礦用設(shè)備協(xié)同管控與安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的分析應(yīng)用

宋俊晟

（沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦，山西 晉城 366099）

1 項(xiàng)目概況

沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦位于山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮(zhèn)，井田面積4.76 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量255.4 萬(wàn)t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬(wàn)t/年。主要開(kāi)采沁水煤田山西組3 號(hào)煤層，煤種屬高變質(zhì)1 號(hào)無(wú)煙煤，發(fā)熱量大，機(jī)械強(qiáng)度大，灰分低，含硫低。

在研究智能煤礦建設(shè)需求的基礎(chǔ)上，永安煤礦結(jié)合礦山生產(chǎn)設(shè)備管理以及安全生產(chǎn)的具體需求，圍繞礦山設(shè)備協(xié)同管控、在線診斷及安全生產(chǎn)智能調(diào)度的理論、技術(shù)和方法，在交互平臺(tái)基礎(chǔ)上，建設(shè)礦山設(shè)備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)，使數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與知識(shí)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同管控、智能生產(chǎn)調(diào)度、在線故障診斷的智能輔助決策，實(shí)現(xiàn)礦山的安全、高效生產(chǎn)。設(shè)備協(xié)同管控及安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)項(xiàng)目從2020 年8 月10 日進(jìn)駐永安煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，在永安煤礦公司各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，在機(jī)電信息部各位技術(shù)人員的大力配合下，已基本完成項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容。

2 設(shè)備協(xié)同管控與安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容

建設(shè)內(nèi)容有：設(shè)備協(xié)調(diào)管控系統(tǒng)，主要是完成主煤流各設(shè)備協(xié)同分析；安全生產(chǎn)智能調(diào)度，完成井下煤流系統(tǒng)線路優(yōu)化；煤流運(yùn)輸設(shè)備在線診斷，完成皮帶系統(tǒng)效率分析；大型機(jī)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，完成對(duì)通風(fēng)機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)智能分析與故障診斷；應(yīng)用系統(tǒng)集成展示，完成任務(wù)調(diào)度、三維可視化、用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)[1-3]。

2.1 設(shè)備協(xié)調(diào)管控系統(tǒng)

設(shè)備協(xié)同管控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、協(xié)同管控模型、模型訓(xùn)練和歷史記錄四項(xiàng)功能。

對(duì)1～3 號(hào)電機(jī)電流、提升機(jī)電流、一部皮帶交流電壓、二部皮帶終端電壓、風(fēng)機(jī)入摳溫度、一部皮帶皮帶打滑、左二級(jí)跑偏等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

將每一個(gè)設(shè)備管理層次視作一個(gè)設(shè)備智能協(xié)同管控模塊，將多個(gè)設(shè)備智能協(xié)同管控模塊在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中按業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行組合就可以構(gòu)建協(xié)同管控模型。

對(duì)煤流運(yùn)輸系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗與標(biāo)柱后，就可以構(gòu)造數(shù)據(jù)集，從而應(yīng)用xgb、LR、感知機(jī)、SVM、決策機(jī)構(gòu)建多智能體學(xué)習(xí)模擬訓(xùn)練體系，實(shí)現(xiàn)在線智能決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)同管控任務(wù)調(diào)度，如圖1 所示。

圖1 協(xié)同管控管控模型訓(xùn)練示意圖

2.2 安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)

在生產(chǎn)資源模型和生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一種智能調(diào)度算法，為永安煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程的智能調(diào)度提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的協(xié)同管控，同時(shí)還能對(duì)協(xié)同度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 智能調(diào)度算法圖

新建礦井的調(diào)度是針對(duì)新建的礦井建設(shè)規(guī)劃調(diào)度建模，井下生產(chǎn)調(diào)度是針對(duì)己經(jīng)建好的煤礦安全生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度輔助決策建議。

2.3 煤流運(yùn)輸設(shè)備在線診斷系統(tǒng)

永安煤礦主要是對(duì)一部皮帶系統(tǒng)和二部皮帶系統(tǒng)進(jìn)行在線診斷。皮帶檢測(cè)在線診斷算法模型為：對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集→帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)工況顯示→帶式輸送機(jī)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)→帶式輸送機(jī)的健康狀態(tài)顯示。

2.4 大型機(jī)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)

2.4.1 通風(fēng)機(jī)

永安煤礦對(duì)于主通風(fēng)系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)主要有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和風(fēng)機(jī)狀態(tài)分析兩大部分。用戶通過(guò)左側(cè)模型樹(shù)定位具體的部件模型，并同時(shí)顯示該部件傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)圖表的分析展示了風(fēng)機(jī)的核心傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。

2.4.2 提升機(jī)

永安煤礦對(duì)于提升機(jī)系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)主要是通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行。可以對(duì)提升機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓梓潼、電控系統(tǒng)、閘瓦間隙、制動(dòng)盤(pán)偏擺量、閘控、制動(dòng)油壓、安全回路的健康狀態(tài)進(jìn)行直觀表達(dá)，并顯示出相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

