物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在采煤機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用研究

馬昆

（國(guó)家能源寧夏煤業(yè)集團(tuán)限公司,寧夏 銀川 750000）

近幾年來(lái)，為了在采煤技術(shù)上實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要將無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、射頻技術(shù)以及信息處理技術(shù)等綜合利用，將其融入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)，建立以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的采煤機(jī)綜合監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)工作人員監(jiān)測(cè)采煤機(jī)上的電動(dòng)機(jī)位置、電流、牽引速度及搖臂傾斜角度等一系列參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作畫(huà)面的搜集與整理，將這些畫(huà)面的視頻、音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳到地面的監(jiān)控中心，這樣既可以實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井內(nèi)的災(zāi)害，及時(shí)預(yù)警并做好事故的診斷工作，也可以使地面的監(jiān)測(cè)中心能夠?qū)ζ溥M(jìn)行智能化的操控，推動(dòng)采煤機(jī)作業(yè)實(shí)現(xiàn)正常平穩(wěn)的工作狀態(tài)，為以后實(shí)現(xiàn)采煤無(wú)人自動(dòng)化工作奠定基礎(chǔ)。

1 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)含義

1．1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)含義

所謂物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是指通過(guò)信息安全技術(shù)、紅外線射頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及傳感器技術(shù)等將日常生活中的具體物品與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，是我國(guó)目前迅速發(fā)展的新興技術(shù)與科技，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效地融入傳統(tǒng)的機(jī)械工程技術(shù)當(dāng)中能夠極大地提高傳統(tǒng)機(jī)械工程技術(shù)的效率與水平。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并非將集中簡(jiǎn)單的技術(shù)進(jìn)行拼湊，而是將這些技術(shù)綜合起來(lái)，進(jìn)行系統(tǒng)組合，自20世紀(jì)90年代起物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)就已經(jīng)被研發(fā)，在最近十年中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸向微型、智能及系統(tǒng)化的方向發(fā)展。我國(guó)的煤礦開(kāi)采行業(yè)正采用積極的方式，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的煤礦器械開(kāi)采相結(jié)合，這是一種巨大的改變，能為我國(guó)的煤礦開(kāi)采事業(yè)帶來(lái)新的生機(jī)與活力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用有以下幾點(diǎn)好處：可以促進(jìn)煤礦機(jī)器操作工作的高效性，可以使所有煤礦開(kāi)采的操作過(guò)程都在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下進(jìn)行，這有利于煤礦開(kāi)采工作的規(guī)范性與安全性，將繁瑣的工作流程加以簡(jiǎn)化，節(jié)省了煤礦開(kāi)采工人的勞動(dòng)時(shí)間，有效提高工人的工作效率，從而大大降低了開(kāi)采成本；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也可以提高煤礦機(jī)器操作的智能化，使煤礦開(kāi)采工人在工作過(guò)程中享受更加人性化的設(shè)計(jì)與體驗(yàn)，從而提高工作效率；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以使煤礦器械微型化，從而降低了生產(chǎn)的消耗與浪費(fèi)，節(jié)省更多的資源，增加煤礦開(kāi)采過(guò)程的安全性。

1．2 射頻技術(shù)含義

所謂射頻技術(shù)，即射頻識(shí)別技術(shù)，其英文名稱為RadioFrequencyIdentifi-cation，屬于一種非接觸性的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。射頻技術(shù)是通過(guò)對(duì)某些射頻信號(hào)、雷達(dá)反射及空間電磁耦合的傳輸，自動(dòng)識(shí)別物體，取得相關(guān)物體的基本數(shù)據(jù)，該識(shí)別不需要人工參與，可以被應(yīng)用于各種惡劣的氣候環(huán)境中。射頻技術(shù)可被運(yùn)用于識(shí)別正處于高速運(yùn)動(dòng)的物體以及多個(gè)物體中，其操作簡(jiǎn)單快捷，具體由電子標(biāo)簽、閱讀器以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)3部分構(gòu)成。其中，電子標(biāo)簽是射頻技術(shù)中的數(shù)據(jù)載體部分，由專用的標(biāo)簽芯片和天線構(gòu)成，根據(jù)供電形式的不同可將其分為無(wú)源電子標(biāo)簽、有源電子標(biāo)簽以及半無(wú)源電子標(biāo)簽。半無(wú)源電子標(biāo)簽有一部分通過(guò)電池運(yùn)作，有源電子標(biāo)簽內(nèi)部裝置了電池，無(wú)源射頻標(biāo)簽內(nèi)部則沒(méi)有安裝電池，讀寫(xiě)器為了實(shí)現(xiàn)讀出或者寫(xiě)入內(nèi)存數(shù)據(jù)及標(biāo)簽的識(shí)別碼，通常情況下利用天線與電子標(biāo)簽通信。比較具有代表性的讀寫(xiě)器由發(fā)送器、接收器、讀寫(xiě)器的天線及控制單元組成，為了利用電子標(biāo)簽將數(shù)據(jù)信息規(guī)范地存儲(chǔ)起來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)使用無(wú)線通信技術(shù)搜集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送到信息中心，識(shí)別物體后將信息在互聯(lián)網(wǎng)上共享或交換，從而達(dá)到感知物體的目的。

1．3 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)含義

信息社會(huì)的一般標(biāo)志就是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用與普及，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)。其中，傳感器技術(shù)是人類感官的發(fā)展；通信技術(shù)作為傳遞信息的技術(shù)，是人類神經(jīng)系統(tǒng)的延伸；計(jì)算機(jī)技術(shù)作為處理信息的技術(shù)，是人類大腦功能的延續(xù)。傳感器利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的協(xié)同與傳遞，具體包括近距離的通信與廣域范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信兩種類型。近距離的通信分為WIFI、藍(lán)牙及ZigBee等，近距離的通信將IEEE802.15.4通信技術(shù)作為主流，該通信技術(shù)具有距離短、速率低及功耗低的優(yōu)點(diǎn)，可用于存儲(chǔ)和計(jì)算能力受到限制的簡(jiǎn)單機(jī)器；廣域范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)2G/3G的移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信或者IP互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信息傳遞。

