潘集選煤廠智能照明與人員定位技術(shù)實施方案

王 猛，王 超

(1.淮南礦業(yè)集團有限責(zé)任公司 潘集礦選煤廠，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著智能礦山建設(shè)的推進，高效、節(jié)能、智能化選煤廠的建設(shè)理念和技術(shù)也逐漸在選煤廠建設(shè)和運營中得到滲透和應(yīng)用[1-2]。目前國內(nèi)外關(guān)于人員定位、安全監(jiān)測以及照明系統(tǒng)都有相關(guān)技術(shù)研究與應(yīng)用。黃強等[3]研制了KJ90礦井人員定位系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成與功能特點，并針對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了工業(yè)性試驗；方水平等[4]對幾種常見的礦井人員定位技術(shù)特點進行分析，闡述了各自的優(yōu)缺點，證實了基于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)的優(yōu)越性；張長森等[5]基于 ZigBee 技術(shù)設(shè)計了一種無線通信系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)用于煤礦井下工作人員定位的原理與可能性；李曉帆等[6]基于ZigBee技術(shù)與CAN技術(shù)設(shè)計了一種煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對井下巷道環(huán)境安全的實時監(jiān)測；柳晶、陳淵等[7-8]提出了節(jié)能照明的設(shè)計原則，指出創(chuàng)新節(jié)能方式、改善照明器控制方式是實現(xiàn)照明系統(tǒng)節(jié)能的重要舉措；韓貴晶等[9]闡述了供配電設(shè)計的特點，提出了照明系統(tǒng)采用智能亮度調(diào)節(jié)和分區(qū)分時的控制方式有利于節(jié)能降耗。由于潘集選煤廠照明裝置點多面廣，系統(tǒng)龐大，各系統(tǒng)獨立，照明集成度不高，燈具多數(shù)為常明燈，導(dǎo)致能耗高，且部分為傳統(tǒng)照明燈具，亮度、色溫?zé)o差別，易出現(xiàn)視覺疲勞，狀態(tài)無法在線監(jiān)控，后期維護量大，費用高，不能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效節(jié)能環(huán)保等功能[10-11]。因此，提出一種智能照明與人員定位技術(shù)實施方案，以期實現(xiàn)照明系統(tǒng)的集成與有效控制，達到選煤廠節(jié)能降耗的目的。

1 改造方案

借助廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有光纖通信環(huán)境，搭建工作區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)，避免重復(fù)投資，節(jié)約資源；同時根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，選擇配置照明燈具的光效、色溫等參數(shù)，實現(xiàn)人性化的照明服務(wù)。

1.1 系統(tǒng)改造組成

針對改造內(nèi)容可將系統(tǒng)改造分為以下方面：控制裝置主機、監(jiān)控中心、智慧平臺燈、人員定位卡。

(1)控制裝置主機。由通信模塊、電源模塊、控制模塊等三部分組成，主要負責(zé)通訊網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與調(diào)整。一方面收集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(智慧終端)等反饋信息以及傳達控制命令；另一方面與監(jiān)控中心通信，接收命令并反饋相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

(2)監(jiān)控中心。由上位機監(jiān)控軟件組成。一方面監(jiān)視和管理控制裝置主機反饋來的信息，如現(xiàn)場人員位置信息、燈具狀態(tài)等；另一方面向控制裝置主機發(fā)出控制命令，完成開關(guān)和調(diào)節(jié)路燈的亮度，實現(xiàn)時序調(diào)度事件、報警應(yīng)答等操作。

(3)智慧平臺燈。主要由照明模塊、通信模塊、電源模塊等單元組成。每一個智能燈具控制節(jié)點具有控制節(jié)點和路由節(jié)點雙重屬性，既協(xié)助通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架，也與控制裝置主機保持互通，完成命令及反饋信息。

(4)人員定位卡。通過作業(yè)現(xiàn)場由智能燈具及控制裝置主機搭建的2.4 G無線網(wǎng)絡(luò)信號，與現(xiàn)場照明燈具通信，報告現(xiàn)場作業(yè)人員位置狀態(tài)信息，并與燈具互動，實現(xiàn)“人來燈亮、人走燈滅”的功能。

1.2 系統(tǒng)職能類別

根據(jù)整個智慧管理系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的職能，可將系統(tǒng)分為管理層、通信層、設(shè)備層三個類別。

(1)管理層。它是整個智慧管理系統(tǒng)的司令部，是整個系統(tǒng)的指揮中心，負責(zé)各個環(huán)節(jié)的綜合協(xié)調(diào)工作。其監(jiān)控中心主要配置服務(wù)器、顯示單元、存儲單元等。

(2)通信層。它是智慧管理系統(tǒng)的信息通路，是整個系統(tǒng)上行數(shù)據(jù)、下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行ПＵ?。該項目中主要信息鏈路網(wǎng)絡(luò)為有線以太網(wǎng)絡(luò)鏈路與Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)鏈路，其中以太網(wǎng)絡(luò)鏈路的通信設(shè)備包括光纜、網(wǎng)線、交換機等。

