基于自動化信息化融合的智慧礦山建設研究與應用

李 進，陳慧明

(河南能源集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

經過近幾年的發展，各自動化、信息化系統廠家的技術水平發展迅速，對礦井綜合自動化、信息化系統的研究、開發發展至成熟階段，有技術能力實現煤礦對礦山人、機、環的位置和狀態信息的全時、全域的智能感知的基礎上，利用人工智能及大數據分析技術，實現設備故障與重大隱患(水、火、瓦斯、頂板)的實時預警、主動預防和應急處置與聯動，創建本質安全型礦山[1-8]。國內外學者對智慧礦山建設進行了大量的研究，文獻[1]提出了衡量智慧礦山建設程度的指標體系，構建了智慧礦山建設體系，梳理了智慧礦山的建設的邏輯體系，并以智慧礦山的建設階段劃分為指導，把智慧礦山的建設劃分為數字礦山、感知礦山以及智慧礦山，來幫助煤礦企業加強對自身智慧礦山建設情況的認識；文獻[2]研究了智慧礦山GIS模型的創建與應用，根據現有的GIS系統數據和3DMine仿真建模平臺，仿真建模了瑤鎮鄉某礦井的內部結構，達到了該礦井內部結構的可視化處理的目的；文獻[3]對基于數據驅動的智慧礦山建設進行了研究，分析了智慧礦山在業務應用層面的建設方案，并提出了由數據驅動的智慧礦山建設的目標和框架，研究為今后智慧礦山的規劃提供了參考；文獻[4]研究了智慧礦山安全生產管理系統的設計，以Java EE架構為基礎，設計了智慧礦山安全生產管理系統，提高了礦井施工安全管理工作的信息化水平；文獻[5]對非煤智慧礦山建設中5G技術應用前景進行了研究，分析了5G網絡低時延,高速度,高安全性的技術特點，研究了非煤智慧礦山建設過程中面臨的信息交互、監管、安全等問題，展望了5G技術在打造一體化管控、無人化操作、網絡化監管的礦山建設中的應用前景?；诖?，車集煤礦基于自動化信息化融合的智能礦山建設研究與應用，符合國家在煤礦安全生產方面的要求，對廣大煤礦職工的生命安全負責，能夠有效提高礦井生產的安全、可靠及穩定性，在全煤業公司乃至全省、全國礦井具有先進推廣價值。

1 前期綜合自動化系統建設情況

綜合自動化網絡采用千兆工業以太網，作為生產系統及自動化系統傳輸的網絡平臺，井上下共安裝以太網交換機33臺，建成了覆蓋地面主副井、南北風井、壓風機房、調度中心、井下泵房、變電所、絞車房等全礦所有生產區域的工業網絡平臺。采用西門子WinCC組態軟件作為綜合自動化系統平臺，為全礦自動化系統提供統一集成平臺。

2 萬兆工業以太環網平臺建設

礦井工業以太網傳輸平臺是礦區綜合信息網的業務主要承載平臺，網絡平臺的規劃、建設決定了網絡的運行質量和發展，是綜合信息網絡的重要組成部分[9-11]。

2.1 節點布置

車集煤礦已建立千兆以太環網，為保障車集煤礦自動化系統、工業視頻系統、礦用無線通信系統等各子系統有效穩定的運行，以及未來新增攝像儀及自動化系統的需求，需在現有基礎上建設萬兆工業以太環網平臺[12-19]。車集煤礦萬兆工業以太環網由萬兆核心交換機、萬兆節點交換機、井下萬兆隔爆兼本安交換機(或本質安全型交換機)、地面網絡監控軟件、網絡管理終端及機房配套設施等組成。其中包括兩臺核心交換機、4臺地面節點交換機和14臺井下節點交換機。

2.2 主要功能

(1)主干網絡傳輸總帶寬達到10 G，可滿足礦井工業視頻系統高清攝像儀的傳輸帶寬需求。

(2)萬兆工業以太環網拓撲結構如圖1所示。

圖1 萬兆工業以太環網拓撲結構 Fig.1 10 G industrial ethernet ring network topology

(3)井下交換機提供電源管理功能及電源管理軟件，能夠實現遠程在線監測、控制，能夠遠程實現放電試驗，具備合理有效的充電回路，在電池充電飽和時能夠自動切斷充電回路。

3 智能化采煤工作面建設

智能化工作面控制系統是由供電系統、供液、膠帶運輸系統、轉載機、破碎機、刮板運輸機、液壓支架、采煤機等設備組成(圖2)。

圖2 智能化工作面控制系統工作面部分Fig.2 Working face part of intelligent working face control system

