基于GIS的煤礦井下風水管路智能監(jiān)控系統(tǒng)應用與研究

楊尊勝，張先春

（山東里能魯西礦業(yè)有限公司，山東 濟寧 272053）

1 當前系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，國內大多數(shù)礦井針對井下作業(yè)區(qū)域的供水、供風管路的資源消耗監(jiān)測缺乏有效監(jiān)管手段，由此造成地面壓風系統(tǒng)及供水系統(tǒng)資源供給不足或浪費的情況，不能實現(xiàn)能源的低碳、環(huán)保和高效利用。主要存在如下問題：

1.1 缺乏針對煤礦井下作業(yè)區(qū)域的資源消耗的成套裝置

目前，國內煤礦監(jiān)測井下用風、用水的監(jiān)測系統(tǒng)只能按照全礦井或大區(qū)域統(tǒng)計，不能細化到工作面，工作面區(qū)域的風、水資源消耗存在統(tǒng)計盲區(qū)，由于缺乏監(jiān)管手段，資源存在很大程度的浪費，同時也加重污水處理和排放的任務。

1.2 缺乏精細化管理模式

隨著自動化、信息化技術的快速發(fā)展，精細化管理逐漸受到煤礦企業(yè)重視，生產型企業(yè)對能源消耗和效率尤其關注，利用先進技術實現(xiàn)能耗分析及趨勢預測，動態(tài)優(yōu)化生產設備工藝，是生產企業(yè)精細化管理的重要組成部分。

1.3 環(huán)境保護、綠色開采

水資源是不可再生資源，隨著全世界對環(huán)保要求越來越高，煤礦企業(yè)自身要從生產用水做起，提高資源使用效率，節(jié)能減排、綠色開采。

2 項目建設的必要性

建設煤礦井下風水管路監(jiān)控系統(tǒng)，建立風、水能耗分析及預警模型，對數(shù)據深入挖掘分析，實現(xiàn)系統(tǒng)與地面壓風、供水系統(tǒng)的有效聯(lián)動，平衡作業(yè)區(qū)域的風、水管路壓力，減少資源浪費，最終指導企業(yè)的精益生產。利用大數(shù)據技術采集分析各區(qū)域的用水、用風量，針對資源消耗高峰、低峰分別聯(lián)動壓風、供水系統(tǒng)采用不同的預置供給方案，實現(xiàn)資源的最優(yōu)利用，減少能源消耗，提高智慧礦山整體管控水平。效能評估模型可以定期對影響煤礦風、水供應的各類因素和影響時間進行分析評估，指導管理人員對經常影響生產的環(huán)節(jié)加強管理；分析礦井生產過程中風、水能耗消耗與產量的關聯(lián)信息，指導管理人員對生產各環(huán)節(jié)進行優(yōu)化控制，節(jié)約能耗。

