物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦井供電監(jiān)控的應(yīng)用研究

張德軍， 王興生， 劉 維

(1.招金礦業(yè)股份有限公司， 山東 招遠(yuǎn) 265400； 2.德逸科技(北京)有限公司， 北京 100191)

1 前言

物聯(lián)網(wǎng)是近些年迅猛發(fā)展的新一代信息技術(shù)之一，它通過(guò)傳感器、RFID、二維碼等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把各種物品與互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行通信和信息交換，通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，即“物物相連”的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)在架構(gòu)上可分為3個(gè)層面，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器構(gòu)成，包括供電、溫度、濕度、RFID電子標(biāo)簽、攝像頭、位置傳感器等感知終端。感知層的主要功能是識(shí)別物體、采集信息；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳輸和處理感知層獲取的信息數(shù)據(jù)；應(yīng)用層與最終用戶的實(shí)際需求相結(jié)合，是最終用戶與物聯(lián)網(wǎng)的交流終端，通過(guò)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)的智能化應(yīng)用。

2 礦井供電的監(jiān)控

UPS(Uninterruptible Power Supply)即不間斷電源，是將鉛酸蓄電池與主機(jī)相連接，通過(guò)主機(jī)的鎮(zhèn)流器、逆變器等變換器將直流電轉(zhuǎn)換成交流市電的系統(tǒng)設(shè)備。它主要用于給用電設(shè)備提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，當(dāng)市電中斷(事故停電)時(shí)，UPS在1～4ms內(nèi)通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換的方式，將電池的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，向用電負(fù)載繼續(xù)提供220V交流電，使用電負(fù)載可維持正常工作并保護(hù)用電負(fù)載不受損壞。UPS為井下通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)提供電力保障，在停電時(shí)能夠保證通信、監(jiān)控設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行。

礦井下環(huán)境惡劣，運(yùn)維不便，對(duì)供電狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常重要。[1]招金礦業(yè)夏甸金礦自2017年開(kāi)始使用物聯(lián)網(wǎng)智慧運(yùn)維管理平臺(tái)監(jiān)測(cè)UPS及蓄電池，平臺(tái)向運(yùn)維人員提供供電監(jiān)測(cè)、電池診斷及告警功能，在一定程度上解決了蓄電池的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。該平臺(tái)采用物聯(lián)網(wǎng)主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、快速處理的技術(shù)手段，通過(guò)監(jiān)控UPS及監(jiān)測(cè)鉛酸蓄電池的狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制UPS設(shè)備。改變了長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)井下UPS及鉛酸蓄電池人工現(xiàn)場(chǎng)巡檢方式，采用了自動(dòng)化、智能化、無(wú)人工干預(yù)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將故障檢修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)檢修，使運(yùn)維工作實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→分析問(wèn)題→處理問(wèn)題→跟蹤問(wèn)題”的閉環(huán)管理方式，不放過(guò)任何事故隱患。

3 物聯(lián)網(wǎng)智慧運(yùn)維管理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

3.1 感知層

在蓄電池上安裝蓄電池監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)時(shí)采集蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度數(shù)據(jù)。其中蓄電池內(nèi)阻是判斷電池的重要參數(shù)之一，通過(guò)內(nèi)阻值可直接反映蓄電池的劣化程度及容量性能。通常測(cè)量?jī)?nèi)阻有兩種方法，分別為交流注入法和直流放電法[2]。交流注入法是測(cè)量蓄電池對(duì)輸入的一定頻率的交流信號(hào)的電壓反饋，然后獲取交流信號(hào)的電流值，從而計(jì)算出蓄電池內(nèi)阻的方法，具體原理如圖1所示。交流輸入法可以在蓄電池充電、放電等任何狀態(tài)進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試，另外通過(guò)選擇信號(hào)頻率可以適應(yīng)不同種類的蓄電池。而直流放電法是通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行大電流放電，測(cè)量電池瞬間壓降，然后通過(guò)計(jì)算得到電池內(nèi)阻值。直流放電法長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)蓄電池造成一定損害，同時(shí)獲得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差，準(zhǔn)確程度也不如交流注入法[3]。

圖1 交流注入法原理

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

在網(wǎng)絡(luò)層，物聯(lián)網(wǎng)智能管理主機(jī)通過(guò)井下的以太網(wǎng)與云端平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。UPS主機(jī)通過(guò)RS232/RS485接口與管理主機(jī)連接，管理主機(jī)同時(shí)連接蓄電池監(jiān)測(cè)主機(jī)。

