基于物聯網的選煤廠監控系統研究

亓連超

（山東能源集團兗煤藍天清潔能源有限公司，山東 鄒城 273500）

1 引言

選煤是對原煤進行深加工的一項重要工序，它既可以通過洗煤將原煤劃分為精煤、中煤和矸石，提高煤炭的利用效率[1]，還能剔除原煤中的有害成分，避免了煤炭燃燒過程中有害物質泄漏到大氣中造成的環境污染[2]。傳統選煤廠生產車間智能化、信息化水平相對較低，難以對選煤過程、設備運行狀態進行全方面監控，導致了故障率相對較高[3]。運用物聯網技術構建生產監控平臺，可以加強不同洗煤設備之間的互通互聯[4]，實現對選煤過程實時監控，提高選煤效率，降低設備故障率，也為未來選煤廠生產管理的智能化變革提供了解決方案[5]。

2 選煤廠監控系統功能需求

對選煤過程的監控主要分為對作業環境的監控和選煤設備的監控。作業環境的監控主要是通過傳感器對儲煤倉內溫度以及一些可燃氣體濃度值進行監測并上傳；選煤設備的監控主要針對參與選煤過程中的一些大型機械設備，如輥式破碎機、帶式輸送機、重介分選機等[6]。通過TCP通信或者無線網絡按照相應的網絡協議上傳到監控系統數據庫中，實現對選煤機械的實時狀態監測。本文設計的基于物聯網的選煤廠監控系統主要需要實現的功能有：

（1）異構選煤設備的數據采集

在不同類型、不同廠商的選煤設備之間搭建一個統一的監控系統，需要構建相應的通信協議，并將采集數據按照規定的數據封裝格式存儲到監控系統的數據庫中，為實現選煤設備的狀態監測奠定了數據基礎。

（2）復雜環境下通信穩定能力和抗干擾能力

由于選煤廠的作業環境相對惡劣，往往會對采集信號上傳的穩定性造成一定的影響，進而影響到整個選煤廠監控系統的性能，因此監控系統需要具備一定的抗干擾能力。同時，由于選煤過程工序較為繁雜，經常跨車間、多設備共同作業，傳統有線通信不能滿足實際需求，因此添加無線通信模塊，通過有線與無線的結合，實現選煤過程信息的高效穩定傳輸。

（3）選煤廠監控終端顯示平臺

從底層選煤車間上傳的各類信息上傳到數據庫后，需要通過一個終端顯示平臺按照管理人員的需求，實時顯示相應的狀態信息，并將采集的狀態參數與事先錄入數據庫中的故障閾值對比完成故障預警，實現對選煤過程可視化監控。

3 系統整體結構設計

選煤廠監控系統總體框架如圖1所示。選煤廠監控系統主要由底層數據采集端、服務器端以及選煤廠監控終端組成。底層數據采集端主要采集的是儲煤倉、原煤車間和主洗車間內的相關生產數據，如儲煤倉內的可燃氣體濃度監測、原煤車間的皮帶轉速監測和主洗車間浮選機的運行狀況監測，通過與機械設備的通訊接口連接或者布置相關傳感器實現生產數據的采集。選煤車間傳感網絡通過調用socket編程實現與服務器端與監控終端的TCP連接，服務器端與監控終端界面基于java語言和SSM框架進行開發，生產數據在服務器端完成數據的封裝與解析，并分類存儲到MySQL數據庫中，通過MyBatis框架完成對數據庫中選煤數據的調用解析，按照用戶需求實時顯示到選煤廠監控終端界面上。

圖1 選煤廠監控系統總體框架

4 監控實現過程

4.1 系統硬件模塊搭建

以山東能源集團濟三煤礦選煤廠為試點單位，監控系統的硬件部分按生產車間可分為儲備倉、原煤車間和主洗車間三部分。

儲煤倉的硬件部分主要包括DS18B20數字溫度傳感器、支持6種可燃氣體濃度采集的MIC-600-Ex傳感器、MEAS M5600壓力傳感器等，搭載CC2530射頻模塊構建了ZigBee紫蜂無線傳感網絡，實現了儲煤倉溫度、可燃氣體以及壓力的監測。

