物聯(lián)網(wǎng)在礦山的應(yīng)用

劉 衛(wèi)，蔡政安

徐州鐵礦集團(tuán)有限公司，江蘇徐州 221138

0 引言

徐州鐵礦集團(tuán)吳莊鐵礦是江蘇省首家物聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)單位。“物聯(lián)網(wǎng)概念”是在“互聯(lián)網(wǎng)概念”的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念。其定義是：通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。

1 感知礦山基本概念與特征

“感知礦山” 通過(guò)全面感知，對(duì)井下人員（人員定位、無(wú)線通訊）、設(shè)備（綜合自動(dòng)化）、環(huán)境（安全監(jiān)控）等全面感知，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，同時(shí)還具有直觀形象的應(yīng)用，通過(guò)3DGIS礦區(qū)全息展示，來(lái)全面感知礦山。

礦山物聯(lián)網(wǎng)是指構(gòu)成礦山中人與人、人與物和物與物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。具體來(lái)說(shuō)是包括礦工、礦井設(shè)備以及礦井環(huán)境等信息在內(nèi)的可感知互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

自動(dòng)化礦井、信息化礦山、智能礦山、數(shù)字礦山、礦山綜合自動(dòng)化、礦山管控一體化等都是礦山信息化的概念，而礦山物聯(lián)網(wǎng)提出“感知礦山”，是對(duì)礦山信息化所有概念提法的綜合與升華。

2 感知礦山的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

感知礦山的系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)是物聯(lián)系統(tǒng)的軀干，是支撐系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和顯示等功能；軟件系統(tǒng)是物聯(lián)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，完成數(shù)據(jù)的綜合集成、控制、處理、決策參考以及輔助的人員定位、三維GIS、設(shè)備控制、生產(chǎn)報(bào)表等功能。

1）數(shù)據(jù)采集設(shè)備層

數(shù)據(jù)采集設(shè)備層主要用于采集各類(lèi)物理量、標(biāo)識(shí)、音頻、視頻數(shù)據(jù)。該層設(shè)備主要包括各種形式的傳感器、語(yǔ)音、視頻設(shè)備。

2）網(wǎng)絡(luò)層

實(shí)現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)功能，能夠把感知到的信息無(wú)障礙、高可靠性、高安全性地進(jìn)行傳送。

3）應(yīng)用層

應(yīng)用層利用綜合視頻顯示平臺(tái)、調(diào)度電話、廣播系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的綜合顯示、存儲(chǔ)和處理；

3 感知礦山硬件建設(shè)

1）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

為提高礦山生產(chǎn)能力和安全生產(chǎn)管理水平，多數(shù)礦山已安裝或即將建設(shè)多種自動(dòng)化系統(tǒng)，如：提升自動(dòng)化系統(tǒng)、排水自動(dòng)化系統(tǒng)、皮帶運(yùn)輸自動(dòng)化系統(tǒng)、通風(fēng)自動(dòng)化系統(tǒng)、供電自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)大多是在不同階段建設(shè)，處于相互獨(dú)立的狀態(tài)，造成了很多為問(wèn)題，如：

（1）通訊線路重復(fù)投資、重復(fù)建設(shè)；

（2）整體可靠性差，不利于礦井安全生產(chǎn)；

（3）各種系統(tǒng)自成體系，需要專門(mén)、獨(dú)立的值班和維護(hù)人員；

（4）各系統(tǒng)自成一體，信息不能互通，不能發(fā)揮自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合效益；

（5）系統(tǒng)維護(hù)量大，維修、維護(hù)困難。

千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)既可避免網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸，又大大節(jié)省了投資。光纖傳輸實(shí)現(xiàn)同網(wǎng)、同纜、同芯傳輸數(shù)據(jù)、音頻和視頻的業(yè)務(wù)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)視頻、IP電話和數(shù)據(jù)的三網(wǎng)合一。

2）礦調(diào)度室

礦調(diào)度室是整個(gè)礦山物聯(lián)系統(tǒng)的核心，也是生產(chǎn)、管理信息匯聚的中心，在整個(gè)系統(tǒng)中有著舉足輕重的核心作用，礦調(diào)度網(wǎng)絡(luò)必須確保穩(wěn)定、可靠、安全。

礦調(diào)度室的基本功能如下：

（1）對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)、基本軟硬件資源的調(diào)配和管理；

（2）提供多種應(yīng)用服務(wù)，如組態(tài)、三維GIS、人員定位、考勤、汽車(chē)衡等功能。

（3）保證對(duì)各類(lèi)生產(chǎn)、安全和管理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠的存儲(chǔ)、管理；