物聯(lián)網(wǎng)智能管理主機(jī)采用多片32位高速處理芯片協(xié)同工作、linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等技術(shù)開(kāi)發(fā)研制的智能通訊管理主機(jī)，可以滿足多種類型通訊接口、多種協(xié)議格式的智能終端設(shè)備的應(yīng)用需求。

物聯(lián)網(wǎng)智能管理主機(jī)負(fù)責(zé)與各監(jiān)控子系統(tǒng)建立通信鏈路、管理設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接、維護(hù)智能終端設(shè)備、收集底層傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)智慧運(yùn)維管理平臺(tái)，負(fù)責(zé)接收平臺(tái)的控制指令并下發(fā)給各監(jiān)控子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。各監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)智能管理主機(jī)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)狡脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控，保障質(zhì)量管理及安全運(yùn)營(yíng)。

3.3 應(yīng)用層

在應(yīng)用層上可實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)呈現(xiàn)上傳的數(shù)據(jù)達(dá)到信息共享的功能。如果將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與用戶的信息化系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化與信息化的融合。物聯(lián)網(wǎng)智慧運(yùn)維管理平臺(tái)通過(guò)大數(shù)據(jù)的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷和算法處理，將井下UPS的實(shí)時(shí)狀態(tài)在平臺(tái)展現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)可以診斷蓄電池的健康狀況，如發(fā)現(xiàn)落后電池及安全隱患，可在平臺(tái)上進(jìn)行告警，并可將告警信息推送到運(yùn)維人員的手機(jī)上。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)掌握井下供電狀態(tài)，及蓄電池的安全質(zhì)量管理。

4 物聯(lián)網(wǎng)智慧運(yùn)維管理平臺(tái)的作用

通過(guò)實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)智慧運(yùn)維管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了以下功能：

(1)實(shí)現(xiàn)對(duì)全礦所有的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、UPS、蓄電池、蓄電池傳感器的設(shè)備管理[4]。

(2)實(shí)現(xiàn)UPS的遙測(cè)模擬量信號(hào)、遙測(cè)開(kāi)關(guān)量信息、遙信基礎(chǔ)信息的采集顯示，遙控開(kāi)關(guān)量相關(guān)控制(即定時(shí)開(kāi)/關(guān)機(jī)、UPS測(cè)試放電、蜂鳴器開(kāi)/關(guān))[5]。

(3)實(shí)現(xiàn)UPS供電職能運(yùn)維，即利用UPS測(cè)試放電控制功能、蓄電池監(jiān)測(cè)功能，根據(jù)運(yùn)維規(guī)范要求定期通過(guò)UPS進(jìn)行放電測(cè)試，提高蓄電池的使用壽命，同時(shí)放電過(guò)程中通過(guò)對(duì)蓄電池的監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解蓄電池的性能，及時(shí)更換維護(hù)，提高UPS整體的供電性能。

(4)通過(guò)對(duì)UPS的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)交流輸出電壓、交流輸出電流、輸出頻率，輸出指標(biāo)，判斷UPS設(shè)備是否穩(wěn)定，是否有異常。

(5)通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄電池的內(nèi)阻、充電電流、放電電流、充放電時(shí)間、充放電曲線，掌握電池的性能。

在效益方面，物聯(lián)網(wǎng)智慧運(yùn)維管理平臺(tái)為礦井帶來(lái)以下效益：

(1)基本代替人工上站維護(hù)，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用支出和工作強(qiáng)度，使運(yùn)維管理更加便捷高效。

(2)通過(guò)平臺(tái)的專家診斷系統(tǒng)提高和保障了蓄電池組工作效率及安全可靠性。

(3)對(duì)系統(tǒng)在網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行了全生命周期的監(jiān)控，可做資產(chǎn)管理和大數(shù)據(jù)分析，并導(dǎo)出相關(guān)報(bào)表，利于管理及上報(bào)。

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)智慧運(yùn)維管理平臺(tái)有效的提高井下供電系統(tǒng)的安全可靠性，降低人力成本及設(shè)備采購(gòu)成本。對(duì)于降低事故安全隱患、保障安全、節(jié)能環(huán)保具有重要的意義，可達(dá)到“智慧礦山”的相關(guān)要求，在全行業(yè)也具有一定的推廣價(jià)值，有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。