正利煤業智慧礦山控制系統的應用研究

張亮華

(霍州煤電集團，山西 霍州 031400)

0 引 言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦設備被應用到了煤礦開采中。但煤礦的開采效率及設備的故障率相對較低，整體智能化遠程控制能力較弱，且開采過程中存在較大的安全隱患[1]。以正利煤業為例，該煤礦雖已建設了基于Ifix組態軟件的煤礦綜合自動化系統平臺,但礦方各生產單位的控制系統還是分散管理，獨自運行，礦井原綜合自動化系統平臺還未能實現各子系統的遠程控制，未能實現全礦的遠程集中生產管控，目前全礦努力建設“無人值守，有人巡檢”的智慧礦山。大力開展煤礦智慧礦山的建設與發展，是當前政府及企業重點推行的方向。為此，結合正利煤業特點，開展了該煤礦智慧礦山控制系統設計及應用研究，并對該控制系統進行了應用，得到該系統運行效果良好，功能更加全面，達到了預期效果，這對提高煤礦的開采效率及作業安全具有重要意義。

1 智慧礦山控制系統建設目標

智慧礦山將實現對井下安全監測系統、110kV變電所系統、井下電力監測系統、主井1#提升系統、主井2#提升系統、主通風機監測系統、壓風機監測系統、洗煤廠監測等系統融合和綜合集成[2]。通過動態可配置的組態畫面，系統可以實時動態展示主要生產流程，采煤、運輸、提升、洗選等等運行狀態，全面掌握井下主要作業地點的環境參數、關鍵設備的運行狀態和產量數據，方便安全生產調度進行調度指揮和科學決策[3]。煤礦自動化系統結構圖如圖1所示。

圖1 煤礦自動化系統結構圖

有計劃的建設智慧礦山智能管控平臺建設項目，進一步提升正利煤業智能化程度，充分利用“一張圖”提供位置服務，實現地質、測量、通風、機電、采掘、技術等礦井各專業信息統一管理、動態更新、數據共享與協同工作；利用大數據和人工智能技術，實現礦井安全隱患智能感知與安全生產動態診斷，直接服務于正利煤業安全生產指揮與決策。

2 智慧礦山控制系統方案設計

智慧礦山整體架構主要由感知執行層、網絡傳輸層、操作系統平臺層(MOS)和智能應用APP層(AppStore)組成。該控制系統采用微服務架構和前后端分離技術進行研發。可跨平臺部署各類后臺服務，供PC端、移動端采用BS架構調用。系統部署在數據中心，可跨平臺部署各類后臺服務，供PC端、移動端采用BS架構調用[4]。系統運行環境要求：需要9臺虛擬機，分別部署視頻服務器1臺，各類服務部署服務器2臺，應用服務器2臺，數據采集及推送服務器2臺，數據庫服務器2臺；CPU：Intel(R)Xeon(R)CPUE5-2650v4@2.60GHz/8核；內存：16G；數據存儲容量按1T/年設計。同時，該控制系統中的基礎服務層：上層應用提供基礎技術服務，包括時空位置服務、可視化服務，由GIS平臺、組態化平臺、BI及報表工具、設計協同平臺組成。而應用服務層：在數據服務層和基礎服務層提供的服務的基礎上，為上層應用提供業務應用服務，包括設計協同服務、業務流程服務以及大數據分析服務，由設計協同平臺、工作流引擎和大數據分析平臺組成。整個控制系統的框架圖如圖2所示。

圖2 智慧礦山控制系統框架圖

3 控制系統關鍵部分設計

3.1 主運輸智能管理分系統設計

主運輸智能管理分系統設計系統基于視頻大數據AI分析技術，能夠通過視頻自動識別皮帶煤量、異物(錨桿、鋼板、大塊矸石)、堆煤等，對皮帶集控系統進行智能化提升，包括皮帶智能調速、皮帶異物與堆煤等異常情況的保護停機等，形成一個智能化、多功能、全天候的動態安全智能閉環節電系統[5]。具有生產系統實時監控、海量實時數據詳細列表查詢、海量工況數據實時分析、報警顯示及查詢、運輸系統繪制管理等功能。其中，平臺能夠對報警信息進行實時管理，工作人員可通過平臺查看當前報警信息，并通過歷史查詢功能對報警信息進行分析及管理。

3.2 融合通信與調度分系統設計

融合通信與調度分系統設計是集煤礦井上下、通信設施(有線、無線)、通信終端(固定電話、語音廣播、移動終端)、人員等信息一體化管理，基于煤礦“一張圖”實現井上下調度的可視化管理[6]，調度平臺圖如圖3所示。該分系統具體功能如下。

