張倩倩

（潞安集團常村煤礦洗煤廠，山西長治 046102）

0 引言

隨著國家煤炭行業(yè)的不斷發(fā)展，國家對其安全生產(chǎn)的重視程度越來越高，不斷加大對煤炭行業(yè)技術(shù)裝備的創(chuàng)新研發(fā)力度，尤其是在推廣“六大系統(tǒng)”方面，使得煤炭行業(yè)的安全隱患大大降低，安全事故和死亡人數(shù)的發(fā)生概率也逐年降低。然而，煤礦作業(yè)過程中的死亡總數(shù)還是處于較高水平，煤礦作業(yè)中的事故安全形勢仍然處于較為嚴(yán)峻的態(tài)勢[1]。

如今，通常而言有關(guān)煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)的模式架構(gòu)往往包括現(xiàn)場設(shè)備層、應(yīng)用層以及傳輸層3 層。其中，現(xiàn)場設(shè)備層包括各種傳感器（CH、硫化氫、一氧化碳、粉塵、溫度、電壓、位移、壓力等等）控制機構(gòu)組成，分站（人員、電力、安全監(jiān)控、頂板等）或PLC 實現(xiàn)對相應(yīng)的模擬信號與數(shù)字信號的實時采集，根據(jù)系統(tǒng)特定業(yè)務(wù)目的完成就地監(jiān)視與控制；應(yīng)用層通過不同的應(yīng)用軟件采用私有協(xié)議與相應(yīng)的設(shè)備進行數(shù)據(jù)的實時采集、分析、交叉控制和遠程控制，不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合通過應(yīng)用層軟件實現(xiàn)；傳輸層主要基于“工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場總線+無線覆蓋”模式，構(gòu)建全礦井信息公共傳輸通道。該類型的模式在一定階段中能夠保障煤礦的安全生產(chǎn)，并為其提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。隨著安全生產(chǎn)自動化的不斷發(fā)展和信息化水平的不斷提高，煤礦開采作業(yè)對安全生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)過程的管控模式都有較大的改善，現(xiàn)有的模式無法滿足煤礦現(xiàn)場應(yīng)用需求。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控及自動化領(lǐng)域，通過對礦山感知、傳輸、數(shù)據(jù)融合分析等技術(shù)及裝備的研發(fā)和應(yīng)用，可以高效提升開采、煤礦安全的技術(shù)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架情況圖

在物聯(lián)網(wǎng)背景下的煤礦安全管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺共分為3 層，其中包括管控層、鏈路層和設(shè)備層，如圖1所示。其中，設(shè)備層是保證系統(tǒng)進行安全生產(chǎn)的監(jiān)控層以及執(zhí)行層，發(fā)揮對動作進行控制的具體的執(zhí)行作用和采集現(xiàn)場信息作用，開發(fā)各功耗低、具備智能化特性的傳感器以及移動終端。借助有線的萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)接口，所有的監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)數(shù)據(jù)將匯總進入鏈路層，鏈路層包括3大環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，為設(shè)備層數(shù)據(jù)提供高效率、強穩(wěn)定性、井然有序的通道進行數(shù)據(jù)傳輸，并把數(shù)據(jù)傳輸至管控層當(dāng)中[2]。管控層借助云計算數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)融合以及分配業(yè)務(wù)，通過調(diào)度大屏和控制中心屏幕把礦井全方位、立體化地呈現(xiàn)出來，可以充分確保對采礦安全生產(chǎn)進行信息化以及智能化的全方位管理。

2 協(xié)同控制系統(tǒng)技術(shù)及裝備

2.1 低功耗傳感器設(shè)計

終端傳感器的低功耗設(shè)計是確保系統(tǒng)多節(jié)點、數(shù)字化優(yōu)勢得以發(fā)揮的基礎(chǔ)。因此，選擇先進的低功耗處理技術(shù)。傳感器低功耗設(shè)計主要遵循以下思路。

