基于物聯(lián)網(wǎng)的選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)研究

亓連超

（山東能源集團(tuán)兗煤藍(lán)天清潔能源有限公司，山東 鄒城 273500）

1 引言

選煤是對(duì)原煤進(jìn)行深加工的一項(xiàng)重要工序，它既可以通過(guò)洗煤將原煤劃分為精煤、中煤和矸石，提高煤炭的利用效率[1]，還能剔除原煤中的有害成分，避免了煤炭燃燒過(guò)程中有害物質(zhì)泄漏到大氣中造成的環(huán)境污染[2]。傳統(tǒng)選煤廠生產(chǎn)車(chē)間智能化、信息化水平相對(duì)較低，難以對(duì)選煤過(guò)程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方面監(jiān)控，導(dǎo)致了故障率相對(duì)較高[3]。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)，可以加強(qiáng)不同洗煤設(shè)備之間的互通互聯(lián)[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高選煤效率，降低設(shè)備故障率，也為未來(lái)選煤廠生產(chǎn)管理的智能化變革提供了解決方案[5]。

2 選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

對(duì)選煤過(guò)程的監(jiān)控主要分為對(duì)作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控和選煤設(shè)備的監(jiān)控。作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控主要是通過(guò)傳感器對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)溫度以及一些可燃?xì)怏w濃度值進(jìn)行監(jiān)測(cè)并上傳；選煤設(shè)備的監(jiān)控主要針對(duì)參與選煤過(guò)程中的一些大型機(jī)械設(shè)備，如輥式破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、重介分選機(jī)等[6]。通過(guò)TCP通信或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)按照相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上傳到監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤機(jī)械的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)主要需要實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）異構(gòu)選煤設(shè)備的數(shù)據(jù)采集

在不同類(lèi)型、不同廠商的選煤設(shè)備之間搭建一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)，需要構(gòu)建相應(yīng)的通信協(xié)議，并將采集數(shù)據(jù)按照規(guī)定的數(shù)據(jù)封裝格式存儲(chǔ)到監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，為實(shí)現(xiàn)選煤設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）復(fù)雜環(huán)境下通信穩(wěn)定能力和抗干擾能力

由于選煤廠的作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，往往會(huì)對(duì)采集信號(hào)上傳的穩(wěn)定性造成一定的影響，進(jìn)而影響到整個(gè)選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的性能，因此監(jiān)控系統(tǒng)需要具備一定的抗干擾能力。同時(shí)，由于選煤過(guò)程工序較為繁雜，經(jīng)?？畿?chē)間、多設(shè)備共同作業(yè)，傳統(tǒng)有線通信不能滿(mǎn)足實(shí)際需求，因此添加無(wú)線通信模塊，通過(guò)有線與無(wú)線的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)選煤過(guò)程信息的高效穩(wěn)定傳輸。

（3）選煤廠監(jiān)控終端顯示平臺(tái)

從底層選煤車(chē)間上傳的各類(lèi)信息上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)后，需要通過(guò)一個(gè)終端顯示平臺(tái)按照管理人員的需求，實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的狀態(tài)信息，并將采集的狀態(tài)參數(shù)與事先錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中的故障閾值對(duì)比完成故障預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤過(guò)程可視化監(jiān)控。

3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)總體框架如圖1所示。選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)主要由底層數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端以及選煤廠監(jiān)控終端組成。底層數(shù)據(jù)采集端主要采集的是儲(chǔ)煤倉(cāng)、原煤車(chē)間和主洗車(chē)間內(nèi)的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)、原煤車(chē)間的皮帶轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)和主洗車(chē)間浮選機(jī)的運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)，通過(guò)與機(jī)械設(shè)備的通訊接口連接或者布置相關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。選煤車(chē)間傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)調(diào)用socket編程實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端與監(jiān)控終端的TCP連接，服務(wù)器端與監(jiān)控終端界面基于java語(yǔ)言和SSM框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)在服務(wù)器端完成數(shù)據(jù)的封裝與解析，并分類(lèi)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)MyBatis框架完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選煤數(shù)據(jù)的調(diào)用解析，按照用戶(hù)需求實(shí)時(shí)顯示到選煤廠監(jiān)控終端界面上。

圖1 選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

4 監(jiān)控實(shí)現(xiàn)過(guò)程

4.1 系統(tǒng)硬件模塊搭建

以山東能源集團(tuán)濟(jì)三煤礦選煤廠為試點(diǎn)單位，監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分按生產(chǎn)車(chē)間可分為儲(chǔ)備倉(cāng)、原煤車(chē)間和主洗車(chē)間三部分。

儲(chǔ)煤倉(cāng)的硬件部分主要包括DS18B20數(shù)字溫度傳感器、支持6種可燃?xì)怏w濃度采集的MIC-600-Ex傳感器、MEAS M5600壓力傳感器等，搭載CC2530射頻模塊構(gòu)建了ZigBee紫蜂無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)煤倉(cāng)溫度、可燃?xì)怏w以及壓力的監(jiān)測(cè)。