2 采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作原理

采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要在工作前通過(guò)傳感器的節(jié)點(diǎn)等設(shè)備搜集周邊環(huán)境及采煤機(jī)的工作情況信號(hào)，若搜集的數(shù)據(jù)存在異常或超過(guò)限制，報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)并促使工作現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)控制設(shè)備開(kāi)啟。每一個(gè)傳感器的最終節(jié)點(diǎn)會(huì)把搜集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞到協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)內(nèi)，協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC數(shù)據(jù)，并交由PLC的控制版面進(jìn)行相關(guān)處理，同一時(shí)間內(nèi)這些數(shù)據(jù)被上傳到地面的監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心及時(shí)檢測(cè)這些數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行整理分析并顯示在工業(yè)的大屏幕上，至此，采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)于工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并顯示以及對(duì)故障的維修才算完成，最后將警告信息發(fā)布于遠(yuǎn)程的無(wú)線終端部分，并向上層部門(mén)匯報(bào)，緊急啟動(dòng)危險(xiǎn)應(yīng)急處理指揮模式及遠(yuǎn)程操控，對(duì)采煤機(jī)設(shè)備的牽引速度、定位以及啟動(dòng)、關(guān)閉做好及時(shí)調(diào)整。

2．2 采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前為止，根據(jù)現(xiàn)階段采煤機(jī)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的采煤機(jī)操作系統(tǒng)是通過(guò)各個(gè)無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)，將搜集到的信息利用信息的融合手段進(jìn)行相應(yīng)處理，并減少了由單一傳感器以及信息量限制造成的錯(cuò)報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生，篩除了大量的冗余數(shù)據(jù)，使通信技術(shù)的寬帶和能量資源得到節(jié)約，增強(qiáng)了對(duì)信息的搜集能力，促進(jìn)信息間的感知與互補(bǔ)。

采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)層、感知層與應(yīng)用層3個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)層具體包括地面的光纖網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、服務(wù)器、路由器以及防火墻等，這些也是采礦區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)，可用于傳輸信息。感知層具體包括關(guān)于周邊環(huán)境信息、人員信息及采煤機(jī)各項(xiàng)參數(shù)信息的傳感器，由傳感器架構(gòu)一整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，確保能夠?yàn)椴傻V區(qū)提供全面的工作信息。應(yīng)用層具體包括人員管理系統(tǒng)、煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)、視頻檢測(cè)系統(tǒng)以及應(yīng)急指揮系統(tǒng)等，屬于采礦區(qū)的信息綜合性平臺(tái)，應(yīng)用層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)工作生產(chǎn)信息、安全數(shù)據(jù)的整理分析，并實(shí)時(shí)監(jiān)控采煤機(jī)器械的工作狀況。這一系統(tǒng)可以通過(guò)與電視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合作，使地面信息中心加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)工作人員分布、井下工作環(huán)境及采煤機(jī)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的全面監(jiān)控，將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴蠈宇I(lǐng)導(dǎo)面前，指揮中心通過(guò)計(jì)算機(jī)就可以及時(shí)了解礦區(qū)人員及設(shè)備的狀態(tài)，從而實(shí)施高效的管理與調(diào)度。

2．3 采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)工作實(shí)際情況需要，對(duì)采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)分為人員監(jiān)控、采煤機(jī)溫度檢驗(yàn)及可燃有毒氣體檢驗(yàn)3個(gè)部分。分段人員監(jiān)控部分包括給每一位工作人員佩帶標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)容包括姓名、年紀(jì)、工作時(shí)間及工作部門(mén)等，這些信息可以在礦井的主要通道及出入口內(nèi)被讀取，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)信息的處理送到監(jiān)控中心，做好對(duì)井下人員的監(jiān)測(cè)工作。

對(duì)采煤機(jī)的溫度檢驗(yàn)是由于采煤機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電纜接觸不良等故障，這些故障導(dǎo)致采煤機(jī)溫度的升高，干擾井下生產(chǎn)的安全。最好的辦法是將溫度節(jié)點(diǎn)設(shè)置于采煤機(jī)上，由相鄰節(jié)點(diǎn)讀取溫度數(shù)據(jù)并將信息通過(guò)多跳的形式傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)處，最后由有線網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)送到地面信息控制中心。

可燃有毒氣體的檢驗(yàn)是通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的方式，將WiFi與服務(wù)器相連，使可燃有毒氣體傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)有限光纖網(wǎng)或無(wú)線傳感網(wǎng)送到地面控制中心。在可燃有毒氣體含量超標(biāo)時(shí)，傳感器可以及時(shí)啟動(dòng)警報(bào)，讓工作人員撤離工作現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi)啟排風(fēng)機(jī)直到可燃?xì)怏w濃度降低至安全值。在地面控制中心接到報(bào)警信號(hào)后，大屏幕上立刻轉(zhuǎn)換到警報(bào)所在地的工作監(jiān)控畫(huà)面，采礦區(qū)的領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)啟動(dòng)緊急救援方案和措施，即時(shí)有效地指揮救援。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與煤礦器械的結(jié)合，我國(guó)應(yīng)用于采煤機(jī)設(shè)備上的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展前景越來(lái)越廣闊，采煤機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極具特色，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中為促進(jìn)采煤器械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行做出了貢獻(xiàn)。