2.1.1 硬件設(shè)計思路

（1）低功耗檢測元件選型及應(yīng)用研究。選用功耗較低的物理量檢測元件，從檢測原理更新、加工工藝改進等2 個方面優(yōu)選一氧化碳、氧氣溫度、風(fēng)速、煙霧、錨桿（索）應(yīng)力、圍巖、鉆孔應(yīng)力、頂?shù)装逡平?、跑偏、速度、堆煤、振動等傳感器檢測元件，并進行相關(guān)測試及應(yīng)用研究。

（2）整機低功耗研究。傳感器設(shè)計時，每個電子元器件都優(yōu)選漏電流小的低功耗器件，采用低功耗的單片機作為主控智能核心，特別是電源電壓轉(zhuǎn)換芯片，需要采用高效芯片，從而有效降低整機功耗。

（3）傳感器低功耗工作機制的電路設(shè)計[3]。主板采用動態(tài)顯示電路，一般情況下無數(shù)據(jù)顯示節(jié)省功耗；元件電路等重要功能電路單元都配有單獨的供電控制，由單片機根據(jù)工作機制合理控制各功能電路單元的上電與斷電，有效降低傳感器整體功耗。

（4）傳感器故障自診斷硬件電路設(shè)計思路?？紤]到電路板關(guān)鍵電子元件的故障特性，在電路設(shè)計時對主板中多個LDO 芯片輸出電壓信號進行實時狀態(tài)跟蹤，然后通過軟件程序算法實現(xiàn)電壓欠壓、過壓等異?，F(xiàn)象的自診斷[4]。

2.1.2 軟件設(shè)計思路

（1）傳感器低功耗工作機制。結(jié)合傳感器低功耗工作機制的電路設(shè)計，根據(jù)不同檢測元件的工作特性，由程序軟件控制各種檢測元件上電工作占空比的機制，在保證傳感器正常工作、有效監(jiān)控的基礎(chǔ)上，降低檢測元件的平均功耗。

（2）傳感器故障自診斷。通過大量實驗，得到LDO 失效、元件斷絲等各類硬件故障測試點的經(jīng)驗閾值，在程序中對各故障測試點的電壓值進行周期性判斷，得出故障結(jié)論。

（3）傳感器數(shù)據(jù)交互。在傳感器程序中設(shè)置備用節(jié)點，當(dāng)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，通過網(wǎng)絡(luò)偵聽技術(shù)及主動呼叫機制確定備用節(jié)點數(shù)據(jù)變化趨勢是否一致，來提升監(jiān)測數(shù)據(jù)真實性，避免誤報。

2.2 區(qū)域協(xié)同控制器

為了監(jiān)控所有采礦工作范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、工人分布、運作設(shè)備等情況進行實時掌控，將對區(qū)域協(xié)同控制器借助嵌入式芯片進行處理，從而對煤礦生產(chǎn)當(dāng)中容易產(chǎn)生的不穩(wěn)定情況及時處理。礦井下的環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常情況的時候，比如：礦井內(nèi)瓦斯含量突然升高到預(yù)警的水平時，系統(tǒng)會通過發(fā)出一定的警示以提醒相關(guān)的生產(chǎn)工作人員來采煤速度進行降低，或者通風(fēng)設(shè)備進行一定的控制，使得供風(fēng)量提高，發(fā)出終端報警，如果礦井下安全參數(shù)持續(xù)上升，監(jiān)控系統(tǒng)會及時通過調(diào)度室發(fā)出警報，并禁止一切工作人員進入礦井[5]。

區(qū)域協(xié)同控制器有效連接著終端與地面設(shè)備，能夠發(fā)揮的主要功能包括傳輸、控制、采集，具體如下所示。

（1）信息數(shù)據(jù)融合的功能，通過采集安全系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)測的數(shù)據(jù)來監(jiān)控數(shù)據(jù)，擁有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進出接口。

（2）數(shù)據(jù)存儲的功能，可以對信息進行設(shè)置和存儲，與此同時，還能提供對異常數(shù)據(jù)進行自動處理。

（3）數(shù)據(jù)處理的功能。具備邏輯編輯及處理的功能，根據(jù)用戶的真實個性化需求，運行簡單容易操作的邏輯功能進行編輯。除此之外，還能在離線狀態(tài)中實現(xiàn)對已編輯好的邏輯進行自動運行。