3 建設方案

魯西煤礦基于GIS的煤礦井下風水管路智能監(jiān)控系統(tǒng)是利用煤礦專用GIS、軟硬件開發(fā)、網絡通信、大數(shù)據分析等技術實現(xiàn)對煤礦作業(yè)區(qū)域的風、水管路的實時流量、累計流量、壓力、溫度等參數(shù)的在線監(jiān)測；并根據井下控制器內的預置工藝和參數(shù)實現(xiàn)對閘閥等設備的就地和遠程操控，實現(xiàn)對管道開閉的自動控制及流量調節(jié)等功能；系統(tǒng)利用大數(shù)據技術對煤礦各作業(yè)區(qū)域的風、水、電等能耗數(shù)據的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對各作業(yè)區(qū)域的能耗管理和預測預警功能；系統(tǒng)利用GIS技術實現(xiàn)對系統(tǒng)控制器、電源、傳感器、執(zhí)行機構等設備的在線監(jiān)控和業(yè)務流程組態(tài)，同時提供豐富的GIS圖形功能，如設備位置導航、監(jiān)測信息展示、能耗熱力圖、能耗趨勢分析等。（1）梳理煤礦井下作業(yè)區(qū)域需要監(jiān)控的風、水管路，針對不同規(guī)格的管路選型不同型號的流量、壓力、溫度等傳感器和電磁閥；（2）開發(fā)礦用防爆控制器，采集選型傳感器和執(zhí)行部件的參數(shù)及狀態(tài)，并能夠通過預置參數(shù)控制電磁閥的開閉；控制器設計就地和遠控兩種控制模式，互為閉鎖條件；控制器設計RS485和以太網兩種通訊方式，物理通訊接口提供雙絞線、電話線、網口三種方式，利用DSL技術實現(xiàn)復雜環(huán)境下無法敷設通訊光纜的問題?？刂破鬟B接到井下工業(yè)環(huán)網交換機，實現(xiàn)與地面系統(tǒng)的雙向交互；控制器設置控制面板和人機交互屏幕，實現(xiàn)就地監(jiān)測、參數(shù)調整及控制功能；控制器支持端口擴展，可以接入其他類型的傳感器和執(zhí)行部件。（3）開發(fā)地面監(jiān)控系統(tǒng)，利用煤礦專業(yè)GIS平臺開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)設備管理、控制器參數(shù)設置、設備位置GIS圖形導航、工藝組態(tài)、在線監(jiān)測和控制、熱力圖分布、能耗統(tǒng)計分析、趨勢預測預警等功能，系統(tǒng)提供大數(shù)據分析服務，按照時間、空間等多維度分析能源消耗，最終通過優(yōu)化后的結論動態(tài)調整控制器參數(shù)，實現(xiàn)對煤礦井下風、水等能源的低碳、環(huán)保和高效利用。（4）系統(tǒng)與地面壓風系統(tǒng)、供水系統(tǒng)融合聯(lián)動，通過作業(yè)區(qū)域風路及水路的壓力、流量等監(jiān)測值動態(tài)調整自動化系統(tǒng)的壓風機開停機及壓力參數(shù)設定，優(yōu)化井下作業(yè)區(qū)域的風、水供應方案，實現(xiàn)節(jié)能降耗功能。

4 系統(tǒng)建設方案步驟

魯西煤礦基于GIS的煤礦井下風水管路智能監(jiān)控系統(tǒng)方案規(guī)劃及建設步驟如下。

4.1 煤礦井下風水管路監(jiān)控系統(tǒng)傳感器選型方法

魯西礦井下作業(yè)區(qū)域的管路特點，按照管路的規(guī)格選配不同型號和規(guī)格的傳感器（流量、溫度、壓力）及執(zhí)行部件（防爆型電磁閥）等設備。

4.2 控制器的設計方法

控制器的設計需要結合現(xiàn)場的生產實際條件和使用方法，優(yōu)先選擇節(jié)能環(huán)保、輕便易安裝、免維護的設計方式，可在礦用隔爆兼本安型和礦用本安型兩種防爆形式上做最優(yōu)選擇?？刂破鞯耐ㄓ嵎绞皆O計結合煤礦井下動態(tài)變化的特點，采用DSL電話線通訊方式即滿足數(shù)據傳輸帶寬，又避免了重新敷設通訊線纜、光纜和熔接的工作量，是本課題的創(chuàng)新點之一，多種通訊接口的設計可適應煤礦井下復雜的應用環(huán)境，提供系統(tǒng)的實用性和易用性。

圖1 控制器設計原理圖

4.3 GIS監(jiān)控平臺的設計方法

基于GIS的監(jiān)控平臺采用煤礦專用GIS平臺，利用其GIS功能實現(xiàn)設備精準布置和管理、位置導航、狀態(tài)監(jiān)測、工藝組態(tài)、熱力圖展示等功能，GIS空間分析技術提供用戶更加方便快捷的定位和分析功能，能夠更加直觀的展示系統(tǒng)運行狀況，GIS融合組態(tài)的研究方法是本系統(tǒng)的重要研究內容和創(chuàng)新點之一。

