賈艷麗魏宏鵬趙丹陽

(1.南陽理工學(xué)院,河南省南陽市,473004; 2.鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司蘆溝煤礦,河南省新密市,452373; 3.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司,內(nèi)蒙古包頭市,014030)

★煤炭科技·機電與信息化★

基于Hadoop架構(gòu)的蘆溝煤礦綜采自動化系統(tǒng)研究與設(shè)計

賈艷麗1魏宏鵬2趙丹陽3

(1.南陽理工學(xué)院,河南省南陽市,473004; 2.鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司蘆溝煤礦,河南省新密市,452373; 3.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司,內(nèi)蒙古包頭市,014030)

為了提高綜采各設(shè)備間協(xié)同工作的能力,提出了基于Hadoop架構(gòu)的分布式綜采系統(tǒng)的設(shè)計思路,詳細介紹了該綜采系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和功能實現(xiàn),同時結(jié)合蘆溝煤礦的實際情況,設(shè)計了該綜采系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

蘆溝煤礦 Hadoop架構(gòu) 綜采自動化系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 引言

隨著我國“兩化融合”的不斷推進,綜采自動化系統(tǒng)被越來越多的煤礦所采用,與傳統(tǒng)的采煤方式相比,綜采自動化系統(tǒng)不但提高了生產(chǎn)效率,同時也大大地減少了安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。由于各個煤礦的綜采自動化系統(tǒng)在功能和工作流程上存在較大差異,部分煤礦在綜采自動化系統(tǒng)的應(yīng)用、維護和升級等方面也面臨著一些新的問題。

蘆溝煤礦是鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司骨干生產(chǎn)礦井之一,近幾年隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,蘆溝煤礦引入了基于C/S架構(gòu)的綜采自動化控制系統(tǒng),在運行一段時間后,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在以下幾個方面的問題:

(1)該綜采自動化系統(tǒng)嚴重依賴中心服務(wù)器,一旦中心服務(wù)器出現(xiàn)故障,則會影響到整個綜采系統(tǒng)的正常協(xié)同工作。由于系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的C/S架構(gòu),導(dǎo)致中心服務(wù)器頻繁的與各綜采終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換,這不但增加了網(wǎng)絡(luò)負載,也大大增加了中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)計算存儲負擔(dān),從而加大了中心服務(wù)器出現(xiàn)不穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的風(fēng)險。

(2)該綜采自動化系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的總線控制系統(tǒng),增加了系統(tǒng)升級和擴展的難度,尤其是當(dāng)中心服務(wù)器不能滿足當(dāng)前計算存儲需求時,煤礦需要花費大量資金重新購置新的中心服務(wù)器,不僅增加了設(shè)備成本,而且在升級中心服務(wù)器時也影響到了煤礦的生產(chǎn)。

(3)獲取綜采設(shè)備工作狀態(tài)的最佳手段是通過傳感器設(shè)備實時獲取綜采設(shè)備的工作數(shù)據(jù),由于該綜采自動化系統(tǒng)缺少對傳感器設(shè)備的支持,所以導(dǎo)致無法實時獲取綜采設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

因此,為了提高蘆溝煤礦綜采設(shè)備間的協(xié)同工作能力,最大程度地發(fā)揮現(xiàn)有綜采設(shè)備的效能,充分利用現(xiàn)有的信息化設(shè)備和成熟的信息化技術(shù),研究設(shè)計了一套集智能檢測、協(xié)同作業(yè)和遠程控制等功能于一體的基于Hadoop架構(gòu)的蘆溝煤礦綜采自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對各綜采設(shè)備的遠程控制與無縫銜接,在提升生產(chǎn)效率的同時,也降低了采煤工作面工人的安全風(fēng)險。

2 綜采自動化系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本綜采自動化系統(tǒng)由分布式計算中心、監(jiān)控調(diào)度中心和井下控制系統(tǒng)組成,該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式綜采自動化系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

2.1.1 分布式計算中心

分布式計算中心可由多臺低端的服務(wù)器或計算機構(gòu)成,通過在這些機器上部署基于Hadoop的分布式軟件系統(tǒng),使其成為一個強大的計算和存儲陣列,為整個綜采自動化系統(tǒng)提供復(fù)雜的計算和大數(shù)據(jù)存儲。Hadoop作為一個分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu),能將多臺低端的服務(wù)器或計算機整合成一個強大的計算存儲集群,從而在不影響綜采自動化系統(tǒng)整體響應(yīng)能力的同時,為蘆溝煤礦的信息化建設(shè)節(jié)約部署成本。與傳統(tǒng)的專用服務(wù)器相比,該中心還有易于擴展的優(yōu)勢,在計算能力遇到瓶頸時,只需要在該中心添加相應(yīng)的計算機節(jié)點即可。當(dāng)其中的某一個計算機節(jié)點出現(xiàn)故障,也不會影響到分布式計算中心對整個綜采自動化系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量,比傳統(tǒng)單一服務(wù)器配置具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。該計算中心接收來自監(jiān)控控制中心和各個井下控制系統(tǒng)發(fā)來的計算請求,并反饋計算結(jié)果。

