基于物聯(lián)網(wǎng)的露天礦山機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；露天礦山；機(jī)電設(shè)備；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；加速度傳感器中圖分類號：TD63 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0050-04D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.013

0 引言

露天礦山生產(chǎn)過程中，機(jī)電設(shè)備的運行效率和安全管控對效益和環(huán)保至關(guān)重要。隨著礦山規(guī)模擴(kuò)大、設(shè)備智能化升級，設(shè)備產(chǎn)生的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)急劇增多[。現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和分析等環(huán)節(jié)都有明顯不足，數(shù)據(jù)價值未被充分利用，難以滿足設(shè)備預(yù)測性維護(hù)、能耗優(yōu)化等需求。礦山行業(yè)對安全生產(chǎn)和綠色發(fā)展的要求越來越高，特別需要智能化手段來降低設(shè)備故障率，減少設(shè)備非計劃停機(jī)時間，提高能源利用效率。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能讓設(shè)備互聯(lián)互通，本文的目標(biāo)是設(shè)計一套智能化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，研究如何利用物聯(lián)網(wǎng)來彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的不足。方案重點是讓數(shù)據(jù)采集更全面、傳輸更及時、存儲更合理、分析更精準(zhǔn)，把數(shù)據(jù)深層次的價值挖掘出來，給設(shè)備預(yù)測性維護(hù)提供參考，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能出現(xiàn)的故障隱患。最后，要得出一套能復(fù)制的智能化監(jiān)控解決方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 監(jiān)控器設(shè)計

監(jiān)控器是關(guān)鍵硬件，負(fù)責(zé)把設(shè)備表面光學(xué)特征轉(zhuǎn)換為可供分析的電信號，其性能直接影響故障圖像采集精度和系統(tǒng)診斷效率。本文系統(tǒng)選用HTC系列高性能線陣監(jiān)控器，它專為復(fù)雜工業(yè)場景優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該監(jiān)控器采用定制化光學(xué)鏡頭和高靈敏度傳感器陣列，在強(qiáng)粉塵、高震動環(huán)境下也能穩(wěn)定運行。

圖1HTC系列高性能線陣監(jiān)控器結(jié)構(gòu)

本文配置的監(jiān)控器參數(shù)：采集速度 1000mm/s 寬幅覆蓋 500mm 工作區(qū)域，橫向分辨率達(dá) 0.3mm 像素單元2560個，掃描頻率 18.75kHz ，可完整還原圖像細(xì)節(jié)。此外，監(jiān)控器內(nèi)置動態(tài)增益調(diào)節(jié)模塊，能依光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)曝光參數(shù)，防止圖像失真。

1.2 傳感器設(shè)計

本文系統(tǒng)里，傳感器是數(shù)據(jù)采集核心，關(guān)乎對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的精度和響應(yīng)速度。針對環(huán)境溫濕度監(jiān)測，采用AM2320數(shù)字溫濕度傳感器。它通過IC總線協(xié)議和主控芯片通信，溫度測量范圍是 -40～+125^°C ，濕度測量精度在 ±2%RH ，還有溫度補(bǔ)償算法[2]，可有效消除干擾，適用于礦山長期監(jiān)測。

設(shè)備振動與力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測方面，系統(tǒng)集成MEMS三軸加速度傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2MEMS三軸加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

該傳感器量程為 ±2～±16g ，分辨率 1mg ，能精準(zhǔn)捕捉微小振動信號。電流監(jiān)測采用ACS758霍爾電流傳感器，量程為 ±50～±200A ，響應(yīng)時間小于 5μs 可滿足大功率設(shè)備電流突變監(jiān)測的需求。壓力監(jiān)測選用MPX4115壓力傳感器，量程為 0～115kPa ，輸出線性度優(yōu)，能實時反饋液壓系統(tǒng)壓力變化。

2基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1基于物聯(lián)網(wǎng)處理露天礦山機(jī)電設(shè)備運行數(shù)據(jù)

本文要實現(xiàn)露天礦山機(jī)電設(shè)備智能化監(jiān)控，高效處理運行數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。為此，建立物聯(lián)網(wǎng)與LoRa雙通道通信鏈路，保障數(shù)據(jù)傳輸有冗余。同時，對不同設(shè)備下發(fā)不同控制指令，同步采集振動時域信號、紅外熱成像幀和三維點云數(shù)據(jù)，實時感知設(shè)備振動、溫度、應(yīng)力、氣體濃度等多維度參數(shù)[3]。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)消除多源數(shù)據(jù)時空偏差，其權(quán)重系數(shù) w_i 由設(shè)備健康指數(shù) H_i 與傳感器置信度 C_i 共同決定：

