煤礦機電設備物聯網監測系統開發及應用研究

翟文修

（淄博愛科工礦機械有限公司， 山東 淄博 255100）

1 A 煤礦應用物聯網技術現狀

A 煤礦經過技術改造及物聯網技術應用，目前已針對礦井電力系統、人員搜救、物流運輸、井下瓦斯監測及環境監測等建成了物聯網系統，包括：礦井電路系統監測平臺、礦井人員搜救系統、煤炭物流管理系統、環境監測系統和井下瓦斯監測系統等五大系統，各系統物聯網技術應用情況如表1 所示。

表1 A 煤礦物聯網技術應用統計表

目前，該煤礦還未針對機電設備系統建立狀態監測系統。A 煤礦年生產力為1 040 萬t 原煤，其生產中涉及的機電設備比較多，有供電設備（如KBSG 系列礦用隔爆型干式變壓器等）、采掘設備（如MG200/475-W 采煤機等）、排風設備、排水設備、運輸設備（如DTⅡ型帶式輸送機）、提升設備（如JKB 防爆礦井提升機）、瓦斯抽放設備及其他相關配套設備[1]。煤礦機電設備工作環境比較特殊，實際生產中時常會因設備自身因素、人為因素等的影響引發機電設備故障。因此，亟待建立一套機電設備狀態監測系統，對機電設備運行參數及故障易發位置進行實時監測，及時發現設備異常，并采取針對性措施加以解決處理，提高設備檢修的效率及質量，為煤礦安全高效生產提供保障。

2 煤礦機電設備物聯網監測系統開發及應用

為保障煤礦生產的安全性及連續性，根據A 煤礦機電設備的特點，基于物聯網技術設計開發了一套機電設備狀態監測系統。該物聯網監測系統的核心是控制中心，通過有線網絡＋無線網絡的方式，把井上及井下設備物聯網監測系統融為一體，進而實現設備物聯網監測系統信息傳輸全面覆蓋。

2.1 監測系統組成

該煤礦物聯網設備物聯網監測系統的井上部分由骨干網、運輸RFID 及GPS 組成。井下部分主要由骨干網、覆蓋各部分的無線網絡節點及各種傳感器組成。總體來說，該機電設備物聯網監測系統架構由信息采集層（即物聯網的感知層）、數據傳輸層（即物聯網的網絡層）和系統控制層（即物聯網的應用層）組成[2]，如圖1 所示。

圖1 設備狀態監測系統架構

1）信息采集層。主要用于監測設備的生產信息、運輸信息、位置信息和狀態信息等，為數據傳輸層提供數據支持。

2）數據傳輸層。主要負責對信息采集層采集的井上、井下不同網絡異構數據進行接入、傳輸、協同及融合。

3）系統控制層。主要負責對井上及井下設備進行實時監測、故障管理、知識庫管理、網絡配置管理及系統管理等[3]。

2.2 關鍵技術

2.2.1 設備狀態監測技術及信息采集技術

該煤礦設備物聯網監測系統不僅能夠對設備的生產過程、運行狀態進行監測，而且也能夠建設設備的運輸過程、維護過程等。通過信息采集層的工業視頻監控、RFID 標簽、GPS 設備、設備內嵌的PLC、單片機、ARM、DSP 等智能模塊及傳感器節點，對煤礦各機電設備從生產到使用維護進行全過程狀態監測。

1）通過工業視頻監控及RFID 技術，可實時監控井下機電設備的生產過程，如，設備生產運行過程中，可利用RFID 技術在標簽中寫入設備的零部件來源、生產時間、生產批次、編號及負責人等信息，在設備使用中出現故障時，就能及時確定故障設備信息及負責人，有利于提高設備維護工作效率。

2）利用GPS 技術對煤礦設備位置信息進行實時監測，可實現對煤礦中設備各運行環節的實時監控。

3）通過機電設備內嵌的PLC、單片機、ARM 和DSP 等智能模塊、井上及井下傳感器等，能夠實時采集設備的現場作業狀態信息。通過現場工業視頻監控及傳感器節點，可采集設備作業環節信息。

