煤礦機(jī)電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究

翟文修

（淄博愛(ài)科工礦機(jī)械有限公司， 山東 淄博 255100）

1 A 煤礦應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀

A 煤礦經(jīng)過(guò)技術(shù)改造及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，目前已針對(duì)礦井電力系統(tǒng)、人員搜救、物流運(yùn)輸、井下瓦斯監(jiān)測(cè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)等建成了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包括：礦井電路系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、礦井人員搜救系統(tǒng)、煤炭物流管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和井下瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等五大系統(tǒng)，各系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用情況如表1 所示。

表1 A 煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)表

目前，該煤礦還未針對(duì)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)建立狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。A 煤礦年生產(chǎn)力為1 040 萬(wàn)t 原煤，其生產(chǎn)中涉及的機(jī)電設(shè)備比較多，有供電設(shè)備（如KBSG 系列礦用隔爆型干式變壓器等）、采掘設(shè)備（如MG200/475-W 采煤機(jī)等）、排風(fēng)設(shè)備、排水設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備（如DTⅡ型帶式輸送機(jī)）、提升設(shè)備（如JKB 防爆礦井提升機(jī)）、瓦斯抽放設(shè)備及其他相關(guān)配套設(shè)備[1]。煤礦機(jī)電設(shè)備工作環(huán)境比較特殊，實(shí)際生產(chǎn)中時(shí)常會(huì)因設(shè)備自身因素、人為因素等的影響引發(fā)機(jī)電設(shè)備故障。因此，亟待建立一套機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及故障易發(fā)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，并采取針對(duì)性措施加以解決處理，提高設(shè)備檢修的效率及質(zhì)量，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供保障。

2 煤礦機(jī)電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

為保障煤礦生產(chǎn)的安全性及連續(xù)性，根據(jù)A 煤礦機(jī)電設(shè)備的特點(diǎn)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是控制中心，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)＋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式，把井上及井下設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融為一體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息傳輸全面覆蓋。

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

該煤礦物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的井上部分由骨干網(wǎng)、運(yùn)輸RFID 及GPS 組成。井下部分主要由骨干網(wǎng)、覆蓋各部分的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及各種傳感器組成。總體來(lái)說(shuō)，該機(jī)電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)由信息采集層（即物聯(lián)網(wǎng)的感知層）、數(shù)據(jù)傳輸層（即物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層）和系統(tǒng)控制層（即物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層）組成[2]，如圖1 所示。

圖1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

1）信息采集層。主要用于監(jiān)測(cè)設(shè)備的生產(chǎn)信息、運(yùn)輸信息、位置信息和狀態(tài)信息等，為數(shù)據(jù)傳輸層提供數(shù)據(jù)支持。

2）數(shù)據(jù)傳輸層。主要負(fù)責(zé)對(duì)信息采集層采集的井上、井下不同網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行接入、傳輸、協(xié)同及融合。

3）系統(tǒng)控制層。主要負(fù)責(zé)對(duì)井上及井下設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障管理、知識(shí)庫(kù)管理、網(wǎng)絡(luò)配置管理及系統(tǒng)管理等[3]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及信息采集技術(shù)

該煤礦設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠?qū)υO(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且也能夠建設(shè)設(shè)備的運(yùn)輸過(guò)程、維護(hù)過(guò)程等。通過(guò)信息采集層的工業(yè)視頻監(jiān)控、RFID 標(biāo)簽、GPS 設(shè)備、設(shè)備內(nèi)嵌的PLC、單片機(jī)、ARM、DSP 等智能模塊及傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)煤礦各機(jī)電設(shè)備從生產(chǎn)到使用維護(hù)進(jìn)行全過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1）通過(guò)工業(yè)視頻監(jiān)控及RFID 技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控井下機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程，如，設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，可利用RFID 技術(shù)在標(biāo)簽中寫(xiě)入設(shè)備的零部件來(lái)源、生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)批次、編號(hào)及負(fù)責(zé)人等信息，在設(shè)備使用中出現(xiàn)故障時(shí)，就能及時(shí)確定故障設(shè)備信息及負(fù)責(zé)人，有利于提高設(shè)備維護(hù)工作效率。

2）利用GPS 技術(shù)對(duì)煤礦設(shè)備位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦中設(shè)備各運(yùn)行環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3）通過(guò)機(jī)電設(shè)備內(nèi)嵌的PLC、單片機(jī)、ARM 和DSP 等智能模塊、井上及井下傳感器等，能夠?qū)崟r(shí)采集設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)狀態(tài)信息。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)視頻監(jiān)控及傳感器節(jié)點(diǎn)，可采集設(shè)備作業(yè)環(huán)節(jié)信息。