式中： n 為設(shè)備數(shù)量； H_j 和 C_j 分別為第j個設(shè)備的健康指數(shù)和傳感器置信度。

融合后的數(shù)據(jù)輸入物聯(lián)網(wǎng)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，公式為：

X=αL+βw_i

式中： X 為預(yù)處理后的露天礦山機(jī)電設(shè)備運行數(shù)據(jù)；α?β 為物聯(lián)網(wǎng)模型優(yōu)化參數(shù)； L 為損失函數(shù)。

將處理后的露天礦山機(jī)電設(shè)備運行數(shù)據(jù)分為正常、預(yù)警、故障三種。

2.2 建立露天礦山機(jī)電設(shè)備運行數(shù)據(jù)存儲庫

本文為露天礦山機(jī)電設(shè)備搭建運行數(shù)據(jù)存儲庫，命名為MEMS-DB，其核心是構(gòu)建針對設(shè)備全生命周期管理的數(shù)據(jù)模型?？紤]到礦山分布式監(jiān)控需求[4]，存儲庫要包含設(shè)備運行參數(shù)、故障診斷知識、環(huán)境感知、設(shè)備維護(hù)記錄、用戶權(quán)限管理以及控制指令日志等表。

下面以設(shè)備運行參數(shù)表與環(huán)境感知數(shù)據(jù)表為例，闡述存儲表設(shè)計細(xì)節(jié)。

2.2.1 設(shè)備運行參數(shù)表

該表存儲設(shè)備核心運行參數(shù)，包括設(shè)備編號、振動頻譜峰值、軸承溫度等。其中，設(shè)備編號采用“礦區(qū)代碼-設(shè)備類型-流水號\"三級編碼規(guī)則。為量化設(shè)備劣化趨勢，引入劣化指數(shù) D 的計算模型：

式中： V_c 為當(dāng)前振動峰值； V_b 為基線值； T_c 為當(dāng)前溫度； 為溫度閾值 ：χ，δ 為權(quán)重系數(shù)， ?χ+δ=1 。

2.2.2環(huán)境感知數(shù)據(jù)表

本文把露天礦區(qū)粉塵濃度、風(fēng)速、降雨量等環(huán)境參數(shù)整合成環(huán)境感知數(shù)據(jù)表，關(guān)聯(lián)設(shè)備編號和傳感器位置。為評估環(huán)境對設(shè)備故障率影響，構(gòu)建了故障概率 P_f 的聯(lián)合概率模型：

式中： Q 為環(huán)境參數(shù)數(shù)量； P_fq 為第 q 類環(huán)境參數(shù)引發(fā)的故障概率； γ 為參數(shù)敏感度系數(shù)。

上述數(shù)學(xué)模型將設(shè)備運行參數(shù)與環(huán)境數(shù)據(jù)深度耦合，通過構(gòu)建多表關(guān)聯(lián)查詢與實時計算引擎，系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)動態(tài)評估。

2.3 實現(xiàn)露天礦山機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控

露天礦山機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)核心是終端和監(jiān)控中心高效數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。系統(tǒng)要求終端集成多種傳感器，實時采集設(shè)備位置信息，再經(jīng)無線通信模塊把這些信息上傳到中央監(jiān)控中心。

中央監(jiān)控中心采用路由器和交換機(jī)組局域網(wǎng)，把終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端服務(wù)器。云端服務(wù)器借助MEMS-DB分布式存儲和處理數(shù)據(jù)。為讓多用戶同時訪問，系統(tǒng)用微服務(wù)架構(gòu)把數(shù)據(jù)接口拆成設(shè)備狀態(tài)查詢、歷史數(shù)據(jù)回溯、控制指令下發(fā)等獨立服務(wù)[5。管理人員可在Web端遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，移動端還能實時展示設(shè)備健康評分 ?R_s ，計算公式如下：

圖3數(shù)據(jù)交互架構(gòu)

