任文清，高小強(qiáng)，梁占澤，白茹璽

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

隨著礦井信息化、自動化、智能化水平的不斷提高，當(dāng)前煤礦井下機(jī)電設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。全球煤礦企業(yè)在不斷探索智能化開采的同時，建成了很多大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺。瑞典、芬蘭等國家在20世紀(jì)90年代就制定了無人化和智能化礦山建設(shè)規(guī)劃；美國通過研究慣導(dǎo)系統(tǒng)和自動定位技術(shù)，在煤礦智能化、大數(shù)據(jù)方面取得了很多成果；德國魯爾工業(yè)園區(qū)煤礦建成了大數(shù)據(jù)分析平臺；神東煤炭集團(tuán)公司借助區(qū)域中央自動化集中控制技術(shù)，將井下采掘、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)等生產(chǎn)系統(tǒng)和地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，并建立了數(shù)據(jù)庫，將各生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲，為礦井應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析提供可靠數(shù)據(jù)支撐[1-5]。

結(jié)合大柳塔煤礦生產(chǎn)實(shí)際，借助區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合與交互、大數(shù)據(jù)挖掘分析、綜采礦壓規(guī)律分析、各系統(tǒng)開機(jī)率、負(fù)荷率、故障率，以及各系統(tǒng)間設(shè)備的關(guān)聯(lián)控制等進(jìn)行探索與實(shí)踐，應(yīng)用效果良好。

1 大數(shù)據(jù)概念

大數(shù)據(jù)指無法在一定時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，是需要用新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)[6-7]。筆者認(rèn)為煤礦企業(yè)大數(shù)據(jù)首要任務(wù)在于將礦井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)測，結(jié)合機(jī)電設(shè)備資產(chǎn)跟蹤統(tǒng)計(jì)，形成海量數(shù)據(jù)庫，通過大量數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)規(guī)律，尋找設(shè)備存在的潛在隱患。其次，將各機(jī)電設(shè)備自動化改造后，集成至管控一體化平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)之間設(shè)備的關(guān)聯(lián)控制，從而有效提高礦井智能化生產(chǎn)水平。

2 區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)概述

區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)(LCS)是引進(jìn)德國PSI公司開發(fā)的一套自動化集中控制平臺，其特點(diǎn)是將礦井各分散的子系統(tǒng)高度集成在同一個系統(tǒng)平臺，從而實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)從采掘、運(yùn)輸、洗選加工一體化的管理模式。神東煤炭集團(tuán)五礦六井11 000臺/套設(shè)備通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集中控制、數(shù)據(jù)的集中管理和信息的合理共享[8]。具備云檢測與遠(yuǎn)程控制、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析、關(guān)聯(lián)控制、輔助決策與診斷功能和智能報(bào)警等功能，系統(tǒng)具備人機(jī)交互畫面可視化程度較高，操作靈活，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[9]。

3 大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

3.1 跨系統(tǒng)多維度數(shù)據(jù)分析

按照相關(guān)事件的處理規(guī)則、規(guī)定的數(shù)據(jù)間的聯(lián)系、觸發(fā)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析、觸發(fā)并完成突發(fā)事件的處理或給調(diào)度員提出處理建議，為安全生產(chǎn)指揮提供決策依據(jù)，提高調(diào)度執(zhí)行的效率和質(zhì)量[10]。以大柳塔煤礦白家渠主扇為例，將主通風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度、振動、電流、電壓、頻率、功率、風(fēng)量、風(fēng)壓等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)拖拽至統(tǒng)一坐標(biāo)系下分析，判斷設(shè)備運(yùn)行的健康狀況，如圖1所示。

圖1 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線分析Fig.1 Multi system data curve analysis

