張德軍， 王興生， 劉 維

(1.招金礦業(yè)股份有限公司， 山東 招遠(yuǎn) 265400； 2.德逸科技(北京)有限公司， 北京 100191)

1 前言

物聯(lián)網(wǎng)是近些年迅猛發(fā)展的新一代信息技術(shù)之一，它通過傳感器、RFID、二維碼等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把各種物品與互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行通信和信息交換，通過智能感知、識別技術(shù)實現(xiàn)定位、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，即“物物相連”的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)在架構(gòu)上可分為3個層面，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器構(gòu)成，包括供電、溫度、濕度、RFID電子標(biāo)簽、攝像頭、位置傳感器等感知終端。感知層的主要功能是識別物體、采集信息；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳輸和處理感知層獲取的信息數(shù)據(jù)；應(yīng)用層與最終用戶的實際需求相結(jié)合，是最終用戶與物聯(lián)網(wǎng)的交流終端，通過應(yīng)用層實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)的智能化應(yīng)用。

2 礦井供電的監(jiān)控

UPS(Uninterruptible Power Supply)即不間斷電源，是將鉛酸蓄電池與主機(jī)相連接，通過主機(jī)的鎮(zhèn)流器、逆變器等變換器將直流電轉(zhuǎn)換成交流市電的系統(tǒng)設(shè)備。它主要用于給用電設(shè)備提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時，UPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，當(dāng)市電中斷(事故停電)時，UPS在1～4ms內(nèi)通過逆變器轉(zhuǎn)換的方式，將電池的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，向用電負(fù)載繼續(xù)提供220V交流電，使用電負(fù)載可維持正常工作并保護(hù)用電負(fù)載不受損壞。UPS為井下通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)提供電力保障，在停電時能夠保證通信、監(jiān)控設(shè)備的持續(xù)運行。

礦井下環(huán)境惡劣，運維不便，對供電狀況的實時監(jiān)測非常重要。[1]招金礦業(yè)夏甸金礦自2017年開始使用物聯(lián)網(wǎng)智慧運維管理平臺監(jiān)測UPS及蓄電池，平臺向運維人員提供供電監(jiān)測、電池診斷及告警功能，在一定程度上解決了蓄電池的監(jiān)測問題。該平臺采用物聯(lián)網(wǎng)主動感知、自動分析、快速處理的技術(shù)手段，通過監(jiān)控UPS及監(jiān)測鉛酸蓄電池的狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制UPS設(shè)備。改變了長期以來對井下UPS及鉛酸蓄電池人工現(xiàn)場巡檢方式，采用了自動化、智能化、無人工干預(yù)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，將故障檢修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)檢修，使運維工作實現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)問題→分析問題→處理問題→跟蹤問題”的閉環(huán)管理方式，不放過任何事故隱患。

3 物聯(lián)網(wǎng)智慧運維管理平臺的結(jié)構(gòu)

3.1 感知層

在蓄電池上安裝蓄電池監(jiān)測模塊，實時采集蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度數(shù)據(jù)。其中蓄電池內(nèi)阻是判斷電池的重要參數(shù)之一，通過內(nèi)阻值可直接反映蓄電池的劣化程度及容量性能。通常測量內(nèi)阻有兩種方法，分別為交流注入法和直流放電法[2]。交流注入法是測量蓄電池對輸入的一定頻率的交流信號的電壓反饋，然后獲取交流信號的電流值，從而計算出蓄電池內(nèi)阻的方法，具體原理如圖1所示。交流輸入法可以在蓄電池充電、放電等任何狀態(tài)進(jìn)行內(nèi)阻測試，另外通過選擇信號頻率可以適應(yīng)不同種類的蓄電池。而直流放電法是通過對電池進(jìn)行大電流放電，測量電池瞬間壓降，然后通過計算得到電池內(nèi)阻值。直流放電法長期使用會對蓄電池造成一定損害，同時獲得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差，準(zhǔn)確程度也不如交流注入法[3]。

圖1 交流注入法原理

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

在網(wǎng)絡(luò)層，物聯(lián)網(wǎng)智能管理主機(jī)通過井下的以太網(wǎng)與云端平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。UPS主機(jī)通過RS232/RS485接口與管理主機(jī)連接，管理主機(jī)同時連接蓄電池監(jiān)測主機(jī)。