4 礦井車輛運輸大數據分析及科學調配系統

4.1 系統結構

按照設備位置分布，系統分為4個部分(圖3)。

(1)調度室。監測井下運輸車輛的運行狀態，監視系統各設備的工作狀況，編制運行計劃，發布道岔轉動、信號機模式轉換、彎道報警、超速報警、闖紅燈報警、追尾報警等命令，是指揮車輛運行的中心。它主要由主控機、管理機、交換機、顯示屏、UPS電源等設備組成。在井下調度室配置兩臺隔爆計算機，用于監控整個系統，經授權可與地面主控機進行切換,作為主控計算機使用。

圖3 系統結構Fig.3 System structure

(2)設置在井下運輸巷道的通信基站及穩壓電源。作為現場智能設備，通信基站除了組建全覆蓋的寬帶無線網以外，還通過RS485總線通信方式管理現場各種檢測、執行設備，保證其可靠工作，并執行調度室下發的各項命令，匯報各種監控信息?；镜墓ぷ麟娫从筛舯姹景残头€壓電源提供。

(3)設在軌道沿線的各種檢測和執行設備。讀卡分站、信標等檢測設備用來收集車輛的運行信息；信號機等執行設備扳動道岔并給出行車信號;車載機用來采集車況、發出聲光報警及無線信號上傳。

(4)電源電纜、光纜及無線網絡。電源電纜為設備提供工作電源，通信光纜用于基站之間以及基站與交換機之間的通信。同時，無線網絡為基站與車載機之間的信息傳輸提供通道。

4.2 系統功能

(1)精確定位顯示功能。定位相對精度可以小于1 m。

(2)可視化監視功能。在計算機上以漢字、表格、圖形、動畫等形式實時機車詢問、信號燈運行狀態、各道岔到位狀態、顯示機車位置、運行速度、運行方向、車號信息?？梢钥s放顯示井下軌道和車場的模擬圖。

(3)信號及電氣閉鎖功能。可以自動或手動對道岔進行電氣閉鎖，避免其他車輛強行進入?？蓪C車發送命令實現信號閉鎖。

(4)智能信號調度功能。司機可通過車載機發送請求，上位機收到后根據所有機車運行情況可自動、半自動或調度員手動對機車進行調度。

(5)語音調度功能。車載機和上位機在整個調度過程中會通過特定的語音來進行語音提示。如：機車詢問時上位機會在顯示機車詢問文本信息；上位機發送給某個機車調度信息時，車載機會對此信息進行語音播放，語音清晰，操作簡單。

(6)車聯網報警和遙控功能。車載機與其他設備配合，不通過上位機就可以實現各種語音報警功能。如,車載機與其他列車尾部的無線尾燈配合實現防追尾功能；車載機與本列車尾燈配合實現防丟車功能；車載機與速度傳感器配合實現防超速功能；車載機與跟車工手持發射器配合實現打點報警功能；車載機與人車場聲光報警器配合實現人車報站功能；車載機與彎道報警器配合實現彎道報警功能；車載機遙控控制道岔翻轉功能；雙駕駛室機車每個駕駛室都安裝1臺車載機，2臺車載機通過總線聯網后，司機操作任1臺車載機都可以實現所有車載機功能。

(7)全系統后備電源功能。整個系統中的所有設備的供電電壓都具備后備不間斷電源功能，當有局部區域交流斷電或全部交流斷電時，后備電源都會立即啟動，不影響系統運行。后備電池供電時間不低于2 h，電池充放電500次后容量不低于80%。

(8)故障診斷與維護功能。現場信號燈不聯網時會閃爍顯示，提示司機采取其他安全措施運行。司控道岔裝置在離線后會清除已經閉鎖的信號，可以進行遙控或手動操作。所有聯網硬件設備采取區域化接線方式，某個區域斷電或線路故障，不影響其他區域設備的運行。