原煤車間和主洗車間的信息主要依靠有線的方式進行采集，所選的中央處理單元為羅克韋爾公司的CPU1769-L31，電源模塊選用1769-PA4。其中對于主軸溫度這類選煤設備內部溫度的采集通過RTD鉑電阻溫度傳感器實現，選用6路模擬量RTD輸入模塊1769-IR6進行采集。其他類型模擬量信號統一使用4～20 mA電流輸入，通過16路的1769-IF16C模擬量輸入模塊實現模擬量的采集。模擬量輸出信號選用1769-OF8C模擬量輸出模塊輸出8路4～20 mA電流信號。數字輸入/輸出模塊分別采用32路1769-IQ32數字量輸入模塊和1769-OB32數字量輸出模塊。由于采集得到的信息最終都要通過以太網傳入到監控終端，因此選用1769-AENTR以太網通信模塊實現信息的上傳。

4.2 數據傳輸過程

選煤廠監控系統的數據傳送過程如圖2所示。系統的數據來源可以分為兩部分：對于一些能夠直接從選煤設備中讀取的數據，數據通過選煤設備的通訊接口（如RS232接口、RJ45網絡接口）上傳到數據庫中；對于封閉性較強的選煤設備或者不能直接獲取的數據參數需要通過外置傳感器進行采集。考慮到選煤廠環境復雜，傳統布線較為困難，在傳感器上搭載CC2530射頻模塊，通過ZigBee協議構建無線傳感網絡。通過兩種方式采集的信息上傳到匯聚節點，使用socket編程實現服務器端與監控終端的TCP連接，按照規定的封裝格式將采集數據進行封裝并存儲到MySQL數據庫中。

圖2 數據傳遞流程

4.3 終端顯示

選煤廠監控終端平臺的搭建以java語言為基礎，使用SSM（Spring + Spring MVC + MyBatis）框架進行開發，通過對使用接口的邏輯架構配置，實現對數據庫中選煤信息的SQL查找解析。選煤廠維護人員成功登陸監控系統后，可以選擇查看用戶權限內的設備監控信息。頁面刷新及查詢數據的相關流程以圖3時序圖形式表現出來，通過讀取數據庫中選煤設備信息管理類、監控記錄類，在監控終端中設備信息界面可分類展示不同選煤設備的狀態信息。監控參數的顯示通過Ajax技術與服務器進行異步通信，Ajax向后端以get請求先后獲取選煤設備列表、選煤設備消息，實現參數信息的局部實時動態刷新。而對于需要圖形顯示的信息，通過調用接口方法讀取設備相應參數字符串數組，采用Jquey技術構建圖形并實現圖形的無刷繪制。搭建完成的選煤設備監控主界面如圖4。

圖3 查看選煤設備監控信息時序圖

圖4 選煤設備監控主界面

維護人員通過登錄系統進入選煤廠監控系統后，通過讀取數據庫中用戶登錄類信息獲得該用戶的讀取權限和類別，同時獲取該用戶負責維護的選煤設備的報警類信息。底層設備信息通過socket服務器通信程序上傳的同時，會自動與MySQL數據庫中事先設定的故障報警閾值進行比對。若上傳的數值大于報警閾值，則觸發報警線程向監控終端發送報警信息，實現報警功能；若有未處理的報警信息，則調用相關的報警處理類方法，自動提示維護人員進行處理。報警信息主界面如圖5。

圖5 報警信息主界面

4.4 系統性能分析

通過JMeter工具對選煤監控系統進行性能測試，使用Java編寫腳本，模擬多個并發用戶訪問選煤監控終端，先后進入選煤設備主界面序號前10的設備監控界面并獲取監控參數。設定單個訪問請求最大等待時間為2000 ms，設置用戶數10、30、50三個對照組，每次測試時間10 min，監控系統性能測試結果見表1。

表1 監控系統性能測試結果

從測試結果來看，系統平均響應時間能控制在0.1 s內，遠小于終端界面的刷新時間1 s，不會對用戶請求造成影響。雖然隨著用戶數增加，失敗率略有提高，但總體在0.1%以內，且平時平均同時訪問用戶遠小于50人，因此系統性能滿足設計需求。

5 結語

為了提高選煤廠的智能化和信息化水平，實現選煤過程的自動化監控，本文結合物聯網技術搭建了選煤廠監控系統，并對系統的整體框架、數據傳輸、終端顯示展開研究，完成了對選煤設備狀態信息的采集、傳輸和顯示，滿足了實際監控需求，為選煤廠的智能化建設提供了一個切實可行的方案。