基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)研究

王利欣，李 波，胡成軍，劉 賓

(中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司，天津 300131)

煤礦掘進(jìn)裝備在煤礦挖掘、開(kāi)采等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中占據(jù)著重要地位，任何工藝開(kāi)采過(guò)程都離不開(kāi)挖進(jìn)裝備，因而煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)的好壞往往會(huì)對(duì)煤礦生產(chǎn)的效益造成影響[1-2]。一般來(lái)說(shuō)，氣候條件、作業(yè)條件、設(shè)備故障、人員素質(zhì)、外界因素等多種條件都會(huì)對(duì)煤礦掘進(jìn)裝備的運(yùn)行狀況造成制約，這就會(huì)導(dǎo)致煤礦掘進(jìn)裝備在不同情況下會(huì)出現(xiàn)不同的狀態(tài)，所以為了能夠有效地利用煤礦掘進(jìn)裝備實(shí)行煤礦開(kāi)采工作，需要對(duì)利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)展開(kāi)詳細(xì)研究。

有的研究者設(shè)計(jì)出一個(gè)電能計(jì)量設(shè)備，利用該設(shè)備監(jiān)測(cè)周邊環(huán)境溫度，再對(duì)配電網(wǎng)直流偏磁實(shí)行檢測(cè)，并采用二次回路電流測(cè)量方法完成煤礦掘進(jìn)裝備在不同情況下的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，從而獲取最終監(jiān)測(cè)結(jié)果。該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性及可靠性，在今后利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)方法中有著良好的發(fā)展前景[3]。還有研究者對(duì)電路的主要構(gòu)成、工作原理、工作流程等實(shí)行了詳細(xì)分析，根據(jù)分析結(jié)果利用設(shè)計(jì)的傳感器開(kāi)展性能測(cè)試，依據(jù)測(cè)試結(jié)果得知設(shè)計(jì)的傳感器所消耗的功能較低，更利于對(duì)電路信號(hào)的采集、分析，基于這一特點(diǎn)，利用傳感器對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行監(jiān)測(cè)，以此取得不同情況下的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[4]。其余研究者建立了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并把監(jiān)測(cè)到的設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)內(nèi)，利用MOLAP對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)行分析及篩選，通過(guò)建立的設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型，利用該模型對(duì)設(shè)備狀態(tài)展開(kāi)在線監(jiān)測(cè)，以此獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[5]。

在以上幾種方法的基礎(chǔ)上，提出基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)方法。

1 遠(yuǎn)程集中監(jiān)控煤礦掘進(jìn)裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦掘進(jìn)裝備的運(yùn)行狀態(tài)主要依靠物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控獲取而成[6]，所以為了能夠有效地監(jiān)測(cè)到煤礦掘進(jìn)裝備的運(yùn)行狀態(tài)，需要建立一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)?；谏鲜龇治觯O(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of the remote centralized monitoring system of the Internet of Things

由圖1可知，該系統(tǒng)部署在地方的煤管局，分為煤炭集團(tuán)內(nèi)部網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心、云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。在架設(shè)的云服務(wù)器上設(shè)計(jì)云監(jiān)控平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，集成煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并上傳到數(shù)據(jù)中心。物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)不僅只對(duì)監(jiān)測(cè)的煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)行存儲(chǔ)[7-9]，還能夠?qū)γ旱V掘進(jìn)裝備歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)行存儲(chǔ)，具有較強(qiáng)的兼容性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器后，能夠自動(dòng)備份監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，避免監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障時(shí)，該系統(tǒng)還可以自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)行恢復(fù)。并可在云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器對(duì)煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定裝備運(yùn)行安全。

在云監(jiān)控平臺(tái)中分別設(shè)置連接終端、礦數(shù)據(jù)中心、礦辦公網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)段。其中連接終端分別連接的是煤礦掘進(jìn)設(shè)備，用于采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，匯總后存儲(chǔ)到礦數(shù)據(jù)中心。通過(guò)采集到的煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)信息及存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)可以為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供重要的數(shù)據(jù)支撐，以此挖掘出煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行潛能，能夠更好地監(jiān)測(cè)出掘進(jìn)裝備在不同情況下的運(yùn)行狀態(tài)，使其能夠更好地實(shí)行煤礦開(kāi)采工作。

礦辦公網(wǎng)分別設(shè)計(jì)了工程師工作站、綜合顯示和調(diào)度指揮顯示大屏。內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)段分別設(shè)置了生產(chǎn)監(jiān)控、安全監(jiān)控、人員定位的功能。設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合[10-12]，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)到的煤礦掘進(jìn)裝備的挖掘過(guò)程實(shí)行動(dòng)畫(huà)再現(xiàn)，主要利用調(diào)度指揮顯示大屏幕對(duì)挖掘環(huán)境實(shí)行顯示，該系統(tǒng)具備可視化及便攜性。

2 硬件部分

采集煤礦掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的硬件部分由連接終端、服務(wù)器、傳感器等。傳感器主要有振動(dòng)、溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦掘進(jìn)設(shè)備溫度及振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)連接終端對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)GPRS模塊將信號(hào)傳輸給服務(wù)器，對(duì)煤礦掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)開(kāi)展遠(yuǎn)程診斷。

