煤礦工業(yè)大數(shù)據(jù)采集與上報(bào)系統(tǒng)研究

趙金娥 葉春鵬 傅 瑩

（山東精誠電子科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，煤礦安全不斷趨向于智能化方向發(fā)展，只有解決多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集及上報(bào)問題，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管控，實(shí)現(xiàn)煤礦管理的數(shù)字化和智能化，達(dá)到智能監(jiān)管的目的。

對(duì)于煤礦辦公信息網(wǎng)、安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)、視頻監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)、重大設(shè)備工控網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集，學(xué)者們進(jìn)行了很多的研究。張志強(qiáng)（2020）[1]等設(shè)計(jì)了分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方式，利用中間件代替數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。張?jiān)獎(jiǎng)偅?019）[2]等通過數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)構(gòu)建了大數(shù)據(jù)平臺(tái)，提出了數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的具體解決方法。

2 現(xiàn)狀分析

目前煤礦系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成時(shí)，主要存在網(wǎng)絡(luò)問題和集成系統(tǒng)廠家技術(shù)協(xié)議不一致問題，具體如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)問題

目前各礦網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況都不一樣，因此在進(jìn)行系統(tǒng)集成的時(shí)候，面臨的問題和挑戰(zhàn)也不一樣。重大設(shè)備多分布在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)里，與生產(chǎn)相關(guān)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不能破壞其封閉性，水文、礦壓等系統(tǒng)歸屬各職能部室管理，服務(wù)器也可能在不同網(wǎng)段的辦公網(wǎng)絡(luò)里，其他辦公網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等均不同，因此在進(jìn)行系統(tǒng)集成的時(shí)候面臨網(wǎng)絡(luò)問題會(huì)比較多。

（2）集成系統(tǒng)廠家技術(shù)協(xié)議問題

自動(dòng)化系統(tǒng)、水文監(jiān)測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)的廠家較多，各家實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段也不一致，需要各信息中心統(tǒng)一協(xié)調(diào)生產(chǎn)廠家才能獲取相關(guān)技術(shù)參數(shù)。工控機(jī)等自動(dòng)化系統(tǒng)需要廠家提供設(shè)備點(diǎn)表，如果采用modbus 等方式自定義協(xié)議，還需要提供詳細(xì)的技術(shù)說明，因此集成難度較大。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

為了快速完成系統(tǒng)部署和數(shù)據(jù)上報(bào)的工作，采取了集中部署的方式，各礦只放數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，所有應(yīng)用程序都部署在集團(tuán)。煤礦采集完數(shù)據(jù)后，以FTP 或者遠(yuǎn)程共享文件夾方式，將數(shù)據(jù)上傳至集團(tuán)。集團(tuán)服務(wù)器通過VPN 設(shè)備，把數(shù)據(jù)直接上傳至省局。

煤礦系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴比較大，如果集團(tuán)和煤礦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，煤礦本地系統(tǒng)無法使用。因此把煤礦端系統(tǒng)和部分底層平臺(tái)功能進(jìn)行解耦和獨(dú)立，把煤礦端系統(tǒng)部署在各礦的虛擬化平臺(tái)上，采集完數(shù)據(jù)后，進(jìn)入煤礦的消息隊(duì)列，由煤礦端平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并推送到前端界面進(jìn)行展示，將數(shù)據(jù)以消息隊(duì)列的方式推送至集團(tuán)大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)。集團(tuán)端架設(shè)DTS 服務(wù)器，把上報(bào)數(shù)據(jù)直接上傳省局。

上位機(jī)系統(tǒng)采用組態(tài)王等工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，通過工業(yè)控制環(huán)網(wǎng)訪問PLC 進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)讀取。為了不破壞工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全性，增加了一臺(tái)物理服務(wù)器，并通過交換機(jī)映射到虛擬化平臺(tái)。該服務(wù)器上安裝了大數(shù)據(jù)采集程序，通過程序?qū)崟r(shí)讀取井下現(xiàn)場PLC 和上位機(jī)系統(tǒng)OPC 服務(wù)。程序采集數(shù)據(jù)后，通過kafka 消息隊(duì)列方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送至關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并刷新前端界面，實(shí)現(xiàn)工礦數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新。