2.2.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通互聯(lián)技術(shù)

設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中不僅接入了井上、井下的骨干環(huán)網(wǎng)、RFID、GPS 和井下設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等，而且也接入了倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。因此，為了設(shè)備跟調(diào)度中心之間實(shí)現(xiàn)良好的互聯(lián)互通，設(shè)計(jì)了面向服務(wù)的統(tǒng)一化網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，即：以礦區(qū)現(xiàn)有工業(yè)環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)TCP/IP 建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)接入平臺(tái)，以便為數(shù)據(jù)處理中心（即企業(yè)私有云）提供安全可靠且可拓展的數(shù)據(jù)接入服務(wù)，并通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換及設(shè)備接入等措施，把礦區(qū)既有的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)通信融為一體，使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。這樣不僅可以降低設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且也能夠使各子系統(tǒng)之間具有良好的兼容性及魯棒性[4]。

2.2.3 數(shù)據(jù)融合及智能處理技術(shù)

數(shù)據(jù)融合指的是通過(guò)計(jì)算處理不同時(shí)間、不同來(lái)源、不同媒質(zhì)及不同模式的信息，最終獲得相較于單一監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確、可靠的被感知目標(biāo)信息。根據(jù)A 煤礦的設(shè)備特點(diǎn)及操作需要，此次開(kāi)發(fā)的設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用Relief 算法及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)采集的各類(lèi)設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理及計(jì)算，并使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域化、全局化融合，從而在減小數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜度及通信開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)，有效增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)感知的準(zhǔn)確率。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

由于煤礦生產(chǎn)中涉及的機(jī)電設(shè)備種類(lèi)較多，要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅涉及的環(huán)節(jié)比較多、業(yè)務(wù)流程比較復(fù)雜，而且數(shù)據(jù)來(lái)源異構(gòu)、子系統(tǒng)之間的耦合度比較低。因此，為確保系統(tǒng)各功能可靠實(shí)現(xiàn)，利用Web Service 平臺(tái)建立系統(tǒng)控制層，并使用Facade 模式的Java 語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)控制層進(jìn)行編程，進(jìn)而通過(guò)用戶(hù)操作實(shí)現(xiàn)各種功能。

1）應(yīng)用Web Service 可為各站點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)相互通信及共享提供多元的接口，使原有各個(gè)孤立的站點(diǎn)聯(lián)系到一起。同時(shí)，在Web Service 平臺(tái)中融合應(yīng)用了HTTP、XML、SOAP（簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議）、WSDL 等Internet 上統(tǒng)一、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，使Web Service 適用于各種支持上述標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的Windows 環(huán)境或Linux 環(huán)境中。

2）使用Facade 模式的Java 語(yǔ)言進(jìn)行編程，可以隱藏設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的復(fù)雜性，并為各子系統(tǒng)的各類(lèi)操作提供統(tǒng)一的界面，可大大提高子系統(tǒng)編程的方便性及系統(tǒng)使用的簡(jiǎn)潔性。比如，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，生產(chǎn)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收及管理工業(yè)視頻監(jiān)控及RFID；運(yùn)輸監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收及管理GPS 數(shù)據(jù)；運(yùn)行監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收及管理設(shè)備內(nèi)嵌智能模塊數(shù)據(jù)及井下無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)等。通過(guò)Facade 模式Java 語(yǔ)言進(jìn)行編程，還可以為各子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口，以便將各子系統(tǒng)的信息統(tǒng)一融合到系統(tǒng)控制層。

3）系統(tǒng)控制層集成了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障管理、知識(shí)庫(kù)管理、網(wǎng)絡(luò)配置管理及系統(tǒng)管理等功能，如圖2所示。

圖2 煤礦設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)電設(shè)備是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)中必不可缺的組成，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著整個(gè)礦區(qū)采煤的生產(chǎn)效率及質(zhì)量。隨著煤礦企業(yè)的不斷發(fā)展，其機(jī)電設(shè)備種類(lèi)及數(shù)量越來(lái)越多，僅憑人工監(jiān)測(cè)機(jī)電設(shè)備、預(yù)防故障顯然是比較困難的。因此，在信息化時(shí)代，整合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)針對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要注意綜合考慮煤礦企業(yè)自身機(jī)電設(shè)備的組成及特點(diǎn)、成本投入、技術(shù)適用性等因素，合理選擇系統(tǒng)架構(gòu)、軟件編寫(xiě)程序及網(wǎng)絡(luò)通信方式，確保設(shè)計(jì)出的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)定位機(jī)電設(shè)備故障，提高機(jī)電設(shè)備維護(hù)管理智能化、信息化水平，確保煤礦企業(yè)安全、高效生產(chǎn)。