3.2 礦壓規(guī)律分析

關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備之間、不同系統(tǒng)之間實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，以活雞兔井12316綜采工作面為例，該工作面采用艾科夫SL1000系列采煤機(jī)，首先將采煤機(jī)數(shù)據(jù)通過先導(dǎo)通訊傳至控制臺端頭站，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接至控制臺交換機(jī)，再利用光纜經(jīng)盤區(qū)變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)傳至地面數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。如圖2所示，系統(tǒng)通過調(diào)取采煤機(jī)歷史割煤行走軌跡，確定采煤機(jī)行走至兩端頭時的準(zhǔn)確時間，然后根據(jù)記錄的時間從數(shù)據(jù)庫調(diào)取采煤機(jī)每割一刀煤的支架壓力，并形成Excel數(shù)據(jù)表格，做出專業(yè)的礦壓分析報(bào)表，最后通過微信平臺自動發(fā)送至相關(guān)管理人員及工作人員的手機(jī)上，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

圖2 12316-2工作面礦壓分析曲面Fig.2 Curved surface figure of mine pressure analysis

3.3 開機(jī)率、負(fù)荷率、故障率統(tǒng)計(jì)分析

目前，礦井電子記錄系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了礦井設(shè)備二維碼管理、設(shè)備云檢修和故障秒拍等功能，解決了以往紙質(zhì)檢修記錄在井下保存容易受潮、記錄不共享和存在造假等問題。礦井電子記錄系統(tǒng)通過提取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，每日自動形成專業(yè)報(bào)表，如生產(chǎn)日報(bào)表、設(shè)備開機(jī)率和電度及能耗報(bào)表等以企業(yè)微信的形式按時推送至相關(guān)人員手機(jī)，方便管理人員對昨日生產(chǎn)情況和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解，便于做出決策和判斷，見表1。

表1 活雞兔井設(shè)備負(fù)荷率、開機(jī)率日報(bào)Table 1 Equipment startup rate and load rate

3.4 皮帶自適應(yīng)調(diào)速控制及過載控制

自適應(yīng)調(diào)速控制：為更好地組織好各級膠帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，使每部膠帶機(jī)實(shí)現(xiàn)工作效率最大化，大柳塔煤礦活井南翼四盤區(qū)一部、二部膠帶機(jī)實(shí)現(xiàn)了基于視頻的自適應(yīng)調(diào)速。根據(jù)膠帶機(jī)瞬時煤流煤量和達(dá)到時間，結(jié)合其它影響參數(shù)自動下發(fā)命令，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)速度控制，降低皮帶控制率。以活井南翼一部膠帶為例，調(diào)速范圍為2.7～3.9 m，投用后日節(jié)約電度1 632 kW·h。同時也能降低運(yùn)輸設(shè)備損耗，提高設(shè)備有效利用率，達(dá)到煤炭生產(chǎn)“節(jié)能降耗、降本增效”的目的。

皮帶過載控制：大柳塔煤礦產(chǎn)量較大，如果井下2支綜采隊(duì)均全速生產(chǎn)時，主運(yùn)上倉膠帶機(jī)勢必因運(yùn)輸能力有限，導(dǎo)致頻繁過載壓死膠帶機(jī)。為解決此問題，本系統(tǒng)提取上倉膠帶機(jī)驅(qū)動部轉(zhuǎn)矩百分比數(shù)據(jù)，設(shè)定皮帶轉(zhuǎn)矩百分比報(bào)警值為85%，膠帶機(jī)過載值為90%。當(dāng)皮帶達(dá)到85%報(bào)警值時，通過區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，提示調(diào)度員實(shí)時監(jiān)測皮帶煤流大小；當(dāng)皮帶轉(zhuǎn)矩百分比達(dá)到90%時，通過編寫PLC程序，停止綜采順槽膠帶機(jī)，降低上倉皮帶的運(yùn)輸壓力，有效避免膠帶機(jī)過載停車現(xiàn)象，保障了主運(yùn)輸系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

