巴拉素煤礦水平衡智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張乘風(fēng)，崔東鋒，肖 松，郭中權(quán)，李鵬翔，洪 飛

(1. 陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2. 中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引 言

煤炭企業(yè)在生產(chǎn)過程中，需要大量的水資源作為生產(chǎn)用水和生活用水。我國大多數(shù)煤礦地處北方地區(qū)，水資源更加匱乏。然而在煤炭開采過程中會排放大量的礦井水，礦井水作為非常規(guī)水資源，對其進(jìn)行處理利用，既可以解決煤礦的用水問題，也可以減少廢水的外排量。一般可以將煤炭企業(yè)作為一個獨立的用水系統(tǒng)，對其開展水平衡監(jiān)測，從而全面掌握企業(yè)取水、用水及排水等情況。水平衡是指在一個確定的用水單元內(nèi)，輸入水量和輸出水量之間遵守物質(zhì)守恒定律和能量守恒定律，各種水量之間存在著平衡關(guān)系[1-4]。

目前，大多數(shù)煤礦的水資源系統(tǒng)采用人工報表的形式對取水、用水及排水等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄，且報表是以日報表和月報表為主，對水資源系統(tǒng)異常情況的反饋具有很大的滯后性，水平衡分析及運行調(diào)度以人工經(jīng)驗為主，無法及時對水資源系統(tǒng)的平衡問題進(jìn)行有效的預(yù)警，不能形成全礦區(qū)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機制。

因此，通過對巴拉素煤礦水資源系統(tǒng)的研究和分析，構(gòu)建了一套水平衡智能監(jiān)測系統(tǒng)，用于對巴拉素煤礦的水資源平衡狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和管理。

1 巴拉素煤礦水資源系統(tǒng)

通過對巴拉素煤礦的取水、用水、排水和水處理等系統(tǒng)進(jìn)行梳理，全礦區(qū)的用水系統(tǒng)包括生產(chǎn)用水和生活用水兩部分。生產(chǎn)用水按用途和工藝流程劃分主要有煤礦井下生產(chǎn)用水、地面生產(chǎn)用水。生產(chǎn)用水的所有來源均為凈化處理或深度處理后的礦井水，其中礦井水凈化處理工藝為預(yù)沉調(diào)節(jié)+重介速沉+高效澄清+過濾，礦井水深度處理工藝為自清洗過濾+一級超濾+一級反滲透+二級高效沉淀+多介質(zhì)過濾+離子交換+二級反滲透+蒸發(fā)結(jié)晶。

井下生產(chǎn)用水包括綜采、綜掘工作面防塵灑水、設(shè)備冷卻用水、巷道降塵噴霧用水、噴漿、注漿用水等。地面生產(chǎn)用水包括選煤廠用水、消防用水、鍋爐房用水、制冷站用水、風(fēng)機房用水等。

生活用水系統(tǒng)包括行政辦公樓、各區(qū)隊辦公樓、職工公寓、食堂、浴室等。其水源包括臨時水源和永久水源，臨時水源采用自備水源井的方式獲取地下水，永久水源采用經(jīng)過反滲透處理后的礦井水，其中臨時水源在礦井正常生產(chǎn)后將關(guān)閉。生活用水除少量消耗外，產(chǎn)生的污水排至生活污水處理系統(tǒng)。生活污水處理系統(tǒng)采用沉沙調(diào)節(jié)+ICEAS生化反應(yīng)+化學(xué)沉淀+過濾的處理工藝，處理后的中水作為煤礦綠化用水和井下黃泥灌漿用水。

巴拉素煤礦水資源利用圖如圖1所示。

圖1 巴拉素煤礦水資源利用圖Fig.1 Water resources utilization of Balasu Coal Mine

2 水平衡監(jiān)測系統(tǒng)的需求分析

根據(jù)巴拉素煤礦水資源系統(tǒng)的實際情況，結(jié)合水平衡分析的一般要求，對巴拉素煤礦水平衡智能監(jiān)測系統(tǒng)的需求進(jìn)行了分析，主要包括以下幾個方面。

2.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時采集與存儲

對礦區(qū)取水、供水、排水及水處理所有主要管網(wǎng)進(jìn)行流量監(jiān)測，具有瞬時流量和累積流量監(jiān)測功能；對采集到的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，形成數(shù)據(jù)庫，以備隨時進(jìn)行處理和查詢，并開放數(shù)據(jù)接口，為上層數(shù)據(jù)分析應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源。

