有線的萬兆工業環網或無線網絡接口，所有的監測監控子系統數據將匯總進入鏈路層，鏈路層包括3大環路網絡，為設備層數據提供高效率、強穩定性、井然有序的通道進行數據傳輸，并把數據傳輸至管控層當中[2]。管控層借助云計算數據中心數據融合以及分配業務，通過調度大屏和控制中心屏幕把礦井全方位、立體化地呈現出來，可以充分確保對采礦安全生產進行信息化以及智能化的全方位管理。

2 協同控制系統技術及裝備

2.1 低功耗傳感器設計

終端傳感器的低功耗設計是確保系統多節點、數字化優勢得以發揮的基礎。因此，選擇先進的低功耗處理技術。傳感器低功耗設計主要遵循以下思路。

2.1.1 硬件設計思路

（1）低功耗檢測元件選型及應用研究。選用功耗較低的物理量檢測元件，從檢測原理更新、加工工藝改進等2 個方面優選一氧化碳、氧氣溫度、風速、煙霧、錨桿（索）應力、圍巖、鉆孔應力、頂底板移近量、跑偏、速度、堆煤、振動等傳感器檢測元件，并進行相關測試及應用研究。

（2）整機低功耗研究。傳感器設計時，每個電子元器件都優選漏電流小的低功耗器件，采用低功耗的單片機作為主控智能核心，特別是電源電壓轉換芯片，需要采用高效芯片，從而有效降低整機功耗。

（3）傳感器低功耗工作機制的電路設計[3]。主板采用動態顯示電路，一般情況下無數據顯示節省功耗；元件電路等重要功能電路單元都配有單獨的供電控制，由單片機根據工作機制合理控制各功能電路單元的上電與斷電，有效降低傳感器整體功耗。

（4）傳感器故障自診斷硬件電路設計思路。考慮到電路板關鍵電子元件的故障特性，在電路設計時對主板中多個LDO 芯片輸出電壓信號進行實時狀態跟蹤，然后通過軟件程序算法實現電壓欠壓、過壓等異常現象的自診斷[4]。

2.1.2 軟件設計思路

（1）傳感器低功耗工作機制。結合傳感器低功耗工作機制的電路設計，根據不同檢測元件的工作特性，由程序軟件控制各種檢測元件上電工作占空比的機制，在保證傳感器正常工作、有效監控的基礎上，降低檢測元件的平均功耗。

（2）傳感器故障自診斷。通過大量實驗，得到LDO 失效、元件斷絲等各類硬件故障測試點的經驗閾值，在程序中對各故障測試點的電壓值進行周期性判斷，得出故障結論。

（3）傳感器數據交互。在傳感器程序中設置備用節點，當傳感器監測數據異常時，通過網絡偵聽技術及主動呼叫機制確定備用節點數據變化趨勢是否一致，來提升監測數據真實性，避免誤報。

2.2 區域協同控制器

為了監控所有采礦工作范圍內的環境參數、工人分布、運作設備等情況進行實時掌控，將對區域協同控制器借助嵌入式芯片進行處理，從而對煤礦生產當中容易產生的不穩定情況及時處理。礦井下的環境參數發生異常情況的時候，比如：礦井內瓦斯含量突然升高到預警的水平時，系統會通過發出一定的警示以提醒相關的生產工作人員來采煤速度進行降低，或者通風設備進行一定的控制，使得供風量提高，發出終端報警，如果礦井下安全參數持續上升，監控系統會及時通過調度室發出警報，并禁止一切工作人員進入礦井[5]。

區域協同控制器有效連接著終端與地面設備，能夠發揮的主要功能包括傳輸、控制、采集，具體如下所示。

（1）信息數據融合的功能，通過采集安全系統相關監測的數據來監控數據，擁有標準數據進出接口。

（2）數據存儲的功能，可以對信息進行設置和存儲，與此同時，還能提供對異常數據進行自動處理。

（3）數據處理的功能。具備邏輯編輯及處理的功能，根據用戶的真實個性化需求，運行簡單容易操作的邏輯功能進行編輯。除此之外，還能在離線狀態中實現對已編輯好的邏輯進行自動運行。

（4）按需配置的功能。結合具體的實際情況，能夠實現把光口或者電口配置、總線類型、電流采樣和頻率等配置到相應的硬件需求當中，實現按需配置。

（5）系統智能化的管理功能。智能化管理備用電池的電量、設備連接的狀態以及運行的參數。

3 協同管控平臺設計

3.1 數據融合模式

傳感器數據融合通過利用多個傳感器信息，依據傳感器布點規則及風流方向與環境甲烷變換間的關系，從而實現監測數據的交互校驗與趨勢預判。在一些要求高可靠性的監測點，也可以同時掛接2臺同類傳感器，從而實現最準確的交互校驗和趨勢判斷。如工作面上隅角設置的甲烷傳感器與工作面設置的甲烷傳感器數據變化趨勢具有高度的一致性，可以通過將相關的2個傳感器互相設置為備用傳感器，當主或備傳感器監測數據異常時，通過網絡偵聽技術及主動呼叫機制確定關聯節點數據變化趨勢是否一致，通過數據交互算法確定監測數據異常的有效性，以提高監測數據的可靠性，減少誤報。如果確實發生瓦斯濃度異常升高等重大險情，主、備傳感器報警，并主動呼叫分站和斷電控制器，實現協同控制，對采掘電氣設備執行斷電操作，井下工作人員緊急疏散升井，切實保障工人和煤礦生命財產安全。傳感器數據交互及協同控制軟件流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器數據交互及協同控制軟件流程圖

