基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

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（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣公司坡底煤業(yè) 山西省晉城市 048001）

煤礦開采以地下開采為主，由于地質(zhì)相對復(fù)雜且環(huán)境惡劣，很難保證井下工作者生命財產(chǎn)安全，致使煤礦安全面臨極大威脅。為此，需強(qiáng)化煤礦生產(chǎn)安全的監(jiān)控力度，盡可能降低災(zāi)害事故發(fā)生率，并在發(fā)生事故后將被困井下工作者及時搶救出來，以減少國家與煤礦企業(yè)財產(chǎn)的損失。但既有井下環(huán)境檢測系統(tǒng)很難全面且及時定位檢測區(qū)域，缺乏必要的擴(kuò)展性?；谟嬎銠C(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展速度的加快，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展很難與人之間溝通需求相適應(yīng)，依托網(wǎng)絡(luò)的物物信息交互逐漸成為人們追求目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（物物相連互聯(lián)網(wǎng)）的應(yīng)用在社會發(fā)展中發(fā)揮重要作用，因而備受國內(nèi)外研究關(guān)注。煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可使煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀得到明顯改善，進(jìn)而為煤礦生產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供必要保障。由此可見，深入研究并分析基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)具有一定現(xiàn)實意義。

1 礦山物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)定義與結(jié)構(gòu)

1.1.1 定義

目前，物聯(lián)網(wǎng)并不具備固定定義，而公認(rèn)定義則是借助智能無線傳感器、RFID 技術(shù)、紅外感應(yīng)傳感器以及GPS 全球定位系統(tǒng)等多種信息傳感設(shè)備，根據(jù)協(xié)議要求連接互聯(lián)網(wǎng)和普通物品（設(shè)備、產(chǎn)品、家具等），以實現(xiàn)智能化信息交換和通信，智能識別、定位并監(jiān)管物品。也就是說，物聯(lián)網(wǎng)即實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的智能化，使所有物品均被標(biāo)識唯一編碼，以交換、共享人和物、物和物的信息，為人們生產(chǎn)生活以及出行等提供極大便利。

1.1.2 結(jié)構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)特點可將其結(jié)構(gòu)劃分成三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，通常可結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域的差異對其做出相應(yīng)調(diào)整與細(xì)化。其中，感知層類似于人體感覺器官，網(wǎng)絡(luò)層類似于血管與神經(jīng)，而應(yīng)用層可比作大腦與社會分工，三層結(jié)構(gòu)智能協(xié)同運作。

在感知層中，產(chǎn)品電子代碼、射頻識別以及Zigbee 技術(shù)最為常見。對于射頻識別技術(shù)，其存儲產(chǎn)品電子代碼可在傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用下識別，并將信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)層。而網(wǎng)絡(luò)層則利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在有效融合互聯(lián)網(wǎng)和通用分組無線業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上向最高層傳輸數(shù)據(jù)。應(yīng)用層則主要負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)接口，可提供數(shù)據(jù)融合技術(shù)、分布處理技術(shù)等多項技術(shù)支持，分析并處理大量的數(shù)據(jù)信息。

1.2 礦山物聯(lián)網(wǎng)

1.2.1 定義

礦山物聯(lián)網(wǎng)，也被稱作智能礦山，具體指的就是借助計算機(jī)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及通信技術(shù)等新興技術(shù)，有效連接煤礦生產(chǎn)部門與管理部門，構(gòu)建綜合性自動監(jiān)測平臺，對關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備（運輸設(shè)備、采掘設(shè)備、排水設(shè)備與通風(fēng)設(shè)備）的實際情況展開實時監(jiān)測，同時亦可對井下的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，對井下相關(guān)工作者進(jìn)行必要跟蹤與定位，對礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)化構(gòu)建，以更好地促進(jìn)礦山智能化與可視化，為煤礦安全可靠運行提供必要保障。

目前，物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于物流、智能家居以及醫(yī)藥等領(lǐng)域，其在煤礦開采中的應(yīng)用同樣具有顯著意義。煤炭企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)過于復(fù)雜且作業(yè)環(huán)境特殊，在事故發(fā)生后會產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡。通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用，即可對煤礦多方面信息加以掌握，特別是井下工作環(huán)境、井下作業(yè)人員分布與定位、巷道通暢性、煤層厚度以及地面運輸狀況等等，為礦山生產(chǎn)系統(tǒng)安全管理工作的落實奠定堅實基礎(chǔ)。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

基于礦井物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，大部分關(guān)鍵技術(shù)在煤礦六大安全避險系統(tǒng)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，一定程度上加快了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展速度。

