主動感知的煤礦井下設備全生命周期自動化管理系統

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(安徽理工大學a.計算機科學與工程學院;b.電氣與信息工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

物聯網使許多工業(yè)企業(yè)的管控實現了自動化，對于煤礦而言，由于井下環(huán)境惡劣，對信息的感知與地面相比更加復雜，致使很多信息的采集主要還以人工的方式進行。以煤礦井下大量使用的各類設備信息為例，調研發(fā)現，現在煤礦設備的狀況信息的錄入統計管理等工作仍需人工操作，若工作人員不及時更新信息，必將為煤礦安全生產埋下重大隱患。為此，對煤礦安全信息感知采集技術、煤礦信息融合、識別與協同技術、煤礦傳感網控制技術、煤礦傳感網絡安全生產等關鍵技術開展了研究，解決了煤礦物聯網感知層的信息感知問題，并在此基礎上，設計并實現了基于物聯網感知的煤礦設備智能管理系統，為煤礦設備管理和安全生產提供了更加可靠的保障。

1 設計思路

首先，以物聯網在煤礦井下復雜環(huán)境下的多信息、強關聯、高混雜等特征為出發(fā)點，采取全面感知、主動獲取、定時和實時相結合的方式處理礦區(qū)工作人員的工作位置、機械設備的放置場所和運行狀況以及生產環(huán)境等各類參數。

其次，將與煤礦安全密切相關的緊急動作(恒為關鍵)等布爾信號；用于生產過程的各類具有連續(xù)代數性質的控制信息；用于標記基于事件的維護產生的短期操作結果，記錄和下載/上載歷史數據采集、事件順序記錄SOE、預防性維護等不產生直接操作結果的連續(xù)代數信息，以及視頻、音頻、圖像等信息，在保證關鍵數據能夠實時可靠傳輸的前提下進行按級采集、分類保存[1]。

最后，通過物聯網感知層語義分析與機物通信模型進行任務分解與逆向解析，研究具有主動感知的信息獲取與傳遞機制，對象定位及信息獲取方法，實現對煤礦井下的全面感知。

2 煤礦設備主動智能管理系統組成及特色

該系統主要有以下特色：

(1)及時反映全單位設備資產及使用情況，利用系統可以直觀地反映設備的數量、狀態(tài)、設備效率、設備資產情況。

(2)對設備資源進行整合，實現設備的全局規(guī)劃，利用信息資源的共享，通過設備管理部門對設備進行集中管理，發(fā)揮設備生產的最大效用。

(3)實行動態(tài)管理和信息共享，跟蹤設備運行信息，及時掌握設備狀況，提高設備的使用效率和使用壽命。

(4)實現對設備臺賬維護、日常調動、設備修理、租金計算、折舊提取、設備報廢等業(yè)務的全程監(jiān)控。

基于主動機制的煤礦設備智能管理系統，采用主動獲取、定時和實時相結合的方式處理井下設備狀況和建立煤礦井下物聯網感知層體系結構，實現了煤礦井下設備的自動化管理。

3 煤礦設備智能管理系統的實現

3.1 煤礦設備智能管理系統結構

該智能管理系統采用上、下位機相結合的方式。由設備的EPC電子標簽、便攜式讀寫裝置和上位計算機應用系統等組成。讀寫裝置讀取或寫入標簽信息，EPC電子標簽存儲設備信息，計算機應用系統完成模塊解析及設備信息管理，下位機與PC機進行數據通信。采用無線方式實現讀寫器與設備EPC電子標簽之間的信息傳輸，采用有線或無線方式實現讀寫器與計算機之間的信息通訊[2]。其主要結構如圖1所示。

圖1 煤礦設備智能管理系統結構圖

3.2 煤礦設備主動管理感知層設計

感知層具有數據傳輸口自動打開和自動存儲功能，所設計的移動式讀寫器，具有主動獲取人員或設備信息的功能。

讀寫器采用SAMNSUNG 400 MHz CPU處理器，具有 FROM128MB, RAM 128MB SDRAM內存，又擴展了512MBSDRAM；采用3.5in QVGA (240*320像素) 彩色，透反射式TFT-LCD觸摸顯示屏；移植了Microsoft Windows CE 5.0操作系統；與計算機之間既可以采用USB[3]或RS232接口[4]等進行通訊，也可通過無線通信模塊實現無線通訊。其最主要的功能就是超高頻的RFID讀寫功能，實現對設備上標簽信息的讀寫。還具有音頻和圖像采集的功能。

該系統使用無源智能G2電子標簽[7]，工作頻率為902～928MHz超高頻，存儲容量為96位ID號，讀寫距離為0～20m。讀寫器與EPC之間采用電磁反向散射耦合組成識別系統[8]。