(9)其他。歷史數據的打印、報表、查詢、顯示等，系統線路、各硬件設備自檢功能的查詢等。多臺聯網電腦可以同時進行聯網監控和管理。

5 主煤流節能智能控制系統

5.1 系統整體結構規劃

整體結構設計由3部分組成：地面監控站、數據傳輸網絡、帶式輸送機集控系統。系統整體結構(含對接現有控制系統的對接方式)如圖4所示。

圖4 系統整體結構規劃Fig.4 Overall system structure planning

5.2 監控室上位機系統設計

(1)操控站。配置高性能工控機，通過安裝在監控站上的帶式輸送機監控系統軟件實現對井下帶式輸送機及附屬設備的監控，以及報表顯示和故障分析。

(2)監控。監控畫面具有聲音監聽聯動功能，當膠帶出現故障或啟動時，直接打開現場聲音監聽功能，播放現場聲音；集控室配置主語音網關、膠帶區隊辦公室配置地面分控終端，可直接對井下膠帶沿線擴音電話進行喊話，現場擴音電話可直接與集控室操作人員語音對講。

5.3 膠帶控制系統設計

膠帶控制系統監控主機，是現場信息采集與控制指令發出的核心設備，完成整個控制系統的邏輯判斷與控制。膠帶控制系統設計如圖5所示。

圖5 膠帶控制系統設計Fig.5 Belt control system design

5.4 系統功能特點

(1)顯示功能。地面監控站可實時顯示輸送機開/停狀態、滾筒溫度、速度等參數，并能方便地進行多畫面切換，當被測參數超限、保護傳感器動作及設備運行狀態改變后發出語音、文字告警提示。同時，還可以擴展集成帶式輸送機沿線攝像機的監控視頻畫面，操作的同時就能看到設備實時運轉視頻畫面。

(2)控制功能?？蓪崿F對帶式輸送機及其附屬設備的遠程啟動、停止和復位功能，并可實現故障(保護)屏蔽及控制方式轉換等功能。在自動控制模式下，以帶式輸送機監控系統各設備、設施正常，各種保護信號正常，其他相關信號滿足啟動要求為條件，由可編程控制器直接按程序發出啟動指令。當出現故障時，保護動作，附屬設備立即或延時停車。如，堆煤、拉繩急停等保護動作時，輸送機都要根據設定的控制方式進行相應的動作。

(3)打點功能。配置擴音電話系統具體打點功能，可實現上下膠帶及膠帶間打點控制。

(4)可擴展音視頻監控及聯動功能。當系統在膠帶機監控系統中加入視頻監控和聲音拾取，改變當前各廠家在進行膠帶機監控系統建設時只有圖像沒有聲音的情況，同時利用自由音視頻監控技術，實現監控畫面的內嵌式聯動，為膠帶機監控打通聲音監聽壁壘，真正實現無人值守。

(5)報警管理。系統可以顯示當前報警和歷史報警，并可以確認已解除的當前報警狀態，查看和打印歷史報警。分布式報警管理提供多種報警管理功能，包括無限的報警區管理、基于事件的報警、報警優先級、報警過濾功能，方便、靈活、可靠、易于擴展的報警系統可報告系統活動及系統潛在的問題，保障系統安全運行。

6 經濟效益

通過項目實施，提高了礦井的綜合自動化水平，取消了采煤工作面兩巷超前支護支架，實現各固定崗位的無人值守(按10年時間計算)。①減少固定崗位人員約62人，每人每班按200元計算，節約人力資源投入資金合計3 868.8萬元。②采煤工作面取消了兩巷超前支護支架16架,每架11.2萬元，共節約了支護投入179.2萬元。合計4 048萬元。

7 結語

研究為礦井提供了包括采煤、掘進、機電、運輸、通風、排水、安全監測等自動化、信息化系統的數據接入、集成與綜合分析，充分利用大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術進行數據融合和智能分析。實現了煤礦生產過程中的智能感知、信息及數據融合分析、遠程集中控制、聯動預警、視頻人工智能應用分析，并提供決策支持，進一步完善了過程自動化、綜合調度指揮等功能，有效提高了礦井的管理水平和生產效率。