設(shè)計礦井三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)中引入礦山物聯(lián)網(wǎng)，通過對多跳無線網(wǎng)絡(luò)的運用傳輸數(shù)據(jù)信息，縮減了布線費用，可保證井下網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。將GIS 應(yīng)用于井上服務(wù)器中，在對節(jié)點位置信息查詢的基礎(chǔ)上，即可準(zhǔn)確定位井下作業(yè)人員。而將信息融合技術(shù)運用于上位機(jī)中，可進(jìn)一步分析并處理信息數(shù)據(jù)。

設(shè)計煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)過程中運用礦山物聯(lián)網(wǎng)，借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)對無線傳感器節(jié)點加以布置，可結(jié)合井下工作環(huán)境具體需求科學(xué)設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、匯聚節(jié)點與路由節(jié)點等，進(jìn)而滿足Zigbee 協(xié)議的運行需求。在節(jié)點內(nèi)所設(shè)置的芯片可處理數(shù)據(jù)，且芯片本身具備無線通信模塊功能。傳感器節(jié)點亦可采集多種參數(shù)，一般含括井下環(huán)境的溫濕度、煤塵、負(fù)壓、煙霧和風(fēng)速等，一旦濃度超出限制即報警。

設(shè)計礦井人員定位與井下無線通信系統(tǒng)時將RFID 技術(shù)引入其中，并將標(biāo)識卡嵌入到礦工工作帽中，于井下設(shè)置無線收發(fā)智能型讀卡基站，在供電方面一般會選擇礦井專用的隔爆兼本安電源。礦井人員可通過短距離無線通信技術(shù)，利用智能礦用本安手機(jī)實現(xiàn)通信。設(shè)計電力監(jiān)控系統(tǒng)所使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一般包括地理信息技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAN 總線以及無線智能傳感器等等。

由此證實，物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)在煤礦系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，而最常見的就是信息融合技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識別技術(shù)、光纖以太網(wǎng)技術(shù)以及產(chǎn)品電子碼技術(shù)等，為煤礦生產(chǎn)的安全性與可靠性提供了必要保障，一定程度上促進(jìn)了國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

2 礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計方案

2.1 整體架構(gòu)

礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測整體架構(gòu)主要由感知層、傳輸層以及應(yīng)用層組成。感知層中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有無線傳感器技術(shù)、Zigbee 技術(shù)以及RFID 技術(shù)；在傳輸層所使用的技術(shù)含括工業(yè)以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和GPRS 技術(shù)等；應(yīng)用層內(nèi)技術(shù)包括云計算技術(shù)和信息融合技術(shù)。該系統(tǒng)可用于運輸機(jī)電設(shè)備與井下采掘設(shè)備，同時也包括通風(fēng)和地面提升等機(jī)電設(shè)備。

井下機(jī)電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)通常由小型物聯(lián)網(wǎng)（帶式輸送機(jī)無線傳感器節(jié)點與采掘設(shè)備）、基站以及安裝于巷道讀卡器組成，并借助光纖向調(diào)度中心傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)。而地面物聯(lián)網(wǎng)的組成包括主井和副井絞車房，借助GPRS 實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，而在近距離傳輸中則可通過光纖通信完成。另外，通風(fēng)設(shè)備可自成小規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，并向調(diào)度中心匯集，以地面以太網(wǎng)為依據(jù)構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。在地面部分，主要由工業(yè)以太網(wǎng)和4G 網(wǎng)絡(luò)組成，可向調(diào)度中心傳送井下、地上物聯(lián)網(wǎng)全部數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而構(gòu)建煤礦機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)以云計算平臺為依托構(gòu)建形成，借助云計算技術(shù)可保證數(shù)據(jù)存儲與分析的實時性，同時可結(jié)合地面與井下具體狀況選擇無線傳感網(wǎng)絡(luò)亦或是工業(yè)以太網(wǎng)，在無線傳輸技術(shù)輔助作用下，科學(xué)匯總數(shù)據(jù)后傳輸。這樣一來，僅利用手持移動智能設(shè)備就能夠獲取與設(shè)備相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)信息，一定程度上提高了在線檢測工作的質(zhì)量。

2.2 礦井帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

在煤礦運輸中，帶式運輸機(jī)的作用十分重要，因作業(yè)環(huán)境相對惡劣且工作負(fù)荷較大，使設(shè)備實際運轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生堆煤、斷裂、縱向撕裂、打滑、跑偏等多種故障。結(jié)合礦井帶式輸送機(jī)運行原理和帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)問題，在設(shè)計故障監(jiān)測方案中，內(nèi)容如圖1。