2.2.2 異構網絡互通互聯技術

設備物聯網監測系統中不僅接入了井上、井下的骨干環網、RFID、GPS 和井下設備監控網絡等，而且也接入了倉庫監控網絡。因此，為了設備跟調度中心之間實現良好的互聯互通，設計了面向服務的統一化網絡通信平臺，即：以礦區現有工業環網為基礎，通過TCP/IP 建立統一網絡接入平臺，以便為數據處理中心（即企業私有云）提供安全可靠且可拓展的數據接入服務，并通過智能網關、協議轉換及設備接入等措施，把礦區既有的各類網絡及數據通信融為一體，使異構網絡實現互聯互通。這樣不僅可以降低設備物聯網監測系統的復雜性，而且也能夠使各子系統之間具有良好的兼容性及魯棒性[4]。

2.2.3 數據融合及智能處理技術

數據融合指的是通過計算處理不同時間、不同來源、不同媒質及不同模式的信息，最終獲得相較于單一監測更加準確、可靠的被感知目標信息。根據A 煤礦的設備特點及操作需要，此次開發的設備物聯網監測系統應用Relief 算法及BP 神經網絡算法，對異構網絡采集的各類設備數據信息進行處理及計算，并使異構網絡數據實現區域化、全局化融合，從而在減小數據計算復雜度及通信開銷的同時，有效增強系統對設備狀態感知的準確率。

3 系統功能實現

由于煤礦生產中涉及的機電設備種類較多，要通過物聯網監測系統對機電設備進行監測，不僅涉及的環節比較多、業務流程比較復雜，而且數據來源異構、子系統之間的耦合度比較低。因此，為確保系統各功能可靠實現，利用Web Service 平臺建立系統控制層，并使用Facade 模式的Java 語言對系統控制層進行編程，進而通過用戶操作實現各種功能。

1）應用Web Service 可為各站點信息實現相互通信及共享提供多元的接口，使原有各個孤立的站點聯系到一起。同時，在Web Service 平臺中融合應用了HTTP、XML、SOAP（簡單對象訪問協議）、WSDL 等Internet 上統一、開放的標準，使Web Service 適用于各種支持上述標準協議的Windows 環境或Linux 環境中。

2）使用Facade 模式的Java 語言進行編程，可以隱藏設備物聯網監測系統各子系統的復雜性，并為各子系統的各類操作提供統一的界面，可大大提高子系統編程的方便性及系統使用的簡潔性。比如，在實時監測模塊，生產監測子系統主要負責接收及管理工業視頻監控及RFID；運輸監測子系統主要負責接收及管理GPS 數據；運行監測子系統主要負責接收及管理設備內嵌智能模塊數據及井下無線傳感器的數據等。通過Facade 模式Java 語言進行編程，還可以為各子系統提供統一的接口，以便將各子系統的信息統一融合到系統控制層。

3）系統控制層集成了實時監測、故障管理、知識庫管理、網絡配置管理及系統管理等功能，如圖2所示。

圖2 煤礦設備監測系統功能

4 結語

機電設備是現代煤礦生產中必不可缺的組成，其運行狀態直接影響著整個礦區采煤的生產效率及質量。隨著煤礦企業的不斷發展，其機電設備種類及數量越來越多，僅憑人工監測機電設備、預防故障顯然是比較困難的。因此，在信息化時代，整合物聯網技術針對煤礦機電設備構建狀態監測系統是十分必要的。在物聯網監測系統設計開發過程中，要注意綜合考慮煤礦企業自身機電設備的組成及特點、成本投入、技術適用性等因素，合理選擇系統架構、軟件編寫程序及網絡通信方式，確保設計出的物聯網監測系統可以實時監測及精準定位機電設備故障，提高機電設備維護管理智能化、信息化水平，確保煤礦企業安全、高效生產。