（4）按需配置的功能。結(jié)合具體的實際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)把光口或者電口配置、總線類型、電流采樣和頻率等配置到相應(yīng)的硬件需求當(dāng)中，實現(xiàn)按需配置。

（5）系統(tǒng)智能化的管理功能。智能化管理備用電池的電量、設(shè)備連接的狀態(tài)以及運行的參數(shù)。

3 協(xié)同管控平臺設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)融合模式

傳感器數(shù)據(jù)融合通過利用多個傳感器信息，依據(jù)傳感器布點規(guī)則及風(fēng)流方向與環(huán)境甲烷變換間的關(guān)系，從而實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的交互校驗與趨勢預(yù)判。在一些要求高可靠性的監(jiān)測點，也可以同時掛接2臺同類傳感器，從而實現(xiàn)最準(zhǔn)確的交互校驗和趨勢判斷。如工作面上隅角設(shè)置的甲烷傳感器與工作面設(shè)置的甲烷傳感器數(shù)據(jù)變化趨勢具有高度的一致性，可以通過將相關(guān)的2個傳感器互相設(shè)置為備用傳感器，當(dāng)主或備傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，通過網(wǎng)絡(luò)偵聽技術(shù)及主動呼叫機制確定關(guān)聯(lián)節(jié)點數(shù)據(jù)變化趨勢是否一致，通過數(shù)據(jù)交互算法確定監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的有效性，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，減少誤報。如果確實發(fā)生瓦斯?jié)舛犬惓Ｉ叩戎卮箅U情，主、備傳感器報警，并主動呼叫分站和斷電控制器，實現(xiàn)協(xié)同控制，對采掘電氣設(shè)備執(zhí)行斷電操作，井下工作人員緊急疏散升井，切實保障工人和煤礦生命財產(chǎn)安全。傳感器數(shù)據(jù)交互及協(xié)同控制軟件流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)交互及協(xié)同控制軟件流程圖

3.2 協(xié)同控制策略

通過協(xié)同控制策略實現(xiàn)各子系統(tǒng)的信息共享，使得原來各個獨立的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎w的無縫連接大型系統(tǒng)。煤礦主要系統(tǒng)的協(xié)同控制關(guān)系如圖3 所示。從圖中可以看出，瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)參與各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的協(xié)同控制[6]。

圖3 主要系統(tǒng)的協(xié)同控制關(guān)系

建立各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的協(xié)同控制策略，是為了讓系統(tǒng)能夠有效地進行協(xié)調(diào)合作，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。具體控制策略如下。

（1）作業(yè)礦井下CO 或者瓦斯含量超過警示線，就需要停掉作業(yè)區(qū)內(nèi)的一切機電設(shè)備，通過廣播系統(tǒng)來通知作業(yè)工人進行撤退，同時點亮指示牌便于指引作業(yè)人員撤退路線；使用人員定位方式，組織通知人員撤退；打開監(jiān)控隨時觀察情況，啟動應(yīng)急預(yù)案。

（2）煤礦中所有的大型機電設(shè)備在開始投入使用前，都首先需要對煤礦的環(huán)境進行環(huán)境參數(shù)（如瓦斯、CO、溫度等）判斷，是否符合開機要求，才能開機運行，當(dāng)參數(shù)不符合時，則不能開機運行。

（3）結(jié)合涌水量、水位和電價，制造主排水系統(tǒng)水泵或者用水系統(tǒng)水泵的基礎(chǔ)是避峰填谷[7]。

（4）壓風(fēng)機啟用的數(shù)量主要取決于井下的設(shè)備對風(fēng)量的需求。

（5）電網(wǎng)停電，造成通風(fēng)機局部停止運作的情況，按照實時監(jiān)測瓦斯、CO、風(fēng)速變化的原則，符合作業(yè)人員撤離條件的，必須按照規(guī)定撤離。