2.1.2 監(jiān)控調(diào)度中心

監(jiān)控調(diào)度中心是蘆溝煤礦分布式綜采自動化系統(tǒng)的決策者,負責(zé)從整體上將各井下控制系統(tǒng)發(fā)送的監(jiān)控信息和分布式計算中心發(fā)布的計算結(jié)果展現(xiàn)出來,接收來自工作人員的控制指令,對指令解析后將指令發(fā)送給井下控制系統(tǒng)。通過監(jiān)控調(diào)度中心,工作人員可以實時了解井下各個綜采工作面的情況和綜采設(shè)備的工作狀態(tài)。

2.1.3 井下控制系統(tǒng)

井下控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩部分,一部分是作為控制網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò),該部分網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),由于井下工作環(huán)境惡劣,環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點出現(xiàn)故障時,仍然能夠保證其他節(jié)點的正常通信需求,從而增加了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性;另一部分是實時獲取綜采工作面環(huán)境參數(shù)和綜采設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),通過在井下各綜采設(shè)備和綜采工作面部署無線傳感器,使其組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),并通過無線網(wǎng)關(guān)將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控控制中心和分布式計算中心。井下控制系統(tǒng)的工作示意圖如圖2所示。

圖2 井下控制系統(tǒng)工作示意圖

3 綜采自動化系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

3.1 分布式計算中心實現(xiàn)的功能

分布式計算中心一方面負責(zé)接收來自各個井下控制系統(tǒng)發(fā)送的綜采工作面環(huán)境參數(shù)信息和設(shè)備運行狀態(tài)信息,并與給定的標準數(shù)據(jù)進行對比,如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)或者設(shè)備狀態(tài)信息不在給定的標準數(shù)據(jù)范圍內(nèi),則向監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)送警告信息;另一方面對監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)送的指令信息進行校驗,如果發(fā)現(xiàn)指令與常規(guī)的操作流程不符,則向監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)送警告詢問信息,在得到監(jiān)控調(diào)度中心確認后才能使該指令往下進行,否則取消該指令,這樣有利于避免由于人為疏忽而引起的誤操作。

借助分布式系統(tǒng)強大的存儲計算能力,蘆溝煤礦可將一些規(guī)范化的流程操作存儲到分布式計算中心,分布式計算中心以這些流程為標準,對來自監(jiān)控調(diào)度中心的每一條指令進行校驗,當(dāng)發(fā)現(xiàn)與標準流程不符的指令時,則暫停該指令的轉(zhuǎn)發(fā)操作,并向監(jiān)控調(diào)度中心確認該指令是否需要強制執(zhí)行。同時,分布式計算中心也存儲了綜采設(shè)備的標準工作參數(shù)和各種情況下綜采工作面的標準環(huán)境參數(shù),對各井下控制系統(tǒng)發(fā)來的實時數(shù)據(jù)進行校驗,一旦發(fā)現(xiàn)異常,則向監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)送報警信息,并搜索相應(yīng)的預(yù)案,如發(fā)現(xiàn)有系統(tǒng)中存儲有處理此類事件的預(yù)案,則按照預(yù)案執(zhí)行相應(yīng)的流程,否則等待監(jiān)控調(diào)度中心的指令。分布式計算中心還可以根據(jù)存儲的各類綜采設(shè)備的維修檢測信息自動計算設(shè)備的檢修時間,并按要求在檢修日期來臨前向監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)送提示信息。

3.2 監(jiān)控調(diào)度中心實現(xiàn)的功能

監(jiān)控調(diào)度中心一方面實時接收來自各個井下控制系統(tǒng)所采集的工作面環(huán)境信息和設(shè)備運行狀態(tài)信息,并將這些信息以圖表的形式展現(xiàn)出來,同時接收來分布式計算中心發(fā)來的各類告警信息;另一方面負責(zé)向各綜采設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的指令信息,這些指令信息首先要通過分布式計算中心的校驗,防止因為人為疏忽而導(dǎo)致的誤操作。