利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的煤礦掘進(jìn)裝備數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)分析等操作。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，需要引入一個(gè)Web服務(wù)器，其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Web服務(wù)器參數(shù)Tab.1 Web server parameter

該系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)設(shè)立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)版本為SQL Server 2020。以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息?；谠朴?jì)算技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)私有云實(shí)行設(shè)立，依據(jù)獲取的系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算。連接終端與服務(wù)器通過(guò)GPRS模塊連接，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸、處理、接收、存儲(chǔ)等功能。GPRS模塊的型號(hào)為USR- GPRS730。自帶的RS232+485串口擁有較好的集成功能[13-14]。并配置了6 KB數(shù)據(jù)緩存，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。串口的數(shù)據(jù)傳輸單元DTU可以實(shí)現(xiàn)雙向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，配置的GPRS數(shù)據(jù)接收傳輸編寫(xiě)語(yǔ)言為VB。

3 軟件實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)建立的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)及煤礦掘進(jìn)裝備結(jié)構(gòu)組成分析，采用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)不同情況下的煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)。具體的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 煤礦掘進(jìn)裝備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 Software realization process of coal mine tunneling equipment monitoring system

4 實(shí)例分析

4.1 煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行監(jiān)測(cè)

選取一個(gè)生產(chǎn)礦山，利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)礦山掘進(jìn)裝備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掘進(jìn)裝備工作狀態(tài)如圖3所示。

圖3 煤礦掘進(jìn)裝備工作狀態(tài)Fig.3 Working status of coal mine tunneling equipment

以不同時(shí)期的掘進(jìn)裝備運(yùn)行動(dòng)態(tài)用作作業(yè)指標(biāo)，例如生產(chǎn)量、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、故障事件等。由于歷史記錄不能及時(shí)對(duì)煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)展開(kāi)實(shí)際反應(yīng)，所以需要對(duì)其實(shí)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)記錄直觀地對(duì)掘進(jìn)裝備運(yùn)行情況反映，具體見(jiàn)表2。根據(jù)表2與表3的煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行情況及運(yùn)行能力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)其實(shí)行處理和轉(zhuǎn)換，以煤礦掘進(jìn)裝備的設(shè)備類(lèi)型，將轉(zhuǎn)換后的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入到物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)表中，以此形成掘進(jìn)裝備運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。其轉(zhuǎn)換后的煤礦掘進(jìn)裝備作業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)見(jiàn)表4、表5。

表2 挖掘裝備運(yùn)行狀況Tab.2 Operation status of excavation equipment

表3 掘進(jìn)裝備能力統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics on the capacity of tunneling equipment

表4 現(xiàn)場(chǎng)煤礦掘進(jìn)裝備作業(yè)指標(biāo)記錄Tab.4 Operation index records of on-site coal mine excavation equipment

表5 現(xiàn)場(chǎng)煤礦掘進(jìn)裝備作業(yè)指標(biāo)記錄Tab.5 Operation index records of on-site coal mine excavation equipment

表4以月份為單位記錄了煤礦掘進(jìn)裝備作業(yè)記錄，根據(jù)不同月份下的煤礦掘進(jìn)裝備統(tǒng)計(jì)分析，獲取不同情況下的煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)。

(1)礦井?dāng)嗝婢蜻M(jìn)情況下。煤礦掘進(jìn)裝備在礦井?dāng)嗝嬷虚_(kāi)展掘進(jìn)工作時(shí)，分別有3種運(yùn)行狀態(tài)：縱向掘進(jìn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、截割頭橫向擺動(dòng)及縱向擺動(dòng)等。煤礦掘進(jìn)裝備在現(xiàn)場(chǎng)破巖時(shí)，需要在礦井?dāng)嗝嬷袑?shí)行鉆孔掘進(jìn)及擺動(dòng)破巖的操作。實(shí)行鉆孔掘進(jìn)期間，掘進(jìn)機(jī)的截割頭[14-15]需要以垂直斷面的方式向礦井?dāng)嗝嫱七M(jìn)運(yùn)動(dòng)，這樣操作下截割頭頭體部分會(huì)以?xún)煞N運(yùn)行狀態(tài)前行，分別是繞自身旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和懸臂推動(dòng)狀態(tài)。但在掘進(jìn)機(jī)頭體上的截齒整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)卻與截割頭相反，在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還會(huì)展現(xiàn)出復(fù)合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(2)掘進(jìn)裝備水平破碎煤巖情況下。煤礦掘進(jìn)裝備處于破碎煤巖情況下，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間在破巖上，此時(shí)掘進(jìn)裝備屬于水平擺動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，掘進(jìn)機(jī)的截割頭體及懸臂[16-17]會(huì)持續(xù)處于推進(jìn)擺動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)。由于頭體上的截齒與截割頭、懸臂的位置不同，所以截齒運(yùn)行旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)[18]還會(huì)跟隨截割頭的擺動(dòng)呈現(xiàn)出擺動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的疊加運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨著掘進(jìn)裝備運(yùn)動(dòng)動(dòng)作而產(chǎn)生變化時(shí)，掘進(jìn)裝備的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)隨之發(fā)生變化。