所述基于GIS的監(jiān)控平臺包括四個層次（系統(tǒng)層、驅動層、數(shù)據層、應用層），如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構設計圖

4.4 智能聯(lián)動業(yè)務設計

系統(tǒng)能夠與礦井自動化系統(tǒng)的壓風系統(tǒng)、供水系統(tǒng)業(yè)務通過OPC接口聯(lián)動，聯(lián)動的內容有：（1）當作業(yè)區(qū)域水壓低于正常用水壓力時，系統(tǒng)彈出報警伴隨井下控制器報警顯示系統(tǒng)壓力低，同時通過OPC接口調節(jié)供水系統(tǒng)泵站參數(shù)，加大該區(qū)域泵站供水壓力以滿足作業(yè)區(qū)域的供水壓力達標。（2）當作業(yè)區(qū)域水壓高于正常用水壓力時，系統(tǒng)彈出報警伴隨井下控制器報警顯示系統(tǒng)壓力超限，同時通過OPC接口調節(jié)供水系統(tǒng)泵站參數(shù)，減小該區(qū)域泵站供水壓力以滿足作業(yè)區(qū)域的供水壓力達標。（3）當作業(yè)區(qū)域風壓低于正常用風壓力時，系統(tǒng)彈出報警伴隨井下控制器報警顯示系統(tǒng)壓力低，同時通過OPC接口調節(jié)壓風系統(tǒng)泵站參數(shù)，加大該區(qū)域供風壓力以滿足作業(yè)區(qū)域的供風達標。（4）當作業(yè)區(qū)域風壓高于正常用風壓力時，系統(tǒng)彈出報警伴隨井下控制器報警顯示系統(tǒng)壓力超限，同時通過OPC接口調節(jié)壓風系統(tǒng)泵站參數(shù)，減小該區(qū)域泵站供風壓力以滿足作業(yè)區(qū)域的供風達標。（5）系統(tǒng)收集各作業(yè)面管路的風、水使用時間、累計流量、使用頻度等監(jiān)測數(shù)據，按照時間和地域維度統(tǒng)計使用頻度、開機效率、能源利用率、能耗熱力圖、能耗趨勢分析、運行參數(shù)自動調整等功能。（6）利用大數(shù)據分析技術實現(xiàn)對煤礦井下作業(yè)區(qū)域的能耗分析和動態(tài)優(yōu)化，通過優(yōu)化后的結論動態(tài)調整控制器參數(shù)，實現(xiàn)對煤礦井下風水等能源的低碳、環(huán)保和高效利用。

5 取得的效益

5.1 安全效益

（1）整套系統(tǒng)的操作簡單，無高壓、高溫設備，運行安全可靠。（2）整套系統(tǒng)按照無人值守設計，操作簡單，無高壓、高溫設備，運行安全可靠。

5.2 經濟效益

基于GIS的煤礦井下風水管路智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用大數(shù)據分析實現(xiàn)已有風水管道能耗數(shù)據的異構調用、優(yōu)化重組，為管理層在企業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃和決策制定提供依據，及時響應環(huán)保節(jié)能預警及低碳高效需求，并與集團五大共享平臺無縫對接，提高數(shù)據共享性，實現(xiàn)對煤礦井下作業(yè)區(qū)域風水管道的節(jié)能優(yōu)化，有效減少非計劃供應造成的損失，加強風水管路在實際生產過程中的監(jiān)控，為產業(yè)結構調整的順利轉型打造智能化的共享平臺；利用系統(tǒng)的資源進行一系列的大數(shù)據分析，幫助企業(yè)更好地利用設備全生命周期服務，深入挖掘市場需求，準確制定生產和管理策略。系統(tǒng)有較大經濟效益和推廣應用價值。