圖1： 帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測方案

帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)基于既有工業(yè)以太網(wǎng)，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，構(gòu)建遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)與WSN 的有效融合。而探測器與CCD 高速工業(yè)相機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸中一般選擇光纖媒介，其他數(shù)據(jù)則借助無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳輸目標(biāo)。系統(tǒng)主要組成包括上位機(jī)與下位機(jī)系統(tǒng)，前者選擇WinCC 組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計，可分析并處理數(shù)據(jù)，同時具有界面顯示功能，對指令進(jìn)行控制，而后者的功能為采集和傳輸數(shù)據(jù)信息。

在設(shè)計下位機(jī)數(shù)據(jù)采集前段的過程中，處理模塊、傳感器模塊、無線通信模塊以及能量供應(yīng)模塊是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的主要部分，見圖2。

圖2： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖示

接收無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)信息一般可借助巷道基站接收器完成，隨后傳輸給工業(yè)以太網(wǎng)。輸煤皮帶會根據(jù)特定距離安裝RFID 系統(tǒng)以及移動電子標(biāo)簽，通過使用讀卡器即可讀取移動標(biāo)簽所發(fā)送的無線信號，在無線網(wǎng)絡(luò)的作用下傳送給 主節(jié)點。對于數(shù)據(jù)采集前段所獲取數(shù)據(jù)信息，一般可利用設(shè)備接入層與地面監(jiān)測系統(tǒng)接入，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)通常利用防火墻實現(xiàn)安全隔離目標(biāo)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法

3.1 方案設(shè)計

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的副斜井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由三個模塊、四層構(gòu)成，見圖3。

圖3： 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

以煤礦實際需要為依據(jù)，參考提升機(jī)常見故障以及維修記錄，將開發(fā)重點集中于副井提升機(jī)，而系統(tǒng)設(shè)計中所需監(jiān)測的參數(shù)有：

（1）在線監(jiān)測電氣設(shè)備（電壓、電流等電量參數(shù)）；

（2）在線監(jiān)測主軸系統(tǒng)（振動信號等）；

（3）識別滑繩量；

（4）在線監(jiān)測液壓系統(tǒng)（系統(tǒng)壓力等）；

（5）在線監(jiān)測制動系統(tǒng)（閘瓦間隙、制動盤偏擺量等）；

（6）故障點的捕捉與參數(shù)記憶；

（7）對主軸潤滑系統(tǒng)潤滑油流動情況進(jìn)行監(jiān)測，以免系統(tǒng)閥門關(guān)閉而使提升機(jī)運行。

在系統(tǒng)內(nèi)主要由現(xiàn)場采集檢測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程檢測以及現(xiàn)場監(jiān)測三部分組成。將現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)分別安裝在段河、副斜井以及矸井處，即可對提升機(jī)運行情況進(jìn)行直觀觀察，而基站則可借助GPRS 向礦區(qū)監(jiān)測中心傳輸所接收的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而向互聯(lián)網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)。另外，管理工作者可借助手持通訊設(shè)備進(jìn)入到小型的物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，進(jìn)而對提升機(jī)展開監(jiān)測，對狀態(tài)信息進(jìn)行實時獲取，見圖4。

圖4： 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 傳感器型號選擇

3.2.1 油壓、溫度傳感器

副斜井提升機(jī)潤滑系統(tǒng)的過程為：油箱→油泵→過濾器→潤滑部位→多余油進(jìn)入油箱。系統(tǒng)沖壓正常范圍是0.2-0.3兆帕，而提升機(jī)的制動油壓最大沖壓可達(dá)到6.3 兆帕。選擇使用壓力變送器對油泵壓力進(jìn)行采集，同時對油壓報警的極限值進(jìn)行設(shè)置，報警信號發(fā)送的條件是超過限度范圍。在對PLC 數(shù)字量輸入接口運用的基礎(chǔ)上對油壓報警信號進(jìn)行采集。溫度變送器主要對潤滑油的溫度進(jìn)行檢測，一旦溫度比設(shè)定數(shù)值低就會發(fā)送報警信號。

3.2.2 提升速度傳感器

編碼器與深度指示器會安裝于提升機(jī)電機(jī)軸，而其編碼器所輸出數(shù)字脈沖和主電動機(jī)轉(zhuǎn)速之間呈正比例關(guān)系，目的在于提升機(jī)速度的提高，測量形成并對速度進(jìn)行保護(hù)，需要實現(xiàn)編碼器和PLC 高速脈沖輸入端的有效連接。

