基于GIS的煤礦井下風水管路智能監控系統應用與研究

楊尊勝，張先春

（山東里能魯西礦業有限公司，山東 濟寧 272053）

1 當前系統現狀

目前，國內大多數礦井針對井下作業區域的供水、供風管路的資源消耗監測缺乏有效監管手段，由此造成地面壓風系統及供水系統資源供給不足或浪費的情況，不能實現能源的低碳、環保和高效利用。主要存在如下問題：

1.1 缺乏針對煤礦井下作業區域的資源消耗的成套裝置

目前，國內煤礦監測井下用風、用水的監測系統只能按照全礦井或大區域統計，不能細化到工作面，工作面區域的風、水資源消耗存在統計盲區，由于缺乏監管手段，資源存在很大程度的浪費，同時也加重污水處理和排放的任務。

1.2 缺乏精細化管理模式

隨著自動化、信息化技術的快速發展，精細化管理逐漸受到煤礦企業重視，生產型企業對能源消耗和效率尤其關注，利用先進技術實現能耗分析及趨勢預測，動態優化生產設備工藝，是生產企業精細化管理的重要組成部分。

1.3 環境保護、綠色開采

水資源是不可再生資源，隨著全世界對環保要求越來越高，煤礦企業自身要從生產用水做起，提高資源使用效率，節能減排、綠色開采。

2 項目建設的必要性

建設煤礦井下風水管路監控系統，建立風、水能耗分析及預警模型，對數據深入挖掘分析，實現系統與地面壓風、供水系統的有效聯動，平衡作業區域的風、水管路壓力，減少資源浪費，最終指導企業的精益生產。利用大數據技術采集分析各區域的用水、用風量，針對資源消耗高峰、低峰分別聯動壓風、供水系統采用不同的預置供給方案，實現資源的最優利用，減少能源消耗，提高智慧礦山整體管控水平。效能評估模型可以定期對影響煤礦風、水供應的各類因素和影響時間進行分析評估，指導管理人員對經常影響生產的環節加強管理；分析礦井生產過程中風、水能耗消耗與產量的關聯信息，指導管理人員對生產各環節進行優化控制，節約能耗。

3 建設方案

魯西煤礦基于GIS的煤礦井下風水管路智能監控系統是利用煤礦專用GIS、軟硬件開發、網絡通信、大數據分析等技術實現對煤礦作業區域的風、水管路的實時流量、累計流量、壓力、溫度等參數的在線監測；并根據井下控制器內的預置工藝和參數實現對閘閥等設備的就地和遠程操控，實現對管道開閉的自動控制及流量調節等功能；系統利用大數據技術對煤礦各作業區域的風、水、電等能耗數據的統計分析，實現對各作業區域的能耗管理和預測預警功能；系統利用GIS技術實現對系統控制器、電源、傳感器、執行機構等設備的在線監控和業務流程組態，同時提供豐富的GIS圖形功能，如設備位置導航、監測信息展示、能耗熱力圖、能耗趨勢分析等。（1）梳理煤礦井下作業區域需要監控的風、水管路，針對不同規格的管路選型不同型號的流量、壓力、溫度等傳感器和電磁閥；（2）開發礦用防爆控制器，采集選型傳感器和執行部件的參數及狀態，并能夠通過預置參數控制電磁閥的開閉；控制器設計就地和遠控兩種控制模式，互為閉鎖條件；控制器設計RS485和以太網兩種通訊方式，物理通訊接口提供雙絞線、電話線、網口三種方式，利用DSL技術實現復雜環境下無法敷設通訊光纜的問題。控制器連接到井下工業環網交換機，實現與地面系統的雙向交互；控制器設置控制面板和人機交互屏幕，實現就地監測、參數調整及控制功能；控制器支持端口擴展，可以接入其他類型的傳感器和執行部件。（3）開發地面監控系統，利用煤礦專業GIS平臺開發監控系統，實現設備管理、控制器參數設置、設備位置GIS圖形導航、工藝組態、在線監測和控制、熱力圖分布、能耗統計分析、趨勢預測預警等功能，系統提供大數據分析服務，按照時間、空間等多維度分析能源消耗，最終通過優化后的結論動態調整控制器參數，實現對煤礦井下風、水等能源的低碳、環保和高效利用。（4）系統與地面壓風系統、供水系統融合聯動，通過作業區域風路及水路的壓力、流量等監測值動態調整自動化系統的壓風機開停機及壓力參數設定，優化井下作業區域的風、水供應方案，實現節能降耗功能。