3.2 協同控制策略

通過協同控制策略實現各子系統的信息共享，使得原來各個獨立的系統轉變為整體的無縫連接大型系統。煤礦主要系統的協同控制關系如圖3 所示。從圖中可以看出，瓦斯災害預警系統、電網監控系統參與各個生產環節的協同控制[6]。

圖3 主要系統的協同控制關系

建立各個生產環節的協同控制策略，是為了讓系統能夠有效地進行協調合作，實現安全生產。具體控制策略如下。

（1）作業礦井下CO 或者瓦斯含量超過警示線，就需要停掉作業區內的一切機電設備，通過廣播系統來通知作業工人進行撤退，同時點亮指示牌便于指引作業人員撤退路線；使用人員定位方式，組織通知人員撤退；打開監控隨時觀察情況，啟動應急預案。

（2）煤礦中所有的大型機電設備在開始投入使用前，都首先需要對煤礦的環境進行環境參數（如瓦斯、CO、溫度等）判斷，是否符合開機要求，才能開機運行，當參數不符合時，則不能開機運行。

（3）結合涌水量、水位和電價，制造主排水系統水泵或者用水系統水泵的基礎是避峰填谷[7]。

（4）壓風機啟用的數量主要取決于井下的設備對風量的需求。

（5）電網停電，造成通風機局部停止運作的情況，按照實時監測瓦斯、CO、風速變化的原則，符合作業人員撤離條件的，必須按照規定撤離。

（6）結合煤礦井下的風量需求，對機電設備進行通風系統調節,并打開視頻觀察系統，對每個煤礦作業區域的通風情況進行實時監控觀察。

（7）一切重要的機電設備，比如架空人車、絞車、膠帶、壓風機、水泵等設備機電出現故障的時候，可以通過視頻觀察進行監控。

（8）對各個機電設備的運行狀況進行實時數據分析，根據機電設備的狀況提示內容，用戶對設備需要進行何種類型操作進行提示，例如是否需要修護、是否需要保養等。

（9）膠帶系統依照煤量調節的帶式輸送機的速度，同時通過煤量的產量計算自行調節采煤機切割煤礦的進度，從而預防帶式輸送機過度使用而產生機械故障。

綜合利用已有研發基礎，結合本項目研發了系列環境參數、設備工況、目標跟蹤定位、生產過程控制與個人便攜裝備相關的傳感設備，實現了人員位置、設備的工作狀況、環境的參數等穩定可靠性進行動態的感知。具體如下。

（1）傳感設備具備對身份進行識別、對趨勢進行判斷以及對狀態進行自檢等智能化的功能，具有功耗低、可靠性強的特點，可以對礦山發生的災害發出預警報。

（2）對于各機械設備和傳感設備有多數據、多維度預知能力，滿足傳感設備對機電設備的運作狀況和故障報修。

（3）采用統一協議的無線和總線數據將傳感設備接入技術組網，各類工作人員穿戴傳感設備、環境監測的傳感設備、機電故障診斷的傳感設備、定位傳感的設備等在傳感層可以完成數據的交互，達到迅速感應和處理作業工人作業環境周圍的安全狀況，形成主動式安全保障。

（4）采用6LowPan 建立輕量級IPV6 協議，并搭配計算方式MHC（基于最小跳數路由協議），同時創建以智能路由IPV6 的戰略支撐，解決了設備入網及獲取海量傳感器地址的問題[8]。

4 結束語

由于煤礦井下面的環境十分復雜，當中的各類因素相互制約著煤礦井下的信息化發展。但是，可以通過創建高產量高效率礦井，提高礦井的信息化和智能化方式，讓礦井信息化能夠更加深入地為安全生產服務，同時讓煤礦開采從粗放式的發展向高效、綠色、安全的環保式科學開采發展，從而形成智慧礦山。以物聯網的煤礦安全管理系統，緊緊圍繞著礦山物聯網構架、標準與規范、傳感控制設備的低功耗與高穩定性、信號覆蓋與多制式通信適配、信息分層實時融合與控制。在建設中，有效結合傳感器數據和智能化的深入使用，通過大數據和云計算的發展應用，讓環境中能夠達到“環境、機電、人員”的數據能充分高效地分析利用、協同控制、全面感知和融合共享，從而全方位地提高礦井綜合管理水平和安全生產保障。