圖3 融合通信與調度平臺圖

(1) 移動調度與指揮

智能調度系統已不僅局限在調度臺的統一調度，基于管控平臺的智能調度可基于手機、PAD等移動終端實現對井下生產的移動調度。

(2) 語音識別呼叫

智能調度在傳統的撥號通信的基礎上，引入語音自動識別的機器學習技術，實現語音文字自動識別，實現語音呼叫功能。

(3) 一鍵群呼

能夠一鍵按鈕實現與分組下的人員、固定設備的一鍵群呼功能。

(4) 精準定位與通信

基于一張圖的位置服務，將固定設備、移動設備等基于GIS地圖展現，實現調度系統的精準呼叫與可視化呼叫。

3.3 報警聯動與應急指揮分系統設計

當發生安全生產報警時，系統能立即啟動報警與聯動功能。故設計了一套報警聯動與應急指揮分系統，其顯示界面如圖4所示。

圖4 報警聯動與應急指揮分系統圖

具體功能如下。

(1) 聲光報警

根據報警點的位置自動搜索所在的區域，系統將在區域監控模塊自動切換到報警所在區域，在一張圖上將報警點進行精確定位，并以聲光報警的方式進行展示與提醒。

(2) 數據融合

實現對報警所在區域的視頻、人員、環境監控、廣播、生產自動化數據、設備運行數據等實時數據進行融合展示，讓管理者和決策者實時掌握井下監測報警的各類數據。

(3) 報警聯動

根據報警級別，系統能夠在最短的時間內與融合通信與調度系統聯動，實現一鍵呼叫、一鍵群發或自動群發；與人員定位系統聯動，實現一鍵群發語音和震動或自動群發語音和震動，實現區域報警與聯動。

3.4 設備健康診斷分系統設計

在檢測設備相關參數后，通過特定的信號處理方法和故障診斷算法，實現煤礦大型機電設備管理的科學化、規范化、系統化、信息化，為設備的應急控制和維修管理提供準確、可靠的依據，從而節約維修費用，避免重大事故發生。為此，設計了設備健康診斷分系統，其運行界面如圖5所示。該系統主要包括以下功能。

圖5 設備工作狀態監測及數據查詢

(1) 在線監測與實時智能診斷

系統通過采集大型機電設備振動、溫度、電參數信號，獲取設備運行狀態信息，利用信號識別和表征技術，實時定量診斷故障損傷部位和嚴重程度。

(2) 預警預報

可隨時掌握設備運行狀態，發生超限、故障時，可自動彈出報警類型、報警狀態、報警時間等，并可通過GIS模塊顯示設備空間地理位置。

(3) 數據查詢

以表格形式輸出報警記錄，可對機電設備的歷史數據進行查詢，另外可進行趨勢分析。

4 控制系統運行效果評價

為進一步驗證該控制系統的綜合性能，將其在正利煤業智慧礦山建設中進行了實際應用。該系統在運行過程中，通過區域安全監控，實現了井下區域內的環境參數、人員情況、視頻、廣播等進行集成和融合；并將礦井通風系統的三維動態可視化、通風系統的優化調節、故障動態報警等功能進行了有機結合；利用AI視頻分析技術自動發現井下異常情況、場景或行為，實現及時預警、報警，將安全隱患消滅在萌芽狀態。據現場人員統計，該系統運行期間，各配套部件的故障率同比降低了60%左右，系統耗電量降低

40%左右，人員在整個環節中的勞動強度也大大降低。由此，提高了礦井安全生產、智能化的管理水平，改變了主運輸皮帶空載高速運轉以及“大馬拉小車”的狀態，大大提高了礦井突發事件應急救援、應急響應能力，達到了預期效果，具備良好的安全效益、社會效益和經濟效益。

5 結 語

大力開展煤礦智慧礦山信息化、智能化的建設，將更加先進的控制技術應用到煤礦開采中，是當前煤礦企業面臨行業改革的重要方向和必經之路。智慧礦山信息化程度的提高，不僅能提高煤礦的開采效率，實現對井下設備運行狀態的實時監控和遠程控制，也能降低設備故障率和能源消耗、減少作業人員數，給企業帶來巨大的經濟效益。在智慧礦山建設中，由于每個煤礦地質特點有所不同，故需進行有針對性的控制系統設計及研究，所有指標需達到相關規范要求。該研究也對煤礦智慧礦山的建設起到了重要的指導及借鑒作用，實際價值較大。