式中： X_b 為基線值； X₁ 為閾值。

R_s 若低于預(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)自動報警并推送到移動端。如此設(shè)計，能實現(xiàn)對露天礦山機(jī)電設(shè)備全生命周期的監(jiān)控與智能化管理。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試環(huán)境

為驗證系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)場景的性能，測試環(huán)境用軟硬件協(xié)同仿真架構(gòu)。硬件上搭建微型露天礦山模擬平臺，包括8臺礦用變頻電機(jī)、4臺液壓破碎機(jī)和2臺通風(fēng)設(shè)備，還集成了多種傳感器網(wǎng)絡(luò)。溫度傳感器采用AM2320，振動傳感器采用MEMS三軸加速度傳感器，所有傳感器經(jīng)雙冗余RS485總線接入物聯(lián)網(wǎng)。具體參數(shù)如表1所示。

同時，通過Locust壓力測試工具模擬2000并發(fā)設(shè)備接入場景，確保系統(tǒng)在惡劣網(wǎng)絡(luò)條件下的數(shù)據(jù)完整性與實時性。

3.2 測試準(zhǔn)備

選取典型露天礦山作業(yè)區(qū)作為系統(tǒng)測試試點，該區(qū)域涵蓋采掘、運輸、破碎等核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，集成破碎機(jī)、輸送機(jī)、通風(fēng)機(jī)、排水泵等機(jī)電設(shè)備以及配套的瓦斯監(jiān)測、環(huán)境感知、視頻監(jiān)控等安全保障系統(tǒng)。礦山典型生產(chǎn)設(shè)備涵蓋采礦機(jī)、穿孔設(shè)備、皮帶運輸系統(tǒng)及配套供電設(shè)施，設(shè)備參數(shù)包含額定功率、溫升閾值等核心指標(biāo)，如表2所示。

根據(jù)表2的礦山設(shè)備參數(shù)，給采礦機(jī)、穿孔設(shè)備和皮帶運輸系統(tǒng)設(shè)了3個核心監(jiān)控點。這些設(shè)備功率高、工況復(fù)雜，實驗重點考察監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效能，用監(jiān)控波特率衡量，波特率越高說明系統(tǒng)越高效。測試持續(xù) 24h ，全程記錄設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

表1系統(tǒng)測試環(huán)境具體參數(shù)

表2露天礦山典型生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)表

3.3 測試結(jié)果與討論

實驗采用Hadoop-1.0.3穩(wěn)定版集群存儲監(jiān)控數(shù)據(jù)，針對上述3個監(jiān)控點，持續(xù)采集監(jiān)控波特率。測試期間以3h為間隔記錄數(shù)據(jù)，最終匯總形成波特率變化趨勢圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，監(jiān)控點1運行 12h 波特率達(dá)到160kB/s 峰值，說明高強(qiáng)度作業(yè)時數(shù)據(jù)多，對監(jiān)控系統(tǒng)傳輸和處理能力要求高。監(jiān)控點2波特率波動小，最高才 115kB/s ，數(shù)據(jù)更新慢且穩(wěn)，系統(tǒng)處理這類低頻數(shù)據(jù)沒問題。監(jiān)控點3波特率大多在 110～132kB/s 運行持續(xù)， 9～15 h運輸高峰期波特率上升，系統(tǒng)也能應(yīng)對數(shù)據(jù)量增加。綜合3個監(jiān)控點，即便波特率高，系統(tǒng)也能穩(wěn)定運行，沒出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或延遲。這說明系統(tǒng)高效又可靠，能滿足露天礦山監(jiān)控的需求。

圖4波特率變化趨勢圖

4結(jié)束語

本文設(shè)計的露天礦山機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能實時感知設(shè)備狀態(tài)，高效傳數(shù)據(jù)、智能做分析。系統(tǒng)優(yōu)勢突出，既能提高監(jiān)控波特率、降低傳輸延遲、優(yōu)化資源利用，還能支撐設(shè)備故障預(yù)警、能效優(yōu)化和安全管控。未來，系統(tǒng)會引入數(shù)字孿生和AI預(yù)測模型，拓展到設(shè)備全生命周期健康管理，也會探索跨礦山協(xié)同監(jiān)控，為露天礦山智能化和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

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收稿日期：2025-05-20作者簡介：龍峰（1976一），男，貴州納雍人，工程師，研究方向：露天礦山機(jī)電技術(shù)及安全管理。