（4）確保網(wǎng)絡(luò)安全，對(duì)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的安全認(rèn)證，尤其在WI-FI接入認(rèn)證、系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)資源的訪問(wèn)等關(guān)鍵資源的安全認(rèn)證；

（5）通過(guò)工業(yè)電視系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)控畫(huà)面；

（6）通過(guò)數(shù)字調(diào)度電話系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與井下IP電話的通信。

3）壓風(fēng)機(jī)房

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）控制功能：風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、反風(fēng)、風(fēng)門(mén)啟閉控制等控制功能；

（2）具備就地控制/就地集中控制/上位機(jī)控制三種工作方式，就地方式(檢修方式)時(shí)各設(shè)備由設(shè)備本身的控制按鈕操作，便于設(shè)備的檢修；就地集中方式由PLC柜完成風(fēng)機(jī)及輔助設(shè)備的協(xié)調(diào)控制；上位機(jī)控制方式時(shí)可在工控機(jī)上完成對(duì)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制；

（3）監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)(設(shè)備)性能參數(shù)，如：礦井負(fù)壓、流量、全/靜壓、軸功率等；

（4）實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能曲線；

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)配用電機(jī)的電氣參數(shù)，如：電流、電壓、功率；

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)：振動(dòng)烈度、定子及軸承溫度；

（7）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)門(mén)位置。

4）井下炸藥庫(kù)

井下炸藥庫(kù)主要利用溫度和壓力傳感器采集庫(kù)房的溫度，網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器直接接入骨干網(wǎng)中。

泵房排水系統(tǒng)：

水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)是由六個(gè)部分組成的，分別是：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水泵自動(dòng)輪換系統(tǒng)、狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示和故障報(bào)警以及數(shù)據(jù)上傳等等，可以在保證水泵安全運(yùn)行的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行自動(dòng)化，系統(tǒng)的系統(tǒng)主要功能如下：

（1）PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分段運(yùn)行。該程序具有結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)；

（2）PLC自動(dòng)檢測(cè)水位信號(hào)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動(dòng)投入和退出水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，合理地調(diào)度水泵運(yùn)行；

（3）系統(tǒng)根據(jù)水位和壓力控制原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作；

（4）系統(tǒng)具有通訊接口功能，PLC可同時(shí)與操作屏及地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)監(jiān)控功能；

（5）系統(tǒng)可根據(jù)投入運(yùn)行泵組的位置，自動(dòng)選擇啟動(dòng)射流泵，若在程序設(shè)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到真空度，便有報(bào)警輸出；

（6）在操作屏上動(dòng)態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超限報(bào)警，故障點(diǎn)自動(dòng)閃爍。具有故障記錄，支持歷史數(shù)據(jù)查詢等功能；

（7）超溫保護(hù)：水泵長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過(guò)溫度保護(hù)裝置及PLC 實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警；

（8）流量保護(hù)：在水泵正常啟動(dòng)或者運(yùn)行后，如果出現(xiàn)流量不能達(dá)到正常值的情況，可以通過(guò)保護(hù)裝置促使本臺(tái)水泵停止運(yùn)行，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵；

（9）電動(dòng)機(jī)故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)的電氣故障，如：低電壓、漏電、過(guò)電流等等，并參與控制；

（10）電動(dòng)閘閥故障：由閘閥通過(guò)檢測(cè)故障，并且能夠參與到水泵的聯(lián)鎖控制中。

系統(tǒng)控制具有3種工作的方式，包括：手動(dòng)檢測(cè)工作方式、半自動(dòng)工作方式以及自動(dòng)方式。手動(dòng)檢修方式主要在手動(dòng)試車(chē)以及故障檢修時(shí)應(yīng)用，當(dāng)某臺(tái)水泵以及水泵的附屬設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，為了不影響其他泵組的運(yùn)行，出現(xiàn)故障的泵組就會(huì)自動(dòng)退出運(yùn)行。因?yàn)镻LC柜上都設(shè)有該泵的禁止啟動(dòng)按鈕，為了保證安全可靠的系統(tǒng)以及防止其他人員的失誤操作，系統(tǒng)可隨時(shí)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)和半自動(dòng)工作方式運(yùn)行；半自動(dòng)方式，某臺(tái)或幾臺(tái)泵組都是由工作人員選擇投入的，PLC只自動(dòng)完成已選泵組的監(jiān)控工作以及啟停工作；自動(dòng)時(shí)，由PLC檢測(cè)水位、壓力及有關(guān)信號(hào)，自動(dòng)完成各泵組運(yùn)行。