原煤車(chē)間和主洗車(chē)間的信息主要依靠有線的方式進(jìn)行采集，所選的中央處理單元為羅克韋爾公司的CPU1769-L31，電源模塊選用1769-PA4。其中對(duì)于主軸溫度這類(lèi)選煤設(shè)備內(nèi)部溫度的采集通過(guò)RTD鉑電阻溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，選用6路模擬量RTD輸入模塊1769-IR6進(jìn)行采集。其他類(lèi)型模擬量信號(hào)統(tǒng)一使用4～20 mA電流輸入，通過(guò)16路的1769-IF16C模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的采集。模擬量輸出信號(hào)選用1769-OF8C模擬量輸出模塊輸出8路4～20 mA電流信號(hào)。數(shù)字輸入/輸出模塊分別采用32路1769-IQ32數(shù)字量輸入模塊和1769-OB32數(shù)字量輸出模塊。由于采集得到的信息最終都要通過(guò)以太網(wǎng)傳入到監(jiān)控終端，因此選用1769-AENTR以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)信息的上傳。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程如圖2所示。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源可以分為兩部分：對(duì)于一些能夠直接從選煤設(shè)備中讀取的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)選煤設(shè)備的通訊接口（如RS232接口、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口）上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中；對(duì)于封閉性較強(qiáng)的選煤設(shè)備或者不能直接獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)需要通過(guò)外置傳感器進(jìn)行采集?？紤]到選煤廠環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)布線較為困難，在傳感器上搭載CC2530射頻模塊，通過(guò)ZigBee協(xié)議構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)兩種方式采集的信息上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，使用socket編程實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端與監(jiān)控終端的TCP連接，按照規(guī)定的封裝格式將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖2 數(shù)據(jù)傳遞流程

4.3 終端顯示

選煤廠監(jiān)控終端平臺(tái)的搭建以java語(yǔ)言為基礎(chǔ)，使用SSM（Spring + Spring MVC + MyBatis）框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)使用接口的邏輯架構(gòu)配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選煤信息的SQL查找解析。選煤廠維護(hù)人員成功登陸監(jiān)控系統(tǒng)后，可以選擇查看用戶(hù)權(quán)限內(nèi)的設(shè)備監(jiān)控信息。頁(yè)面刷新及查詢(xún)數(shù)據(jù)的相關(guān)流程以圖3時(shí)序圖形式表現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中選煤設(shè)備信息管理類(lèi)、監(jiān)控記錄類(lèi)，在監(jiān)控終端中設(shè)備信息界面可分類(lèi)展示不同選煤設(shè)備的狀態(tài)信息。監(jiān)控參數(shù)的顯示通過(guò)Ajax技術(shù)與服務(wù)器進(jìn)行異步通信，Ajax向后端以get請(qǐng)求先后獲取選煤設(shè)備列表、選煤設(shè)備消息，實(shí)現(xiàn)參數(shù)信息的局部實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新。而對(duì)于需要圖形顯示的信息，通過(guò)調(diào)用接口方法讀取設(shè)備相應(yīng)參數(shù)字符串?dāng)?shù)組，采用Jquey技術(shù)構(gòu)建圖形并實(shí)現(xiàn)圖形的無(wú)刷繪制。搭建完成的選煤設(shè)備監(jiān)控主界面如圖4。

圖3 查看選煤設(shè)備監(jiān)控信息時(shí)序圖

圖4 選煤設(shè)備監(jiān)控主界面

維護(hù)人員通過(guò)登錄系統(tǒng)進(jìn)入選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)后，通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶(hù)登錄類(lèi)信息獲得該用戶(hù)的讀取權(quán)限和類(lèi)別，同時(shí)獲取該用戶(hù)負(fù)責(zé)維護(hù)的選煤設(shè)備的報(bào)警類(lèi)信息。底層設(shè)備信息通過(guò)socket服務(wù)器通信程序上傳的同時(shí)，會(huì)自動(dòng)與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中事先設(shè)定的故障報(bào)警閾值進(jìn)行比對(duì)。若上傳的數(shù)值大于報(bào)警閾值，則觸發(fā)報(bào)警線程向監(jiān)控終端發(fā)送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能；若有未處理的報(bào)警信息，則調(diào)用相關(guān)的報(bào)警處理類(lèi)方法，自動(dòng)提示維護(hù)人員進(jìn)行處理。報(bào)警信息主界面如圖5。

圖5 報(bào)警信息主界面

4.4 系統(tǒng)性能分析

通過(guò)JMeter工具對(duì)選煤監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，使用Java編寫(xiě)腳本，模擬多個(gè)并發(fā)用戶(hù)訪問(wèn)選煤監(jiān)控終端，先后進(jìn)入選煤設(shè)備主界面序號(hào)前10的設(shè)備監(jiān)控界面并獲取監(jiān)控參數(shù)。設(shè)定單個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求最大等待時(shí)間為2000 ms，設(shè)置用戶(hù)數(shù)10、30、50三個(gè)對(duì)照組，每次測(cè)試時(shí)間10 min，監(jiān)控系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間能控制在0.1 s內(nèi)，遠(yuǎn)小于終端界面的刷新時(shí)間1 s，不會(huì)對(duì)用戶(hù)請(qǐng)求造成影響。雖然隨著用戶(hù)數(shù)增加，失敗率略有提高，但總體在0.1%以?xún)?nèi)，且平時(shí)平均同時(shí)訪問(wèn)用戶(hù)遠(yuǎn)小于50人，因此系統(tǒng)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高選煤廠的智能化和信息化水平，實(shí)現(xiàn)選煤過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)控，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的整體框架、數(shù)據(jù)傳輸、終端顯示展開(kāi)研究，完成了對(duì)選煤設(shè)備狀態(tài)信息的采集、傳輸和顯示，滿(mǎn)足了實(shí)際監(jiān)控需求，為選煤廠的智能化建設(shè)提供了一個(gè)切實(shí)可行的方案。