3.3 煤礦井下設備主動管理信息感知過程

設備的信息編碼存儲在電子標簽中，電子標簽在安裝到設備上之前需對其進行初始化，編碼為設備當前的具體信息。當使用讀寫器獲取設備新信息時，首先需要設置采集信息的關鍵字(如設備存放地點等)，若其它的可變字段發(fā)生了改變則做相應的修改，并生成新的EPC編碼，同時這些修改過的信息以XML文件的形式保存到設備的電子標簽和讀寫器中；若未發(fā)生改變則仍保持原來的信息。便攜式讀寫器到現場采集的是發(fā)生了改變的設備信息，如設備狀態(tài)、使用地點、使用單位、包機人等。設備信息感知奠定了設備的信息化管理的基礎。

讀寫器通過解析模塊將電子標簽中的編碼解析為用戶可以查看的設備靜態(tài)和動態(tài)信息；同時也可以通過系統界面的操作對設備信息進行修改，從而產生新的EPC編碼，并作為設備的新信息進行存儲。

圖2 煤礦井下設備的電子信息編碼

圖3 煤礦設備EPC信息編碼結構圖

3.4 讀寫器與計算機應用系統數據同步

由于讀寫器負責每次到煤礦井下或者設備使用現場進行設備可變信息的采集、修改等操作，上位計算機及其應用系統主要負責對設備全生命周期進行管理。兩者之間的數據同步非常重要。因此，設計數據同步實現如下：計算機應用系統安裝Microsoft ActiveSync同步程序，為PC機識別讀寫器間架起橋梁；計算機應用系統通過有線或無線方式獲取便攜式讀寫裝置感知的信息；計算機應用系統發(fā)出獲取最新設備文件信號，讀寫器將最近一次采集的數據文件傳輸到PC機中，再讀取該數據文件，將數據保存到計算機應用系統的數據庫中，同時顯示在用戶界面上，供用戶查看。

3.5 煤礦設備的EPC編碼

3.5.1 煤礦設備分類

該系統設備采用了三級分類結構，使設備具有1-3級分類屬性。此項設計采用C#開發(fā)，利用MS SQL Server建立數據管理系統，應用LINQ訪問技術實現系統數據的存儲與查詢統計。設計中的讀寫器在移植WinCE操作系統基礎上也采用了C#智能設備開發(fā)技術，實現了讀取電子編碼、解析與逆解析編碼、寫入及修改EPC電子標簽等功能。

3.5.2 系統EPC編碼規(guī)范

在該智能系統中，采用的是96位的RFID標簽，并對EPC字段進行了重新定義和解析。EPC信息分為固定信息和動態(tài)信息兩個部分。固定信息部分用于存儲設備信息中固定不變的信息字段，而動態(tài)信息部分用于存儲設備信息中需要動態(tài)更新的字段，如圖2所示。

煤礦井下設備的電子信息編碼各字段的信息編碼結構，如圖3所示。

在分段式編碼結構中，設備固定信息部分的EPC編碼用于唯一標識煤礦設備，0～39的40位為設備的唯一編號，可以表示約1T個設備。其中，0～5的6位為一級分類編號、6～12的7位為二級分類編號、13～19的7位為三級分類編號、20～39的20位為設備的ID，具體情況如表1所示。

表1 煤礦設備EPC固定信息編碼

備注：總共40位碼元用于唯一碼，可以表示約1T個物品。

設備的可變信息編碼中，40～49的10位為地點代碼，如0000001001(十進制9)代表81絞車房、50～59的10位代表所在單位代碼，如0000001110(十進制14)代表機修廠、60～69的10位代表負責人代碼，如0000010111(十進制23)代表殷偉、70-73的4位代表設備狀態(tài)代碼，如0001(十進制1)代表正常、74～89的16位代表使用日期的代碼、90～95的6位保留，取值000000，可用于新增設備動態(tài)信息編碼或者大編號的擴充位等。具體編碼見表2。

表2 煤礦設備EPC動態(tài)信息編碼

3.5.3 編碼轉換

該系統對EPC電子標簽中的編碼進行了如下設計和轉換：在讀寫器中，將二進制轉換為十六進制EPC編碼，同時在設備信息發(fā)生改變之后，重新生成的EPC編碼也是十六進制的，在讀寫器中的用戶操作界面及查詢信息界面中顯示十進制及文字的形式。從而滿足直觀呈現設備狀態(tài)、地點等信息的要求。

4 結 論

可見，該主動感知的煤礦井下設備全生命周期自動化管理系統可提高煤礦的煤炭生產效率和生產管理水平，減輕設備管理人員的勞動強度，保證設備的實時性、準確性和可靠性。目前，該系統已在淮北礦業(yè)集團公司許疃煤礦應用。