煤礦井下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時集控、自動調(diào)控與風(fēng)險預(yù)控系統(tǒng)研究

（供稿：晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司同大科技研究院 景珂寧）

研發(fā)起止時間：2018.07～2020.12

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團有限公司、沈陽智慧云新元測控技術(shù)有限公司、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦有限公司、大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院

成果水平：國際領(lǐng)先

1 項目背景

該項目于2021年4月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際領(lǐng)先水平。

目前我國煤礦生產(chǎn)中使用的各類異構(gòu)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)多達二十余種，重復(fù)投資、重復(fù)布線、互不兼容、不能實現(xiàn)關(guān)聯(lián)監(jiān)測監(jiān)控與互聯(lián)互控，已經(jīng)成為智能化開采必須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。因此須研究解決傳感器等測控單元的兼容與通用性問題，開發(fā)基于多系統(tǒng)融合的綜合通用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)平臺。另外，煤礦工作面生產(chǎn)效率的提升與瓦斯防治是一對矛盾，瓦斯防治技術(shù)進步促進了產(chǎn)能的釋放，生產(chǎn)效能的提升反過來又增加了瓦斯涌出量。特別是放頂煤技術(shù)與綜合自動化技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭產(chǎn)量成倍增加，給瓦斯治理帶來嚴峻挑戰(zhàn)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯超前實時預(yù)測自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)強度，從而避免瓦斯超限，待瓦斯?jié)舛认陆档较拗狄韵驴稍黾由a(chǎn)強度提高產(chǎn)量，切邊運行，實現(xiàn)瓦斯與生產(chǎn)的動態(tài)平衡，解決瓦斯與生產(chǎn)之間的矛盾關(guān)系，具有重大意義。

2 研究內(nèi)容

（1）安全實時預(yù)測預(yù)警技術(shù)：建立高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井安全風(fēng)險大數(shù)據(jù)超前感知與預(yù)測預(yù)控系統(tǒng)。以瓦斯、火、頂板為隱患目標對象，建立分級報警、超前預(yù)警、分級管理、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度及時響應(yīng)的安全體系，實現(xiàn)全方位監(jiān)測與超前預(yù)警，建立煤礦生產(chǎn)過程結(jié)構(gòu)化模型與安全風(fēng)險分級報警分級管理技術(shù)；構(gòu)建安全風(fēng)險大數(shù)據(jù)分析模型，實現(xiàn)安全風(fēng)險大數(shù)據(jù)分析平臺構(gòu)建與大數(shù)據(jù)分析。

（2）基于預(yù)測預(yù)警的采煤機自動優(yōu)化調(diào)控技術(shù)：研究基于瓦斯實時預(yù)測結(jié)果動態(tài)優(yōu)化調(diào)控工作面開采強度新技術(shù)，實現(xiàn)預(yù)測隱患控制與生產(chǎn)聯(lián)動，從而保證礦井安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

（3）地面多網(wǎng)融合集成監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)：對礦井安全與生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)大數(shù)據(jù)綜合集成，實現(xiàn)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員監(jiān)測、語音廣播、抽采監(jiān)測、頂板監(jiān)測等安全與生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)地面融合大數(shù)據(jù)綜合集成測控與實時調(diào)度。

（4）井下工業(yè)以太網(wǎng)IP 總線新一代監(jiān)控系：井下工業(yè)以太網(wǎng)IP 現(xiàn)場總線技術(shù)與LonWorks 神經(jīng)元現(xiàn)場總線多網(wǎng)多系統(tǒng)井下融合實時監(jiān)測監(jiān)控。

（5）開展井下多系統(tǒng)融合綜合自動化測控系統(tǒng)平臺試驗：測試接口協(xié)議、接入器邊緣計算裝置、融合軟硬件平臺。

（6）開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)APP 平臺：地面控制中心與手機APP工作面遠程開采實時監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

3 主要研究成果

（1）開發(fā)的煤礦多系統(tǒng)融合綜合通用實時監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，其中IP總線解決底層控制協(xié)議升級到以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)問題，實現(xiàn)IP 到底，井下多系統(tǒng)融合開放式接口協(xié)議與接入控制器解決異構(gòu)系統(tǒng)傳感器級別的互聯(lián)互控關(guān)鍵技術(shù)，嵌入式集控中心站提供功能更強的邊緣計算控制中心能力，將整個礦井各類監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)融合為一體，提升了監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)水平。

