基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)

劉懷奇

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司風(fēng)水溝煤礦）

0 引言

近年來，煤炭工業(yè)快速發(fā)展，各類監(jiān)控煤礦井下安全生產(chǎn)的應(yīng)用越來越廣泛。但是，受煤礦井下環(huán)境的影響，煤礦井下的安全及生產(chǎn)技術(shù)與其他行業(yè)相比，還是落后了許多，所以，提升煤礦井下生產(chǎn)的智能和高效性，顯得十分必要。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到煤礦中，所牽扯到的應(yīng)用與技術(shù)原理都是較為復(fù)雜的，它必須完成對煤礦中的多種災(zāi)害預(yù)兆的信息感知、煤礦井下工作環(huán)境的信息感知和煤礦中的裝備工作健康狀況的信息感知[1]。通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不但可以對煤礦井下巷道中的移動軌跡、移動位置和工作狀況進(jìn)行精確的解析，在井下進(jìn)行無人值班的智能操作和控制，而且可以對礦井中的瓦斯突出、沖擊地壓等災(zāi)難性的前兆進(jìn)行有效的探測和預(yù)報，從而有效地規(guī)避安全隱患[2-3]。

1 硬件設(shè)計

1.1 中心節(jié)點設(shè)計

煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)的中心節(jié)點的控制板選用Jennic 公司的JN5212，該控制板包括天線、32MHz 的晶振、芯片和4Mbit 的Flash，該控制板具有4 層?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)中心節(jié)點如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)中心節(jié)點

觀察圖1 可知，本文使用的無線電適配器能夠滿足802.15.42450MHz PHY 協(xié)議。在其內(nèi)部具有煤礦井下變電所電氣設(shè)備運行的程序，當(dāng)煤礦井下變電所電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，控制板內(nèi)的電氣設(shè)備運行程序?qū)淮鎯Φ紽lash 內(nèi)進(jìn)行識別，識別過程中，中心節(jié)點內(nèi)的無線電適配器由2.4GHz 提升到4.8GHz，在識別過程中采用PHY 協(xié)議，同時，控制板內(nèi)的調(diào)制解調(diào)器運行速度為500kbps，在對電氣設(shè)備進(jìn)行調(diào)制時，采用QPSK 的調(diào)制方式[4]。此外，中心節(jié)點內(nèi)還包括數(shù)字基帶處理器，該處理器可處理電氣設(shè)備運行的相關(guān)數(shù)據(jù)，處理完成后通過內(nèi)嵌式的方式進(jìn)行存儲，在控制板的芯片內(nèi)帶有64 位的核心處理器，該核心處理器主要對數(shù)字基帶處理器存儲的設(shè)備運行數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，從而實現(xiàn)控制。

1.2 供電電路設(shè)計

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)的供電電路時，主要采用兩種方式進(jìn)行供電，一種是利用SDI 串口與監(jiān)控系統(tǒng)相連供電，一種是將3 節(jié)2.0V 電池進(jìn)行串聯(lián)供電。供電電路如圖2 所示。

圖2 供電電路圖

觀察圖2 可知，當(dāng)控制板內(nèi)的調(diào)制解調(diào)器對煤礦井下變電所智能監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行解調(diào)時，調(diào)制解調(diào)器的功耗較低，可以使其與SDI 串口進(jìn)行連接，直接進(jìn)行供電。

當(dāng)中心節(jié)點內(nèi)的CPU 與基帶數(shù)字處理器同時進(jìn)行工作時，可通過3 節(jié)串聯(lián)的電池進(jìn)行供電，采用電池進(jìn)行供電時可通過跳線來實現(xiàn)，利用SDI 串口與監(jiān)控系統(tǒng)相連進(jìn)行供電時，串口連接如圖3 所示。

圖3 串口連接圖

根據(jù)圖3 可知，串口中心考慮協(xié)調(diào)器的通用性，引入RS232 連接各個不同的接口，防止出現(xiàn)電平不匹配的現(xiàn)象。將跳線的DI06 與DIO7 引腳連接起來，同時將USB 接口與電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在不移動的情況下，采用以上兩種供電方式持續(xù)為煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行供電。

1.3 嵌入模塊

煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式模塊主要負(fù)責(zé)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、使物聯(lián)網(wǎng)模塊與傳感器節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)、監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)模塊的運行狀態(tài)等。嵌入模塊結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 嵌入模塊結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4 可知，嵌入式模塊中含有物聯(lián)網(wǎng)模塊，該模塊為無線收發(fā)模塊，工作頻率為4.8GHz，在該模塊的內(nèi)部含有報文通訊檢查，能夠加快報文的傳輸速度，內(nèi)部的核心CPU 可降低嵌入模塊的功耗，使其在發(fā)送電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)時，消耗的電流小于50μA。除了ZigBee 模塊外，嵌入式模塊中還含有64位的微處理器，該處理器作為嵌入式模塊的控制器，其核心芯片選用ATMEL 公司生產(chǎn)的ARM9 系列芯片，本芯片可對電能裝置運轉(zhuǎn)的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，其處理速率最高可達(dá)到220MHz，在處理器的里面，還整合了SPI、SDI、UART、USB 等接口，從而可以進(jìn)行各種電能裝置的數(shù)據(jù)傳送。使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)為電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備，其內(nèi)置可靠性較高的MC39i 引擎，執(zhí)行SOCKET 標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，在傳輸電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)時，傳輸方式均采用用戶自由控制傳輸方式，傳輸過程中，時延較短，穩(wěn)定性強(qiáng)，在不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，均可以實現(xiàn)雙向傳輸。