物聯(lián)網(wǎng)智能管理主機(jī)采用多片32位高速處理芯片協(xié)同工作、linux實時操作系統(tǒng)等技術(shù)開發(fā)研制的智能通訊管理主機(jī)，可以滿足多種類型通訊接口、多種協(xié)議格式的智能終端設(shè)備的應(yīng)用需求。

物聯(lián)網(wǎng)智能管理主機(jī)負(fù)責(zé)與各監(jiān)控子系統(tǒng)建立通信鏈路、管理設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接、維護(hù)智能終端設(shè)備、收集底層傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)智慧運維管理平臺，負(fù)責(zé)接收平臺的控制指令并下發(fā)給各監(jiān)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。各監(jiān)控系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)智能管理主機(jī)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)狡脚_，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控，保障質(zhì)量管理及安全運營。

3.3 應(yīng)用層

在應(yīng)用層上可實現(xiàn)對所監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過呈現(xiàn)上傳的數(shù)據(jù)達(dá)到信息共享的功能。如果將監(jiān)測的數(shù)據(jù)與用戶的信息化系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，就實現(xiàn)了工業(yè)化與信息化的融合。物聯(lián)網(wǎng)智慧運維管理平臺通過大數(shù)據(jù)的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷和算法處理，將井下UPS的實時狀態(tài)在平臺展現(xiàn)出來，同時可以診斷蓄電池的健康狀況，如發(fā)現(xiàn)落后電池及安全隱患，可在平臺上進(jìn)行告警，并可將告警信息推送到運維人員的手機(jī)上。實現(xiàn)了實時掌握井下供電狀態(tài)，及蓄電池的安全質(zhì)量管理。

4 物聯(lián)網(wǎng)智慧運維管理平臺的作用

通過實施物聯(lián)網(wǎng)智慧運維管理平臺，實現(xiàn)了以下功能：

(1)實現(xiàn)對全礦所有的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、UPS、蓄電池、蓄電池傳感器的設(shè)備管理[4]。

(2)實現(xiàn)UPS的遙測模擬量信號、遙測開關(guān)量信息、遙信基礎(chǔ)信息的采集顯示，遙控開關(guān)量相關(guān)控制(即定時開/關(guān)機(jī)、UPS測試放電、蜂鳴器開/關(guān))[5]。

(3)實現(xiàn)UPS供電職能運維，即利用UPS測試放電控制功能、蓄電池監(jiān)測功能，根據(jù)運維規(guī)范要求定期通過UPS進(jìn)行放電測試，提高蓄電池的使用壽命，同時放電過程中通過對蓄電池的監(jiān)測，及時了解蓄電池的性能，及時更換維護(hù)，提高UPS整體的供電性能。

(4)通過對UPS的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)交流輸出電壓、交流輸出電流、輸出頻率，輸出指標(biāo)，判斷UPS設(shè)備是否穩(wěn)定，是否有異常。

(5)通過監(jiān)測蓄電池的內(nèi)阻、充電電流、放電電流、充放電時間、充放電曲線，掌握電池的性能。

在效益方面，物聯(lián)網(wǎng)智慧運維管理平臺為礦井帶來以下效益：

(1)基本代替人工上站維護(hù)，降低了運行維護(hù)費用支出和工作強(qiáng)度，使運維管理更加便捷高效。

(2)通過平臺的專家診斷系統(tǒng)提高和保障了蓄電池組工作效率及安全可靠性。

(3)對系統(tǒng)在網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行了全生命周期的監(jiān)控，可做資產(chǎn)管理和大數(shù)據(jù)分析，并導(dǎo)出相關(guān)報表，利于管理及上報。

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)智慧運維管理平臺有效的提高井下供電系統(tǒng)的安全可靠性，降低人力成本及設(shè)備采購成本。對于降低事故安全隱患、保障安全、節(jié)能環(huán)保具有重要的意義，可達(dá)到“智慧礦山”的相關(guān)要求，在全行業(yè)也具有一定的推廣價值，有較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。