2.5 應(yīng)用系統(tǒng)集成展示

1）定時(shí)任務(wù)管理：實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)處理的定時(shí)執(zhí)行。

2）緩存管理：將系統(tǒng)核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存中，便于前端展示界面實(shí)時(shí)調(diào)用。

3）數(shù)據(jù)采集管理：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

4）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理：將系統(tǒng)接入的自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，便于算法及實(shí)時(shí)展示界面調(diào)用。

5）門(mén)戶管理：主要是做好用戶管理、角色管理、菜單管理、sql 監(jiān)控管理、日志管理、數(shù)據(jù)字典管理等基礎(chǔ)功能。

3 系統(tǒng)技術(shù)分析

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意圖

從圖中可知，系統(tǒng)由采集層、存儲(chǔ)計(jì)算層、服務(wù)層、應(yīng)用層四個(gè)層面組成。展現(xiàn)層主要有VUE、Elementui、Echar、Canvas、WebGL 技術(shù)。服務(wù)層的應(yīng)用支撐主要有Application、WebWervice 等，批量數(shù)據(jù)有SFTP 技術(shù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有Kafla、MQ 等。存儲(chǔ)計(jì)算層主要有MYSQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)Redis、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)Influxdb。采集層主要有設(shè)備、采集點(diǎn)、熱交換數(shù)據(jù)。

可以實(shí)現(xiàn)以下能力：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、批量計(jì)算、實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算、查詢技術(shù)、擴(kuò)展性設(shè)計(jì)等功能。

3.1.2 數(shù)據(jù)流向

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖4 所示。第一步，多樣化、規(guī)?；O(shè)備場(chǎng)景：對(duì)采掘設(shè)備、機(jī)電設(shè)備、掘進(jìn)設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、泵毆打設(shè)備、鍋爐設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；第二步，邊緣計(jì)算海量接入、可行可靠連接：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理過(guò)程，數(shù)據(jù)編碼→協(xié)議轉(zhuǎn)換→數(shù)據(jù)處理→閥值預(yù)警→實(shí)時(shí)分析→數(shù)據(jù)上傳→數(shù)據(jù)安全→消息通知；第三步，存儲(chǔ)計(jì)算：主要是流式計(jì)算、時(shí)序數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；第四步，數(shù)據(jù)應(yīng)用：三維可視化和算法驅(qū)動(dòng)，提供應(yīng)用。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

3.1.3 系統(tǒng)前端開(kāi)發(fā)

在該系統(tǒng)前端開(kāi)發(fā)中，在vue 中通過(guò)SVG、Canvas 和WebGL 來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化及三維展示；采用Web SCADA 組態(tài)編輯器軟件，實(shí)現(xiàn)煤礦智能控制讓三維可視化監(jiān)控。然后通過(guò)設(shè)備真實(shí)采集的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維模型來(lái)進(jìn)行虛擬結(jié)合真實(shí)的監(jiān)控平臺(tái)。用戶在云端直接進(jìn)行矢量行業(yè)圖標(biāo)編輯、三維模型擺放、場(chǎng)景構(gòu)建及量測(cè)數(shù)據(jù)綁定配置，一鍵式無(wú)縫發(fā)布到桌面和移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)純HTMLS 一體化的開(kāi)發(fā)流程平臺(tái)，具有輕量、高效、易用和跨平臺(tái)等特性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)部署情況

礦用設(shè)備協(xié)同管控與安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)在永安煤礦現(xiàn)場(chǎng)部署后，系統(tǒng)各部分的工作情況如下。系統(tǒng)前端，主要是實(shí)現(xiàn)Web 訪問(wèn)界面；系統(tǒng)后端，主要是程序業(yè)務(wù)處理；通風(fēng)機(jī)分析算法，對(duì)通風(fēng)機(jī)、電機(jī)大數(shù)據(jù)分析；皮帶、提升機(jī)分析算法，一部、二部皮帶、提升機(jī)大數(shù)據(jù)分析；協(xié)同管控分析算法，主煤流設(shè)備協(xié)同管控大數(shù)據(jù)分析；安全生產(chǎn)智能調(diào)度，以生產(chǎn)資源模型和業(yè)務(wù)流程模型作為輸入量，通過(guò)計(jì)算能力條件、限制因素等方面的匹配，形成生產(chǎn)智能調(diào)度算法[4-6]。

4 結(jié)論

截至2021 年6 月1 日，沁和能源集團(tuán)永安煤礦的設(shè)備協(xié)同管控與安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)已全部完成建設(shè)，并投入煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐應(yīng)用中。從當(dāng)前應(yīng)用效果可知，系統(tǒng)整體運(yùn)行情況理想，系統(tǒng)功能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。設(shè)備協(xié)同管控與安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用后，可以對(duì)永安煤礦井下開(kāi)采設(shè)備實(shí)現(xiàn)協(xié)同管控、在線診斷與智能調(diào)度服務(wù)，為實(shí)現(xiàn)永安煤礦智能礦山的建設(shè)目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。