2.2 水資源系統(tǒng)信息的統(tǒng)計分析

系統(tǒng)可以將采集到的數(shù)據(jù)通過可視化的方式進(jìn)行展示，將數(shù)字變成形象的圖像，將儀表數(shù)據(jù)從“數(shù)字孤島”變?yōu)橐粋€智能管理網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點，包括時間分布狀況和空間分布狀況，提供各類日報、月報和年報等歷史報表、曲線圖、直方圖、趨勢圖等。

2.3 水資源系統(tǒng)的預(yù)測預(yù)警

構(gòu)建水資源系統(tǒng)的預(yù)測模型和預(yù)警模型，對礦區(qū)的取水、用水等趨勢進(jìn)行預(yù)測分析；對管網(wǎng)異常情況自動發(fā)出預(yù)警信號；系統(tǒng)允許用戶制定自定義的信號預(yù)警閾值。

2.4 水平衡在線動態(tài)分析

通過構(gòu)建水平衡分析模型，結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行在線實時水平衡分析和歷史水平衡分析，根據(jù)分析結(jié)果，為上層決策者提供多角度、可選擇的水資源配置、調(diào)度方案。

3 水平衡監(jiān)測點位的布設(shè)

結(jié)合《企業(yè)水平衡測試通則》(GB/T 12452—2008)，將巴拉素煤礦供水水源(水源井和礦井涌水)作為一級體系，礦區(qū)內(nèi)各用水單元作為二級體系。根據(jù)《用水單位水計量器具配備和管理通則》(GB 2478—2009)的規(guī)定，巴拉素煤礦水平衡在線監(jiān)測儀表的具體點位布設(shè)見表1，其一級水和二級水計量設(shè)施的安裝率和計量率均達(dá)到100%。

4 智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)上述分析的水平衡監(jiān)測系統(tǒng)功能需求和監(jiān)測點位的布置，智能監(jiān)測系統(tǒng)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺等新一代技術(shù)，構(gòu)建了一套前后端分離的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)水資源系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和應(yīng)用。

4.1 總體設(shè)計

水平衡智能監(jiān)測系統(tǒng)采用分層技術(shù)架構(gòu)，主要由采集層、傳輸層、應(yīng)用層3部分組成。采集層通過現(xiàn)代感知技術(shù)，運用監(jiān)測儀表獲取管路上的流量、壓力和水質(zhì)等信息，完成底層信息數(shù)據(jù)的感

表1 水平衡在線監(jiān)測點位表

知匯聚；傳輸層利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)傳輸匯聚信息；應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布，實現(xiàn)用戶接口，整體采用B/S架構(gòu)，通過MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，根據(jù)具體工作需要，搭建業(yè)務(wù)應(yīng)用功能模塊，實現(xiàn)智能化應(yīng)用。監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.2 Overall architecture of the monitoring syetem

4.2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)備主要包括服務(wù)器、監(jiān)控計算機、監(jiān)測儀表、數(shù)據(jù)傳輸單元、供電單元等。

(1)服務(wù)器

服務(wù)器主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場監(jiān)測層的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲與分析，指令的收發(fā)，系統(tǒng)信息的收集和通知。服務(wù)器采用煤礦大數(shù)據(jù)中心分配的虛擬服務(wù)器來實現(xiàn)。

(2)監(jiān)控計算機

監(jiān)控計算機作為客戶端，主要提供簡潔直觀、快捷方便的人機界面，接受用戶指令至服務(wù)器，同時從服務(wù)端接收經(jīng)過分析的數(shù)據(jù)信息和報警信息提供給用戶。

(3)監(jiān)測儀表

流量傳感器選擇超聲波流量計，外加式安裝方式，實現(xiàn)流量非接觸式測量，實時對監(jiān)測點的瞬時流量和累積流量進(jìn)行監(jiān)測。壓力傳感器選擇智能壓力變送器。水質(zhì)傳感器包括pH、電導(dǎo)率、余氯等。上述各傳感器均同時具有模擬量4～20 mA信號輸出和采用MODBUS協(xié)議的串行通訊接口。

(4)無線數(shù)據(jù)傳輸單元

由于水平衡監(jiān)測點位于礦區(qū)不同的位置，其分布非常分散，如果采用有線方式，需要敷設(shè)大量的電纜，或穿管埋地敷設(shè)或電纜橋架架空敷設(shè)，其工程量和施工難度都較大，因此采用無線通訊技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。無線數(shù)據(jù)傳輸單元選用具有4G/5G/WIFI通訊功能的數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)測儀表采用有線通訊方式，與服務(wù)器采用無線通訊方式。