4 系統建設方案步驟

魯西煤礦基于GIS的煤礦井下風水管路智能監控系統方案規劃及建設步驟如下。

4.1 煤礦井下風水管路監控系統傳感器選型方法

魯西礦井下作業區域的管路特點，按照管路的規格選配不同型號和規格的傳感器（流量、溫度、壓力）及執行部件（防爆型電磁閥）等設備。

4.2 控制器的設計方法

控制器的設計需要結合現場的生產實際條件和使用方法，優先選擇節能環保、輕便易安裝、免維護的設計方式，可在礦用隔爆兼本安型和礦用本安型兩種防爆形式上做最優選擇。控制器的通訊方式設計結合煤礦井下動態變化的特點，采用DSL電話線通訊方式即滿足數據傳輸帶寬，又避免了重新敷設通訊線纜、光纜和熔接的工作量，是本課題的創新點之一，多種通訊接口的設計可適應煤礦井下復雜的應用環境，提供系統的實用性和易用性。

圖1 控制器設計原理圖

4.3 GIS監控平臺的設計方法

基于GIS的監控平臺采用煤礦專用GIS平臺，利用其GIS功能實現設備精準布置和管理、位置導航、狀態監測、工藝組態、熱力圖展示等功能，GIS空間分析技術提供用戶更加方便快捷的定位和分析功能，能夠更加直觀的展示系統運行狀況，GIS融合組態的研究方法是本系統的重要研究內容和創新點之一。

所述基于GIS的監控平臺包括四個層次（系統層、驅動層、數據層、應用層），如圖2所示。

圖2 系統架構設計圖

4.4 智能聯動業務設計

系統能夠與礦井自動化系統的壓風系統、供水系統業務通過OPC接口聯動，聯動的內容有：（1）當作業區域水壓低于正常用水壓力時，系統彈出報警伴隨井下控制器報警顯示系統壓力低，同時通過OPC接口調節供水系統泵站參數，加大該區域泵站供水壓力以滿足作業區域的供水壓力達標。（2）當作業區域水壓高于正常用水壓力時，系統彈出報警伴隨井下控制器報警顯示系統壓力超限，同時通過OPC接口調節供水系統泵站參數，減小該區域泵站供水壓力以滿足作業區域的供水壓力達標。（3）當作業區域風壓低于正常用風壓力時，系統彈出報警伴隨井下控制器報警顯示系統壓力低，同時通過OPC接口調節壓風系統泵站參數，加大該區域供風壓力以滿足作業區域的供風達標。（4）當作業區域風壓高于正常用風壓力時，系統彈出報警伴隨井下控制器報警顯示系統壓力超限，同時通過OPC接口調節壓風系統泵站參數，減小該區域泵站供風壓力以滿足作業區域的供風達標。（5）系統收集各作業面管路的風、水使用時間、累計流量、使用頻度等監測數據，按照時間和地域維度統計使用頻度、開機效率、能源利用率、能耗熱力圖、能耗趨勢分析、運行參數自動調整等功能。（6）利用大數據分析技術實現對煤礦井下作業區域的能耗分析和動態優化，通過優化后的結論動態調整控制器參數，實現對煤礦井下風水等能源的低碳、環保和高效利用。

5 取得的效益

5.1 安全效益

（1）整套系統的操作簡單，無高壓、高溫設備，運行安全可靠。（2）整套系統按照無人值守設計，操作簡單，無高壓、高溫設備，運行安全可靠。

5.2 經濟效益

基于GIS的煤礦井下風水管路智能監控系統，利用大數據分析實現已有風水管道能耗數據的異構調用、優化重組，為管理層在企業的戰略規劃和決策制定提供依據，及時響應環保節能預警及低碳高效需求，并與集團五大共享平臺無縫對接，提高數據共享性，實現對煤礦井下作業區域風水管道的節能優化，有效減少非計劃供應造成的損失，加強風水管路在實際生產過程中的監控，為產業結構調整的順利轉型打造智能化的共享平臺；利用系統的資源進行一系列的大數據分析，幫助企業更好地利用設備全生命周期服務，深入挖掘市場需求，準確制定生產和管理策略。系統有較大經濟效益和推廣應用價值。