5）變電所

變電所主要通過(guò)溫度、電壓、電流等傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

6）主副井

主副井主要采用視頻監(jiān)控結(jié)合人員定位的功能來(lái)監(jiān)視主井提升設(shè)備、副井工作人員出入狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和考勤。

4 感知礦山軟件建設(shè)

軟件平臺(tái)是物聯(lián)系統(tǒng)的靈魂，軟件平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)所有采集信息的集中接收、存儲(chǔ)、處理。這些海量信息主要集中在礦調(diào)度室進(jìn)行分類(lèi)分析與處理。結(jié)合礦調(diào)度室網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)功能要求，將軟件平臺(tái)劃分為應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)、三維GIS子系統(tǒng)和安全子系統(tǒng)四大子系統(tǒng)。其中各系統(tǒng)根據(jù)功能進(jìn)一步劃分。

4.1 視頻監(jiān)控

企業(yè)視頻監(jiān)控?cái)M建設(shè)一套以分布式數(shù)字視頻軟件系統(tǒng)平臺(tái)和嵌入式視頻服務(wù)器設(shè)備為核心的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)工業(yè)電視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和礦區(qū)安防視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、數(shù)字化、IP傳輸、高效存儲(chǔ)、電視墻實(shí)時(shí)監(jiān)控以及WEB訪問(wèn)功能，并能與集團(tuán)公司工業(yè)電視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。具有以下功能特點(diǎn)：

1）圖像顯示：可通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器顯示視頻圖像，也可通過(guò)解碼設(shè)備在電視墻顯示；

2）多區(qū)域組合顯示：提供單畫(huà)面、4畫(huà)面、9畫(huà)面多種視頻實(shí)時(shí)顯示界面，可通過(guò)點(diǎn)擊編碼器名稱方便地播放圖像；

3）分布式顯示：支持多個(gè)客戶端同時(shí)查看一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的圖像；

4）支持?jǐn)z像機(jī)遠(yuǎn)程控制功能：可對(duì)權(quán)限范圍內(nèi)的攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，包括鏡頭上下左右移動(dòng)、鏡頭縮放、光圈調(diào)整、調(diào)焦（攝像機(jī)支持此功能）；

5）提供分布式錄像服務(wù)：可同時(shí)錄像的鏡頭數(shù)量不受單一服務(wù)器的限制；

6）站點(diǎn)管理：系統(tǒng)管理員實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)管理，設(shè)備管理、用戶管理等各項(xiàng)管理，包括配置、修改、刪除等?？勺詣?dòng)搜索并顯示設(shè)備服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、錄像服務(wù)器的信息，包括名稱、IP地址，可修改站點(diǎn)名稱，可刪除無(wú)效站點(diǎn)；

7）用戶授權(quán)訪問(wèn)：提供多種用戶類(lèi)型，包括管理員、超級(jí)用戶、一般用戶和瀏覽用戶，分別授予不同的權(quán)限范圍；

8）應(yīng)用接口：與其它信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接的能力，建立統(tǒng)一認(rèn)證系統(tǒng)。

4.2 監(jiān)測(cè)監(jiān)控

監(jiān)測(cè)監(jiān)控子系統(tǒng)主要完成泵房、風(fēng)機(jī)、井下環(huán)境監(jiān)測(cè)、配電所、主副井等各個(gè)安全監(jiān)控節(jié)點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的集中接收、存儲(chǔ)和處理及反饋控制，是生產(chǎn)監(jiān)控的核心部分。主要完成以下功能：

1）泵房監(jiān)控：用組態(tài)或WEB方式實(shí)時(shí)顯示水泵的開(kāi)停、轉(zhuǎn)速、溫度等傳感數(shù)據(jù)；通過(guò)控制指令控制水泵的開(kāi)停；

2）風(fēng)機(jī)監(jiān)控：用組態(tài)或WEB方式實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等傳感數(shù)據(jù)，通過(guò)指令控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

3）井下環(huán)境監(jiān)測(cè)：用組態(tài)或WEB方式實(shí)時(shí)顯示井下巷道、工作面的環(huán)境參數(shù)；

4）配電房監(jiān)視：用組態(tài)或WEB方式實(shí)時(shí)顯示配電設(shè)施的工作參數(shù)；

5）主副井監(jiān)視：監(jiān)視主井提升設(shè)備的工作狀態(tài)，并組態(tài)顯示提升設(shè)備的工作狀態(tài)，視頻監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；通過(guò)組態(tài)顯示副井的人員定位信息、進(jìn)口的視頻圖像，結(jié)合三維GIS系統(tǒng)顯示手持移動(dòng)設(shè)備的三維GIS狀態(tài)。