(3)掘進(jìn)裝備垂直破碎煤巖情況下。煤礦掘進(jìn)裝備開(kāi)展垂直破碎煤巖時(shí)，會(huì)以繞軸線為中心，做出定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及橫向擺動(dòng)相疊加的疊加運(yùn)動(dòng)。煤礦掘進(jìn)裝備中，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)是掘進(jìn)裝備懸臂頭體的中心，利用回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)懸臂頭體向煤巖實(shí)行破巖運(yùn)動(dòng)[19-20]，從而完成垂直破巖。針對(duì)掘進(jìn)裝備垂直破碎煤巖的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)掘進(jìn)裝備中的截齒展開(kāi)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，設(shè)置掘進(jìn)裝備的截齒靜坐標(biāo)系標(biāo)記為o-abc，截齒頭部末端的動(dòng)坐標(biāo)系標(biāo)記為o-a′b′c′，并以回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)用作原點(diǎn)，那么煤礦掘進(jìn)裝備的截齒實(shí)行垂直破巖運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)動(dòng)靜坐標(biāo)關(guān)系如圖4所示。

圖4 煤礦掘進(jìn)機(jī)截齒動(dòng)靜坐標(biāo)關(guān)系Fig.4 Dynamic and static coordinate relationship of coal mine tunneling machine

根據(jù)圖4中的煤礦掘進(jìn)機(jī)截齒動(dòng)靜坐標(biāo)關(guān)系圖，得知掘進(jìn)機(jī)在垂直破碎煤巖情況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。基于上述監(jiān)測(cè)的不同情況下的煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)的研究。

4.2 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)方法的整體有效性，需要對(duì)該方法實(shí)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試。

(1)采用本文所提方法建立的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)煤礦掘進(jìn)裝備實(shí)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以此驗(yàn)證該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果。利用本文所提方法分別對(duì)煤礦掘進(jìn)裝備的最大啟動(dòng)電流、加速電流平均值及減速電流平均值3個(gè)指標(biāo)實(shí)行監(jiān)測(cè)[21-23]，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比，從而驗(yàn)證本文所提方法的監(jiān)測(cè)可靠性。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6—表8。采用本文所提方法在相同時(shí)間下對(duì)不同掘進(jìn)裝備指標(biāo)開(kāi)展監(jiān)測(cè)對(duì)比測(cè)試，由表6—表8中的數(shù)據(jù)可知，本文所提方法監(jiān)測(cè)到掘進(jìn)機(jī)最大啟動(dòng)電流時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相同且沒(méi)有誤差。本文所提方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)加速電流平均值、減速電流平均值實(shí)行監(jiān)測(cè)時(shí)，所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與實(shí)際結(jié)果存有少許誤差，且相差較小，由此可見(jiàn)本文所提方法的監(jiān)測(cè)加、減速電流平均值時(shí)，誤差小，精度高。這主要是因?yàn)楸疚乃岱椒ㄋ⒌奈锫?lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)行分析、處理，以此提升了監(jiān)測(cè)效率，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)精度。

表6 最大啟動(dòng)電流監(jiān)測(cè)效果測(cè)試Tab.6 Maximum starting current monitoring effect test

表7 加速電流平均值監(jiān)測(cè)效果測(cè)試Tab.7 Monitoring effect test of average value of accelerating current

表8 減速段電流平均值監(jiān)測(cè)效果Tab.8 Monitoring effect of the average value of deceleration current

(2)利用本文所提方法對(duì)煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行監(jiān)測(cè)時(shí)，其監(jiān)測(cè)速度的快慢決定了整體監(jiān)測(cè)效率的好壞[24-25]，因而采用本文所提方法對(duì)掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行監(jiān)測(cè)用時(shí)測(cè)試。在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試前，設(shè)定1個(gè)閾值，若本文所提方法在測(cè)試期間沒(méi)有超出設(shè)定閾值，則說(shuō)明本文所提方法的監(jiān)測(cè)用時(shí)短，監(jiān)測(cè)效率高。煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)用時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本文所提方法的監(jiān)測(cè)用時(shí)距離設(shè)定閾值之間的距離相差較大。同時(shí)本文所提方法隨著運(yùn)行參數(shù)的變化僅在5 s內(nèi)完成監(jiān)測(cè)，可見(jiàn)本文所提方法的監(jiān)測(cè)耗時(shí)少、監(jiān)測(cè)效率高。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦掘進(jìn)裝備的運(yùn)行狀態(tài)決定著煤礦生產(chǎn)結(jié)果，針對(duì)監(jiān)控煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)方法存在的問(wèn)題，提出利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)方法。該方法利用設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)煤礦掘進(jìn)裝備在不同情況下的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行監(jiān)測(cè)，從而獲取最終監(jiān)測(cè)結(jié)果。該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性及可靠性，在今后利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控煤礦掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)方法中有著良好的發(fā)展前景。