2 軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

不管在正常工作狀態(tài)下，或者在非常規(guī)工作狀態(tài)下，煤礦井下變電所的裝備都會產(chǎn)生熱量，這是因為在電壓、電流的作用下，導(dǎo)體都會產(chǎn)生電阻損耗、介質(zhì)損耗和鐵損耗，這些都會以內(nèi)能的方式出現(xiàn)。

電器元件都有一定的電阻值，電流通過時一部分電能轉(zhuǎn)化成熱能輻射到外界，根據(jù)焦耳定律，在電流一定的情況下電阻值越大所產(chǎn)生的焦耳熱越多。發(fā)熱功率可以公式描述為：

式中，Q為發(fā)熱功率，W；MJ為附加損耗系數(shù)；I為負(fù)載電流，A；G為載流體導(dǎo)體的電阻，Ω。對于多股絞線和熱電阻絲，附加損耗系數(shù)可以認(rèn)為是1。

在高壓電氣設(shè)備中，除了具有金屬的傳導(dǎo)物質(zhì)之外，還具有某些起到絕緣作用的電介質(zhì)，它們可以是固體、液體、氣體，它們和傳導(dǎo)物質(zhì)共同組成了整個電氣設(shè)備。在交流電磁場的影響下，由于介體的電導(dǎo)率和介體極化的遲滯效應(yīng)而造成的在其內(nèi)部產(chǎn)生的能量損失，一般被稱作是介體損失，損耗功率可以表達(dá)為：

式中，Q為電介質(zhì)有功損耗，W；L為電場電壓，V；σ為交變電源的角功率；D為介質(zhì)的等值電容值，F(xiàn)；tanδ為絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)或介質(zhì)損耗角正切值。

介質(zhì)損耗與電流的大小無關(guān)，僅與兩端電場的電壓有關(guān)系。由公式可得，電介質(zhì)材料一定時，介質(zhì)損耗與電場電壓的二次方成正比。因此，電力裝置在沒有任何電流的情況下，也會出現(xiàn)介質(zhì)損失。當(dāng)介電層的絕緣特性變差時，介質(zhì)損耗也會相應(yīng)增大，有功損耗系數(shù)W增大，設(shè)備運行時熱輻射會升高。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸

文中根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，針對放置于變電站不同區(qū)域的終端傳感器，構(gòu)建最佳組織形態(tài)網(wǎng)絡(luò)，將處理后的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳遞至基站進(jìn)行分析，作為遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)包含多個節(jié)點，用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)點，為了減少消耗，利用多簇劃分的方式建立多個異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控區(qū)域，每個監(jiān)控區(qū)域由多個終端傳感器和一個匯聚節(jié)點組成。

利用物聯(lián)網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效傳輸，文中運用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時調(diào)整基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)律可表示為：

該第m神經(jīng)元由n個輸入信號xn和一個輸出ym組成，輸入輸出信號的關(guān)系可以由一對方程來表示。

式中，rm1,rm2,...,rmn為神經(jīng)元m所聯(lián)結(jié)的突觸權(quán)數(shù)值，它的數(shù)值為正、負(fù)數(shù)，代表各突觸的興奮和抑制性；θm為閾值，也就是偏差值，它的功能就是對電流pm進(jìn)行轉(zhuǎn)換；ym表示的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，f是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換函數(shù)和n是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)目。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是應(yīng)用最成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且煤礦井下變電所設(shè)備的用電變化情況大都具有隨機(jī)性和非線性，而對數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性預(yù)測是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)測試

3.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗證本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，設(shè)定實驗參數(shù)如下表所示。

表 實驗參數(shù)表

根據(jù)上述實驗參數(shù)，選用本文提出的監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦井下的變電所設(shè)備的介損進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 介損監(jiān)測實驗結(jié)果

圖5監(jiān)測結(jié)果表明，在監(jiān)測過程中，變電所設(shè)備的二相介損呈現(xiàn)不規(guī)律變化，在3:00～6:00，A 相介損的波動較大，在9:00～12:00，介損出現(xiàn)最大值，高達(dá)0.80%，而在這一時間段，介損也出現(xiàn)最小值，降低到0.25%，波動狀況十分明顯。相比較于A 相CT介損，B 相介損波動范圍最小，在3:00～6:00，出現(xiàn)最大值，為0.70%，在18:00～21:00，出現(xiàn)最小值，為0.30%。在測量煤礦井下變電所設(shè)備介損過程中，會受到外界溫度、濕度、空間電磁場等多方面干擾，本文引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠很好地減少避雷器之間的耦合情況，防止由于電磁干擾而出現(xiàn)的誤差。

3.2 系統(tǒng)性能分析

為更好驗證本文設(shè)計的系統(tǒng)工作效果，同時對本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)的基于GPRS 技術(shù)的煤礦井下變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗，分析三種系統(tǒng)在運行過程中穩(wěn)定性，實驗結(jié)果如圖6 所示。

圖6 穩(wěn)定性實驗結(jié)果

本文提出的系統(tǒng)在運行過程最為穩(wěn)定，測量的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確，能夠很好地排除各種干擾因素，得到較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，性能可靠，更適合實際應(yīng)用。

4 結(jié)束語

在對煤礦井下變電站展開深入的調(diào)查之后，本文根據(jù)煤礦井下變電站的特征，設(shè)計出了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的煤礦井下變電站智能監(jiān)督系統(tǒng)，并對其整體的設(shè)計、通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及監(jiān)測的實現(xiàn)展開深入的探討。本課題已成功地進(jìn)行系統(tǒng)的硬件和部分軟體的開發(fā)，基本滿足了課題的目標(biāo)。煤礦井下變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)是采集井下煤礦變電站中各種信息，綜合起來進(jìn)行加工，最終，數(shù)據(jù)經(jīng)CAN、以太網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC機(jī)上，完成對PC 機(jī)上的實時監(jiān)測。