（6）結(jié)合煤礦井下的風(fēng)量需求，對機電設(shè)備進行通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié),并打開視頻觀察系統(tǒng)，對每個煤礦作業(yè)區(qū)域的通風(fēng)情況進行實時監(jiān)控觀察。

（7）一切重要的機電設(shè)備，比如架空人車、絞車、膠帶、壓風(fēng)機、水泵等設(shè)備機電出現(xiàn)故障的時候，可以通過視頻觀察進行監(jiān)控。

（8）對各個機電設(shè)備的運行狀況進行實時數(shù)據(jù)分析，根據(jù)機電設(shè)備的狀況提示內(nèi)容，用戶對設(shè)備需要進行何種類型操作進行提示，例如是否需要修護、是否需要保養(yǎng)等。

（9）膠帶系統(tǒng)依照煤量調(diào)節(jié)的帶式輸送機的速度，同時通過煤量的產(chǎn)量計算自行調(diào)節(jié)采煤機切割煤礦的進度，從而預(yù)防帶式輸送機過度使用而產(chǎn)生機械故障。

綜合利用已有研發(fā)基礎(chǔ)，結(jié)合本項目研發(fā)了系列環(huán)境參數(shù)、設(shè)備工況、目標(biāo)跟蹤定位、生產(chǎn)過程控制與個人便攜裝備相關(guān)的傳感設(shè)備，實現(xiàn)了人員位置、設(shè)備的工作狀況、環(huán)境的參數(shù)等穩(wěn)定可靠性進行動態(tài)的感知。具體如下。

（1）傳感設(shè)備具備對身份進行識別、對趨勢進行判斷以及對狀態(tài)進行自檢等智能化的功能，具有功耗低、可靠性強的特點，可以對礦山發(fā)生的災(zāi)害發(fā)出預(yù)警報。

（2）對于各機械設(shè)備和傳感設(shè)備有多數(shù)據(jù)、多維度預(yù)知能力，滿足傳感設(shè)備對機電設(shè)備的運作狀況和故障報修。

（3）采用統(tǒng)一協(xié)議的無線和總線數(shù)據(jù)將傳感設(shè)備接入技術(shù)組網(wǎng)，各類工作人員穿戴傳感設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測的傳感設(shè)備、機電故障診斷的傳感設(shè)備、定位傳感的設(shè)備等在傳感層可以完成數(shù)據(jù)的交互，達到迅速感應(yīng)和處理作業(yè)工人作業(yè)環(huán)境周圍的安全狀況，形成主動式安全保障。

（4）采用6LowPan 建立輕量級IPV6 協(xié)議，并搭配計算方式MHC（基于最小跳數(shù)路由協(xié)議），同時創(chuàng)建以智能路由IPV6 的戰(zhàn)略支撐，解決了設(shè)備入網(wǎng)及獲取海量傳感器地址的問題[8]。

4 結(jié)束語

由于煤礦井下面的環(huán)境十分復(fù)雜，當(dāng)中的各類因素相互制約著煤礦井下的信息化發(fā)展。但是，可以通過創(chuàng)建高產(chǎn)量高效率礦井，提高礦井的信息化和智能化方式，讓礦井信息化能夠更加深入地為安全生產(chǎn)服務(wù)，同時讓煤礦開采從粗放式的發(fā)展向高效、綠色、安全的環(huán)保式科學(xué)開采發(fā)展，從而形成智慧礦山。以物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全管理系統(tǒng)，緊緊圍繞著礦山物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、傳感控制設(shè)備的低功耗與高穩(wěn)定性、信號覆蓋與多制式通信適配、信息分層實時融合與控制。在建設(shè)中，有效結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和智能化的深入使用，通過大數(shù)據(jù)和云計算的發(fā)展應(yīng)用，讓環(huán)境中能夠達到“環(huán)境、機電、人員”的數(shù)據(jù)能充分高效地分析利用、協(xié)同控制、全面感知和融合共享，從而全方位地提高礦井綜合管理水平和安全生產(chǎn)保障。