(5)供電單元

水平衡監(jiān)測點位的供電主要取自附近的各建筑物或構(gòu)筑物，以及路邊的路燈控制箱等。對部分供電線路敷設(shè)難度大的點位采用太陽能供電，解決傳感器和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的供電問題。單個太陽能供電單元主要包括太陽能電池板、控制器、蓄電池等。根據(jù)監(jiān)測點位的用電需求，單個監(jiān)測節(jié)點配置1臺直流12 V、容量為50 Ah鋰電池的太陽能供電單元，可以保證單個監(jiān)測節(jié)點在負(fù)載功率≤5 W的條件下連續(xù)工作5～10 d。

4.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能設(shè)計不同的軟件功能模塊，主要軟件功能模塊包括以下幾個部分[5-7]。

(1)綜合展示模塊

以礦區(qū)管網(wǎng)圖為基礎(chǔ)，直觀的展現(xiàn)水平衡各監(jiān)測點位的安裝位置、設(shè)備在線情況、實時數(shù)據(jù)等信息，對礦區(qū)的取水、用水和排水等信息進(jìn)行展示，實時掌握企業(yè)水資源情況。

(2)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測模塊

對各終端監(jiān)測模塊的在線情況、數(shù)據(jù)采集情況進(jìn)行實時監(jiān)視，直觀展示各監(jiān)測點位的運行狀態(tài)，以多行列表和塊狀圖的形式進(jìn)行展示，包括測點名稱、編號、無線通訊識別碼、數(shù)據(jù)更新時間、瞬時值、累計值、設(shè)備狀態(tài)等信息。

(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計及報表模塊

表格類：對各用水單元的用水量按照分鐘為單位展示其實時用水量，以日為單位進(jìn)行查詢。形成表格類日報表、月報表和年報表，從而可以掌握各個用水單元的具體用水情況。

圖形類：為了直觀展現(xiàn)各用水單元的用水峰值、谷值及變化趨勢，對各用水單元的用水量按照時間形成小時、日、月、年用水量的折線圖和柱狀圖；對同一用水單元繪制日用水量和月用水量環(huán)比折線圖。

(4)用水指標(biāo)分析模塊

根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)量，人均用水定額等指標(biāo)對用水情況進(jìn)行分析，提升用水的精細(xì)化管理水平。

(5)預(yù)警模塊

閾值預(yù)警(異常用水預(yù)警)：結(jié)合各用水單元的用水量定額和長期累積日均用水量的均值，對各用水單元的水量超限設(shè)置閾值，當(dāng)出現(xiàn)用水量大于消耗均值時，通過水壓和流量數(shù)據(jù)的分析，快速判斷用水量是否發(fā)生異常，若出現(xiàn)異常則緊急預(yù)警，提醒相關(guān)技術(shù)人員，并通過傳感器的安裝位置進(jìn)行定位，展示異常位置的方位和編號，例如管路漏損嚴(yán)重或爆管等情況。

趨勢預(yù)警：當(dāng)某個用水單元的用水量逐漸增加時，只有當(dāng)用水總量超過報警閾值時，才會發(fā)出報警，導(dǎo)致處理故障的時間緊迫，因此，針對該種情況，采用趨勢預(yù)警的方式，通過對用水量數(shù)據(jù)的變化趨勢進(jìn)行直線擬合，確定其變化的斜率。同時結(jié)合歷史極限斜率，進(jìn)行對比分析，當(dāng)斜率超過一定的范圍時，對該用水單元的用水量發(fā)出預(yù)警，從而實現(xiàn)異常情況的提前預(yù)警，為處理故障預(yù)留更多的時間。

(6)水平衡分析模塊

通過篩選某個時間段的所有取水、用水和排水?dāng)?shù)據(jù)信息，依據(jù)水量分配、單位產(chǎn)煤耗水量、生活用水定額標(biāo)準(zhǔn)等，系統(tǒng)可自動生成水平衡分析結(jié)果。

5 結(jié) 語

通過對全礦區(qū)水資源信息的梳理，重點分析了取水、用水和排水等系統(tǒng)的工藝環(huán)節(jié)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的全流程一體化水資源平衡監(jiān)控體系，實現(xiàn)了水資源系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的集中展示、運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、預(yù)測預(yù)警等，使水資源系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)在水平衡管理方面得到了充分的利用，為實時掌握礦區(qū)水平衡變化情況和輔助決策提供了技術(shù)支撐。