4.3 人員定位

人員定位功能是井下作業(yè)過(guò)程中，對(duì)人員的分布及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視的定位系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用WI-FI與人員定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式，通過(guò)分布在礦井中的若干WI-FI節(jié)點(diǎn)和人員定位分站來(lái)定位井下人員的空間位置，結(jié)合三維GIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示井下人員、機(jī)車(chē)及傳感器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。主要功能有：

1）身份識(shí)別：WI-FI節(jié)點(diǎn)和井下人員定位讀卡器通過(guò)讀取移動(dòng)終端攜帶的身份識(shí)別卡來(lái)辨認(rèn)識(shí)別移動(dòng)對(duì)象；

2）跟蹤顯示：通過(guò)三維GIS實(shí)時(shí)追蹤移動(dòng)終端的位置；

3）考勤功能：能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)礦工入井、升井時(shí)間，并可按班次按部門(mén)生成日考勤、月考勤統(tǒng)計(jì)報(bào)表；

4）定位功能：對(duì)井下礦工的分布情況分區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全礦井井下礦工總數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)工作面礦工總數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)工作面礦工總數(shù)以及井下其他區(qū)域礦工總數(shù)。根據(jù)各礦實(shí)際情況繪制井下巷道、采區(qū)圖，該圖是動(dòng)態(tài)的，隨著井下人員的移動(dòng)，該圖顯示的各區(qū)域人數(shù)會(huì)隨時(shí)更新。輸入任意人員的姓名或編號(hào)，可以立即以圖形方式顯示此人當(dāng)前所在區(qū)域；也可以同時(shí)輸入多個(gè)人員，以文字方式顯示這些人各自在井下的當(dāng)前位置；

5）統(tǒng)計(jì)查詢進(jìn)入特殊區(qū)域人員：對(duì)于井下的某些特殊區(qū)域，例如規(guī)定不準(zhǔn)一般人員進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域，在行蹤保留時(shí)段內(nèi)可以隨時(shí)進(jìn)行查詢，列出進(jìn)入該區(qū)域的人員和出、入時(shí)間；

6）報(bào)警功能：對(duì)某個(gè)區(qū)域的人員數(shù)量進(jìn)行限制，如果超員則告警。當(dāng)?shù)V工進(jìn)入禁區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)告警，提示管理人員采取相應(yīng)措施。當(dāng)?shù)V工在井下停留超出規(guī)定時(shí)間或沒(méi)有做夠規(guī)定時(shí)間，系統(tǒng)將告警并記錄。當(dāng)?shù)V工未按規(guī)定的行進(jìn)路線行走，行進(jìn)到禁行區(qū)，系統(tǒng)將告警并給予提示。

4.4 汽車(chē)衡子系統(tǒng)

汽車(chē)衡作為企業(yè)生產(chǎn)管理的重要組成部分之一，用于稱重礦石，并統(tǒng)計(jì)各種銷(xiāo)售信息。主要完成以下功能：

1）數(shù)據(jù)獲?。和ㄟ^(guò)接口網(wǎng)關(guān)自動(dòng)取得儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并按照要求換算及運(yùn)算；

2）數(shù)據(jù)調(diào)用：稱重時(shí)自動(dòng)調(diào)用車(chē)輛的相關(guān)數(shù)據(jù)，如駕駛員、皮重等內(nèi)容；

3）磅單打?。合到y(tǒng)自動(dòng)按權(quán)限及設(shè)置打印磅單；

4）查詢：任意方式組合查詢；

5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：自動(dòng)統(tǒng)計(jì)查詢結(jié)果的總量合計(jì)：包括毛重、皮重、凈重、單價(jià)、金額及結(jié)算重量等。

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山成功應(yīng)用后，可達(dá)到監(jiān)、管、控一體化；最大限度地實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守，有人巡視”，達(dá)到減員增效；信息資源充分共享化，達(dá)到安全生產(chǎn)、節(jié)能增效，為礦山安全生產(chǎn)、有效預(yù)防和及時(shí)處理各種突發(fā)事故和自然災(zāi)害，提供有效手段。

[1]古德生.對(duì)中國(guó)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的思考(一)[J].世界采礦快報(bào)，1997(2).

[2]王建軍，楊小聰，郭利杰.礦山固體廢物充填處理技術(shù)及環(huán)境影響分析[D].2010中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(第二卷)，2010.