監(jiān)控調(diào)度中心支持條件指令,即當(dāng)發(fā)現(xiàn)井下控制系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)滿足某一條件時,可自動觸發(fā)某一指定指令,該指令依然需要通過分布式計算中心的校驗,以防止意外事故的發(fā)生。相關(guān)工作人員可在監(jiān)控調(diào)度中心編輯標準工作流程、各類綜采設(shè)備的標準工作參數(shù)指標和維修檢測信息以及各類綜采工作面的標準環(huán)境參數(shù)等信息,并將這些信息存儲到分布式計算中心。

3.3 井下控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

井下控制系統(tǒng)由礦壓監(jiān)測控制單元、采煤機監(jiān)測控制單元、刮板輸送機監(jiān)測單元、供配液監(jiān)測控制單元、供電監(jiān)控單元以及氣敏監(jiān)控報警單元6個部分組成,各個部分分別實現(xiàn)不同的功能。

3.3.1 礦壓監(jiān)測控制單元

礦壓監(jiān)測控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)工作面礦壓監(jiān)測、巷道礦壓監(jiān)測以及對自移式液壓支架的遠程遙控等功能。通過在自移式液壓支架上安裝相應(yīng)的傳感器,實現(xiàn)對工作面礦壓、支架工況以及支護質(zhì)量監(jiān)測,通過壓力傳感器實時采集工作面支架的前后立柱的工作阻力,位移傳感器實時采集支架立柱伸縮量,傾角傳感器實時采集支架頂梁傾角,通過這些實時數(shù)據(jù)可實時掌握頂板壓力的變化情況,并準確預(yù)測頂板初次來壓及周期來壓,從而采取有效防范措施,減少和消除頂板壓力給安全生產(chǎn)所帶來的不利影響。與此同時,也可以及時發(fā)現(xiàn)損壞或不能正常工作的支架,還能夠檢查支架操作的初撐力是否符合要求,以檢查和保證工作面的支護質(zhì)量。巷道礦壓監(jiān)測可通過使用錨桿拉力傳感器對巷道支護質(zhì)量進行實時監(jiān)測,還可實現(xiàn)多截面多點監(jiān)測。各類無線礦壓檢測傳感器通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛娣植际接嬎阒行暮捅O(jiān)控調(diào)度中心,并通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)接收來自監(jiān)控調(diào)度中心的指令,從而實現(xiàn)自移式液壓支架的遠程控制。

3.3.2 采煤機監(jiān)測控制單元

采煤機監(jiān)測控制單元通過電流負荷傳感器和開關(guān)量傳感器實時獲取采煤機工作狀態(tài),防止采煤機發(fā)生超負荷運轉(zhuǎn)的情況;通過傾角傳感器來實時獲取采煤臂的俯仰角度,從而實現(xiàn)對采煤機的精準控制,提高采煤效率;通過位移傳感器實時獲取采煤機的位置信息;通過溫度傳感器和壓力傳感器實時采集冷卻水的溫度和壓力;通過在采煤機的危險工作區(qū)域安裝人體接近傳感器來實現(xiàn)對人體的識別,一旦發(fā)現(xiàn)有人在這些危險區(qū)域,則不能開機或者馬上停止運轉(zhuǎn),以防止安全事故的發(fā)生。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳感器實時傳輸給地面分布式計算中心和監(jiān)控調(diào)度中心,并通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)接收來自監(jiān)控調(diào)度中心的指令。

3.3.3 刮板輸送機監(jiān)測單元

刮板輸送機監(jiān)測單元通過電流負荷傳感器和開關(guān)量傳感器實時獲取刮板輸送機工作狀態(tài),防止刮板輸送機發(fā)生超負荷運轉(zhuǎn)的情況;通過測速傳感器實時采集刮板輸送機電動機以及鏈板轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),通過對比鏈板轉(zhuǎn)速和電動機的轉(zhuǎn)速來檢測刮板輸送機的傳動部分和動力部分是否出現(xiàn)故障;通過溫度傳感器實時采集刮板輸送機電動機的溫度和周邊環(huán)境的溫度,一旦發(fā)現(xiàn)電動機溫度或周邊環(huán)境溫度出現(xiàn)異常情況,監(jiān)控調(diào)度中心可立即對刮板輸送機采取減速、制動和停車等措施,防止因為過熱而導(dǎo)致對電動機或其他裝置的損毀;通過壓力傳感器實時采集作用在溜槽上的壓力,防止由于超載而給電動機造成過載,同時也防止鏈板因為過載而導(dǎo)致疲勞失效;通過超聲波傳感器實現(xiàn)對鏈板和鏈條的無損探傷,防止因為疲勞失效而導(dǎo)致鏈板和鏈條的斷裂。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳感器實時傳輸給地面分布式計算中心和監(jiān)控調(diào)度中心,并通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)接收來自監(jiān)控調(diào)度中心的指令。