系統(tǒng)組成與原理：在現(xiàn)場總線中增加了IP技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)場的設(shè)備已經(jīng)不需要網(wǎng)關(guān)連接，都有各自的IP 地址；減少了網(wǎng)關(guān)的使用，網(wǎng)絡(luò)連接更多使用路由器。IP 以太網(wǎng)現(xiàn)場總線在煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)井下融合系統(tǒng)中的位置在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多系統(tǒng)融合中IP 總線位于測控底層傳輸，參見圖1。

圖1 IP總線與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)系

（2）研發(fā)了基于工作面瓦斯實時預(yù)測的安全風(fēng)險智能化實時預(yù)測與產(chǎn)能聯(lián)動自動優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)瓦斯監(jiān)測與生產(chǎn)強度聯(lián)動智能實時調(diào)控，解決了高強度生產(chǎn)與瓦斯超限的矛盾，即避免瓦斯超限又提升生產(chǎn)效率，有效解決提升生產(chǎn)效能受瓦斯制約問題。工作面采煤機優(yōu)化調(diào)控需要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲、預(yù)處理、實時預(yù)測、執(zhí)行控制、通訊、廣播等大量系統(tǒng)功能，該嵌入式集控中心站采用安卓操作系統(tǒng)，實現(xiàn)采煤機無線控制功能。包括無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，由網(wǎng)絡(luò)通訊單元、無線網(wǎng)關(guān)、控制之下單元等組成。井下集控中心站或地面主機通過有線方式到達工作面，然后通過無線網(wǎng)關(guān)進入zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，通過無線通訊單元，傳遞到控制單元執(zhí)行控制。地面遠程監(jiān)測控制中心，包括系統(tǒng)設(shè)置、井上下數(shù)據(jù)通訊、狀態(tài)顯示、預(yù)測與對比檢驗、井上下語音廣播報警通訊等功能。語音廣播報警與通訊系統(tǒng)可自動進行預(yù)警與報警廣播，可布置在采掘工作面。

（3）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多系統(tǒng)融合集成測控與風(fēng)險預(yù)控系統(tǒng)作為多系統(tǒng)融合的軟件監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了基于位置的面域集成監(jiān)控、各生產(chǎn)過程關(guān)聯(lián)監(jiān)控生產(chǎn)過程集控、安全風(fēng)險集控與風(fēng)險預(yù)控、安全與生產(chǎn)關(guān)聯(lián)自動調(diào)控?；谖恢妹嬗驁D集成監(jiān)控解決各安全與生產(chǎn)過程基于位置的關(guān)聯(lián)關(guān)系，區(qū)域位置安全與狀態(tài)關(guān)系，直觀可視，一目了然；可實現(xiàn)井下無人化與少人化地面遠控與自動優(yōu)化調(diào)控；生產(chǎn)過程多系統(tǒng)融合綜合實時集控與調(diào)度處理；優(yōu)化生產(chǎn)過程與工序環(huán)節(jié)；煤礦安全與生產(chǎn)大數(shù)據(jù)風(fēng)險分級報警分級管理與分布式處理；煤礦安全與生產(chǎn)高效率運行；基于大數(shù)據(jù)挖掘與分析的科學(xué)決策支持；多系統(tǒng)集成監(jiān)測監(jiān)管減少值班人員與設(shè)備投入。

（4）開發(fā)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP 強實時遠控與分級報警分級管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了手機端瓦斯、頂板、人員等融合系統(tǒng)的集成關(guān)聯(lián)監(jiān)測與遠程強實時控制功能，直接作為調(diào)度處理客戶端，實現(xiàn)安全風(fēng)險的分級報警、分級管理以及分級調(diào)度，為現(xiàn)代化管理與網(wǎng)絡(luò)化管理提供新的管理模式與技術(shù)手段。

圖2 主界面

4 應(yīng)用效果

本研究以塔山礦為依托，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研、室內(nèi)試驗、理論研究、現(xiàn)場實測驗證等方面，在對煤礦井下安全監(jiān)控等十個子系統(tǒng)融合的基礎(chǔ)上，建立了煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時集控、自動調(diào)控與風(fēng)險預(yù)控系統(tǒng)平臺，開發(fā)出了多系統(tǒng)融合生產(chǎn)過程集成監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)、安全風(fēng)險預(yù)控系統(tǒng)及分級報警、分級管理、分級調(diào)度跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于工作面瓦斯實時預(yù)測的生產(chǎn)強度自動調(diào)控，為智能化開采提供了技術(shù)基礎(chǔ)。該項技術(shù)成果的成功應(yīng)用有效解決了高產(chǎn)高效工作面瓦斯問題與提升生產(chǎn)效能受瓦斯制約問題，既可避免瓦斯超限又可提升生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，具有十分廣泛的推廣應(yīng)用前景。