3.2.3 電壓、電流傳感器

提升機(jī)的工作電壓是6000VAC 高壓電源，選用電壓互感器（60:1）對電壓進(jìn)行采集，使電壓下降，并借助電壓變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?-5VDC）或是電流信號（4-20mA），輔以PLC 模擬量采集模塊即可采集電壓。提升機(jī)電機(jī)的定子電流是33.5A，通過對電流變送器的使用可減小電流，借助電流變送器同樣可利用PLC 模擬量采集模塊對電流信號進(jìn)行采集。

3.2.4 閘瓦間隙、偏擺量與振動傳感器

閘瓦監(jiān)測內(nèi)容主要有閘瓦偏擺、軸瓦磨損以及軸瓦間隙，而傳感器選擇非接觸式電渦流傳感器。由于閘瓦間隙要求小于2 毫米，在限位開關(guān)使用時會將間隙限值設(shè)置成2 毫米，一旦超出限值就會發(fā)送報警信號。在監(jiān)測閘瓦磨損情況中選擇限位開關(guān)，并在超出限度后有報警信號輸出。在監(jiān)測閘盤偏擺量的時候需將電渦流傳感器安裝于兩個閘盤一側(cè)，對閘盤旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的跳動信息予以實時監(jiān)測，閘盤偏擺量選擇2 毫米電渦流傳感器。在主軸振動測量中，需要將電渦流傳感器探頭分別安裝在相同平面內(nèi)的垂直方向。

3.2.5 滑繩量檢測傳感器

較之于纏繞式提升機(jī)，摩擦式提升機(jī)的動力傳遞通常在摩擦襯墊、鋼絲繩間產(chǎn)生摩擦力的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)，所以有必要對滑繩量展開系統(tǒng)化監(jiān)測。為監(jiān)測滑繩量，一般可開展摩擦輪與天輪的對比檢測。采用光電編碼器對摩擦輪滾軸主軸轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行測量，并對滾筒端的鋼絲繩線速度進(jìn)行計算。將速度編碼安裝于天輪轉(zhuǎn)軸部位，對天輪轉(zhuǎn)速加以采集，對天輪端鋼絲繩的運行速度加以計算。在比較兩種速度和制動速度變化趨勢的基礎(chǔ)上即可檢測滑繩量。

3.3 信號采集和傳輸設(shè)備的型號選擇

基于煤礦自動化與信息化生產(chǎn)的深化，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展速度顯著加快，有線監(jiān)測系統(tǒng)很難與煤礦監(jiān)測設(shè)備需求相適應(yīng)，且監(jiān)測存在盲點、實際費用相對較高。為此，有必要選用無線傳輸形式完成監(jiān)測，以解決上述問題并提高傳輸速率，增強(qiáng)系統(tǒng)實時性。

3.3.1 PLC 與I/O 模塊型號選擇

在系統(tǒng)設(shè)計中，PLC 型號選擇 ，該型號的通信指令十分豐富，而且通信協(xié)議并不難，可靠性優(yōu)勢明顯，同時也具有一定擴(kuò)展性，可用于小型的控制系統(tǒng)當(dāng)中。成功連接PLC與檢測站的PC 后，即可對監(jiān)測系統(tǒng)加以控制。在此基礎(chǔ)上，在PC/PPI 電纜的輔助作用下即可滿足點對點通信的需求，一定程度上提高了通信傳輸速率。

3.3.2 電源模塊型號選擇

對于可編程控制器，一般用電需采用交流電（110V/230V）亦或是直流電（24V）。而PLC 擴(kuò)展模塊能借助PLC 電源實現(xiàn)供電輸出，無需單獨提供電源。另外，傳感器亦可經(jīng)PLC 電源實現(xiàn)供電輸出，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場供電狀況合理選擇開關(guān)電源。

4 結(jié)束語

綜上所述，礦井機(jī)電設(shè)備在煤礦行業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用，但在線監(jiān)測技術(shù)始終存在一定改進(jìn)之處，很難與復(fù)雜工作環(huán)境相適應(yīng)。為此，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，有效融合RFID 和WSN 等技術(shù)，可對礦井機(jī)電設(shè)備運行狀態(tài)形成一定了解，進(jìn)而促進(jìn)煤礦產(chǎn)業(yè)的自動化與智能化發(fā)展。借助相應(yīng)技術(shù)與礦井機(jī)電配合，亦可減少煤礦企業(yè)因事故所造成的損失，利于煤礦企業(yè)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。