3.3.4 供配液監(jiān)測控制單元

供配液監(jiān)測控制單元主要包括噴霧泵站監(jiān)控、乳化液泵站監(jiān)控以及冷卻水泵站監(jiān)控等,噴霧泵站通過出口壓力傳感器實時采集出口壓力,防止由于出口壓力過大或過小對自身或者其他設(shè)備造成損壞;通過油溫、油位、油壓傳感器以及泵箱液位傳感器實時采集噴霧泵的工作狀態(tài)信息;通過油溫和油壓傳感器實時采集乳化液泵中潤滑油油溫和油位信息;通過壓差傳感器實時采集管路高低壓過濾器進出口的兩邊壓差;通過油位傳感器實時獲取乳化液在乳化液箱中的液位信息;通過溫度傳感器實時采集冷卻水泵站中冷卻水的溫度信息,防止冷卻水溫度過高而影響正常的生產(chǎn)計劃。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳感器實時傳輸給地面分布式計算中心和監(jiān)控調(diào)度中心,并通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)接收來自監(jiān)控調(diào)度中心的指令。

3.3.5 供電監(jiān)控單元

供電監(jiān)控單元主要通過電流傳感器實時采集移動變電站和UPS備用電源的工作狀態(tài),并將這些采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳感器或者工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸給地面分布式計算中心和監(jiān)控調(diào)度中心,同時,也實時接收來自監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)來的指令,從而實現(xiàn)備用電源和移動式變電站的快速切換。

3.3.6 氣敏監(jiān)控報警單元

氣敏監(jiān)控報警單元主要包括對有害氣體及粉塵的監(jiān)測和報警單元,通過在綜采工作面安裝多個各類氣敏、氣壓、風(fēng)速傳感器和報警裝置,實現(xiàn)對有害氣體和粉塵的全方位無死角監(jiān)測,一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常,則可通過報警裝置及時通知處于危險區(qū)域中的工作人員快速撤離,從而最大限度地減少安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

分布式綜采自動化系統(tǒng)的部署和運行不但解決了原有綜采系統(tǒng)中存在的穩(wěn)定性不高和擴展能力有限的問題,而且通過復(fù)用原有系統(tǒng)的硬件設(shè)備,也大大降低了蘆溝煤礦在信息化 方面的成本。由于其采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò),使得分布式綜采自動化系統(tǒng)本身具有一定的自檢能力,環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進一步提升了系統(tǒng)的容錯能力和穩(wěn)定性。通過在蘆溝煤礦一段時間的運行,分布式綜采自動化系統(tǒng)完全符合該煤礦的生產(chǎn)需求,極大地降低了人工成本,提高了綜采工作面的生產(chǎn)效率。

[1] 曾祥鴻,黃強.KJ90型煤礦安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2000(2)

[2] 何勇華.綜采自動化控制系統(tǒng)在新元煤礦的應(yīng)用[J].中國煤炭,2014(9)

[3] 趙小虎,張申,譚得建.基于礦山綜合自動化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004(8)

[4] 王東,程志齊.白芨溝煤礦綜采系統(tǒng)的技術(shù)改造[J].礦山機械,2012(2)

[5] 付國軍,楊明亮,許太山.綜采無人工作面的整體設(shè)計與實現(xiàn)方法的構(gòu)想[J].工礦自動化,2012 (12)

(責(zé)任編輯 路 強)

Research and design of fully mechanized mining system for Lugou Coal Mine based on Hadoop architecture

Jia Yanli1,Wei Hongpeng2,Zhao Danyang3
(1.Nanyang Institute of Technology,Nanyang,Henan 473004,China; 2.Lugou Coal Mine,Zhengzhou Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Xinmi,Henan 452373,China; 3.Inner Mongolia North Hauler Joint Stock Co.,Ltd.,Baotou,Inner Mongolia 014030,China)

In order to enhance the team working efficiency of different facilities,the design of distributed fully mechanized mining system was proposed on the basis of Hadoop architecture. The architectures and functions of this system were expounded.Moreover,the corresponding network for this system was designed according to the actual situation of Lugou Coal Mine.

Lugou Coal Mine,Hadoop architecture,fully mechanized mining system,wireless sensor network

TD67 TD823.97

A

賈艷麗(1977－),女,河南新野人,現(xiàn)任南陽理工學(xué)院講師,主要研究方向為煤炭行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘及計算機軟件與理論研究。