(3)設(shè)備層。它是整個智慧管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與命令執(zhí)行終端。人員定位卡完成人員位置上報工作，環(huán)境傳感器等設(shè)備采集周圍環(huán)境信息并上傳給管理中心，智慧終端接受管理中心統(tǒng)一管理，執(zhí)行不同需求的照明模式。

2 智能照明與人員定位系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

圖1所示為智能照明系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)示意圖，圖2所示為人員定位系統(tǒng)實現(xiàn)框圖。依據(jù)此設(shè)計方案，潘集選煤廠實現(xiàn)了“人來燈亮、人走燈滅”。

3 智能系統(tǒng)的優(yōu)勢

3.1 節(jié)約成本

該人員定位系統(tǒng)是以現(xiàn)有的無線照明監(jiān)控管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)的。每一個照明燈具就相當(dāng)于一個小型的無線人員定位基站?？墒褂脤Ｓ玫娜藛T定位卡或兼容原有人員定位儀，無需再建設(shè)專門用于人員定位的基站等設(shè)施，大大降低了人員定位系統(tǒng)的建設(shè)成本。

3.2 定位精確

該方案定位系統(tǒng)的基站密度是傳統(tǒng)定位系統(tǒng)無法達到的。在一個平面上，確定一個位置至少需要知道它到3個固定坐標(biāo)點的距離，所以人員定位系統(tǒng)中，每一塊區(qū)域至少需要3座人員定位基站，基站數(shù)量越多，定位越精確。傳統(tǒng)人員定位系統(tǒng)中，受制于成本的考慮，不可能建立很多的基站，一個點的定位一般通過計算該點到3～5個基站的距離來實現(xiàn)。而在該改造系統(tǒng)中，由于基站數(shù)量眾多，一個點的定位通常至少通過計算該點到5～10個基站的距離來實現(xiàn)，因此使系統(tǒng)定位精度可以優(yōu)于10 m，領(lǐng)先于國內(nèi)同類型的井下與室內(nèi)人員定位系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性強

由于系統(tǒng)中基站數(shù)量眾多，使得該照明系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大增強。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當(dāng)一個基站出現(xiàn)故障時，會嚴(yán)重影響定位精度，且無法實現(xiàn)人員定位，但在該系統(tǒng)中，當(dāng)一個基站(一盞燈)出現(xiàn)故障時，對整個系統(tǒng)的人員定位精度影響是微乎其微的。

3.4 實現(xiàn)一體化綜合管理

一體化綜合管理模式消除了安全隱患，提升了人員安全管理水平，改善了工作環(huán)境照明，有益于作業(yè)現(xiàn)場工作人員的安全及身心健康，實現(xiàn)了人員定位精確、監(jiān)管、考勤等功能，同時預(yù)留可擴展功能(溫濕度、瓦斯密度采集、監(jiān)控等)，實現(xiàn)了可視化、數(shù)字化管理。

4 實施效果

(1)實現(xiàn)了智能照明(智慧、節(jié)能、高效)和照明燈具的改造升級。根據(jù)工作環(huán)境和現(xiàn)場作業(yè)情況的不同，配置相應(yīng)功率及色溫的照明燈具，改善了作業(yè)照明情況。

(2)作業(yè)區(qū)域內(nèi)以照明燈具為載體，搭建2.4 G無線控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了照明燈具的遠程管理及監(jiān)測。

(3)人員定位增加人員定位與電子圍欄功能，所有進入作業(yè)區(qū)域的工作人員佩帶人員定位卡/儀，每個現(xiàn)場作業(yè)人員的具體位置狀態(tài)都能反饋到監(jiān)控中心；與智能安全照明系統(tǒng)相結(jié)合，工作人員一旦離開作業(yè)區(qū)域或進入特殊場所，可及時提醒調(diào)度人員，并能及時通過短信或郵件通知相關(guān)管理人員。

(4)照明燈具通過與人員定位卡通信，做到“人來燈亮、人走燈滅”，真正實現(xiàn)了按需照明，綠色、節(jié)能、環(huán)保。

(5)智能控制系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了對燈具點控、面控、時控、隨時監(jiān)控?zé)艟郀顟B(tài)等功能，實現(xiàn)了可視化、數(shù)字化管理。

圖1 智能照明系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 人員定位系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

5 結(jié)語

推進智能化建設(shè)，走“優(yōu)質(zhì)、高效、潔凈、低耗”的可持續(xù)發(fā)展之路，實現(xiàn)選煤廠數(shù)字化、可視化、安全一體化綜合管理，是選煤廠發(fā)展的趨勢和方向。作為智能化選煤建設(shè)的一部分，智能照明與人員定位系統(tǒng)的實施，大大提高了作業(yè)區(qū)域的安全化、信息化、智能化管理水平，為下一步選煤智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。