具體系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1。

圖1 數(shù)據(jù)集成上報(bào)架構(gòu)圖

4 數(shù)據(jù)采集

4.1 采集方式

安全監(jiān)測(cè)和人員定位等安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家根據(jù)要求提供數(shù)據(jù)采集軟件，把系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照國標(biāo)或者地標(biāo)生成指定格式的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)寫入到服務(wù)器指定的文件夾下，通過FTP 方式或文件拷貝方式上傳到系統(tǒng)解析程序里。

實(shí)現(xiàn)步驟如下；

（1）安裝軟件。獲取監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位系統(tǒng)廠家提供的數(shù)據(jù)采集軟件，通過數(shù)據(jù)采集軟件，連接系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

（2）獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集軟件會(huì)根據(jù)國標(biāo)、地標(biāo)等協(xié)議要求，生成數(shù)據(jù)文件。

（3）數(shù)據(jù)復(fù)制。因需要上傳的數(shù)據(jù)途徑比較多，各集成廠家實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段也不一樣，配置較為復(fù)雜。

通過交換文件、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等多種方式可實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，具體如下：

（1）對(duì)于成套設(shè)備數(shù)據(jù)采集。通過獲取監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位系統(tǒng)廠家提供的數(shù)據(jù)采集軟件生成數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過分布式日志采集工具，獲取數(shù)據(jù)。

（2）對(duì)于重大設(shè)備系統(tǒng)的采集。現(xiàn)場重大設(shè)備實(shí)現(xiàn)手段多種多樣，大部分實(shí)現(xiàn)方式是傳感器、執(zhí)行器-＞PLC-＞上位機(jī)系統(tǒng)-＞OPC 服務(wù)，系統(tǒng)通過OPC 服務(wù)直接讀取數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)于管理系統(tǒng)的采集。如礦燈、考勤等管理系統(tǒng)，一般沒有接口，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫抽取方式，直接連接系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取。

4.2 采集問題及解決

數(shù)據(jù)采集完成后，監(jiān)測(cè)監(jiān)控廠家不一樣，提供的數(shù)據(jù)質(zhì)量也參差不齊，系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在很多問題。

（1）安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，用傳感器編號(hào)和報(bào)警開始時(shí)間來區(qū)分報(bào)警信息。但實(shí)際上經(jīng)常第一條報(bào)警未消除，同一個(gè)傳感器會(huì)產(chǎn)生一條新的報(bào)警記錄，報(bào)警時(shí)間不一致，因此，第一條報(bào)警信息就無法消除。針對(duì)這個(gè)問題需要根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，根據(jù)傳感器狀態(tài)自動(dòng)補(bǔ)齊數(shù)據(jù)，生成報(bào)警結(jié)束數(shù)據(jù)。

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)存在報(bào)警未關(guān)閉現(xiàn)象，需要提供手動(dòng)關(guān)閉功能，選擇報(bào)警信息，手工錄入報(bào)警解除時(shí)間，自動(dòng)生成報(bào)警關(guān)閉數(shù)據(jù)并上傳。

（3）人員定位系統(tǒng)會(huì)生成很多人員求救信息，這些信息在人員升井后都不消除。需要編寫邏輯，比如求救人員監(jiān)測(cè)到已經(jīng)升井，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉這個(gè)求救信息。

5 數(shù)據(jù)上報(bào)

將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)，主要有以下三種方式：

（1）由煤礦端系統(tǒng)通過消息隊(duì)列方式，直接傳送數(shù)據(jù)到集團(tuán)端，經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析后上報(bào)至指定服務(wù)器。

（2）煤礦數(shù)據(jù)通過FTP 文件傳輸至服務(wù)器，經(jīng)數(shù)據(jù)解析后傳給集團(tuán)端。

（3）DTS 服務(wù)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煤礦端數(shù)據(jù)逐級(jí)上傳到集團(tuán)，并同步數(shù)據(jù)到指定服務(wù)器。

6 結(jié)論

系統(tǒng)已在礦業(yè)集團(tuán)得到了應(yīng)用，通過此工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和上報(bào)，在山西柳灣、中興等多個(gè)煤礦落地實(shí)施，取得良好效果。系統(tǒng)集成了井下人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、中央水泵房、采區(qū)水泵房、主井強(qiáng)力皮帶、膠帶機(jī)斜巷皮帶、中央變電所電力監(jiān)控、采區(qū)變電所監(jiān)控、變電所監(jiān)控主站、變電所電力監(jiān)控、壓風(fēng)、提升機(jī)等20 多個(gè)重大設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并通過多種不同渠道實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的及時(shí)上報(bào)。