3.5 梭車與給料車聯(lián)動控制

掘進(jìn)工作面因梭車工作不能保證連續(xù)上煤，導(dǎo)致給料破碎機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)空載現(xiàn)象。為解決此問題，通過對破碎機(jī)進(jìn)行自動化改造，梭車和破碎機(jī)上安裝自動控制設(shè)備和紅外感應(yīng)傳感器，實(shí)現(xiàn)了破碎機(jī)與梭車的聯(lián)動控制，取消了破碎機(jī)崗位工，達(dá)到“減員提效”目的。如圖4所示，為給料破碎機(jī)上位控制畫面，當(dāng)給料破碎機(jī)停車時自動變黃，運(yùn)行時自動變綠，故障時自動變紅，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠[11]。

圖4 給料破碎機(jī)上位控制示意Fig.4 Upper control diagram of feeding crusher

3.6 井下溫度、水處理系統(tǒng)閉環(huán)控制

各系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合后，地面生產(chǎn)輔助系統(tǒng)可與井下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行智能聯(lián)動控制。例如：熱風(fēng)爐系統(tǒng)通過監(jiān)控井下溫度變化，實(shí)時反饋到地面暖風(fēng)爐自動化系統(tǒng)，指導(dǎo)暖風(fēng)爐操作工動態(tài)調(diào)整井下熱風(fēng)的輸送量，達(dá)到地面系統(tǒng)的節(jié)能減排。污水處理系統(tǒng)可綜合井下排水?dāng)?shù)據(jù)和環(huán)保排放指標(biāo)，科學(xué)指導(dǎo)污水處理方案；監(jiān)控井下泵房上排到地面的水量、濁度及地面環(huán)保排放指標(biāo)，合理指導(dǎo)水處理系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，避免出現(xiàn)外排污水超標(biāo)，或污水處理廠處理能力不足導(dǎo)致的停產(chǎn)、限產(chǎn)等現(xiàn)象。

3.7 安全監(jiān)測應(yīng)急聯(lián)動控制

安全監(jiān)測應(yīng)急聯(lián)動控制系統(tǒng)是借助井下4G“一網(wǎng)一站”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、智能礦燈和應(yīng)急廣播系統(tǒng)之間的應(yīng)急聯(lián)動。如果井下某區(qū)域出現(xiàn)瓦斯超限、需要緊急撤人時，區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)將自動切斷動力電源，瓦斯超限區(qū)域廣播基站會發(fā)出緊急撤離信號，與此同時，周圍作業(yè)人員攜帶的智能礦燈會伴隨有報(bào)警聲，并出現(xiàn)遠(yuǎn)近光切換，提醒工作人員緊急撤離危險(xiǎn)區(qū)。調(diào)度指揮中心安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)也會發(fā)出緊急報(bào)警信號，方便調(diào)度員準(zhǔn)確判斷井下實(shí)際情況，做出正確的應(yīng)急方案[11]。

4 大數(shù)據(jù)分析存在問題及未來攻關(guān)方向

大數(shù)據(jù)分析存在問題及未來攻關(guān)方向：①煤礦信息化、自動化系統(tǒng)太多，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散監(jiān)控，缺乏完備的數(shù)字化集成系統(tǒng)，未來需要在數(shù)據(jù)集成控制領(lǐng)域進(jìn)行攻關(guān)。②煤礦企業(yè)尚未建立大容量數(shù)據(jù)庫平臺，僅有少數(shù)大型國有企業(yè)建立了煤礦數(shù)據(jù)庫。因此，要鼓勵各煤礦企業(yè)搭建各自的數(shù)據(jù)庫平臺。③煤礦企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、人員入井?dāng)?shù)據(jù)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和材料管控?cái)?shù)據(jù)的分析應(yīng)用較少，缺乏專業(yè)的數(shù)據(jù)分析平臺。④當(dāng)前煤礦缺乏對大數(shù)據(jù)分析利用的觀念，缺乏專業(yè)的信息化、自動化、軟件和數(shù)據(jù)分析人才。因此，需要引進(jìn)或培養(yǎng)大數(shù)據(jù)分析專業(yè)人才和隊(duì)伍，提升煤礦企業(yè)陳舊的思想觀念，打破保守的生產(chǎn)思維模式。

5 結(jié)論

圍繞大柳塔煤礦生產(chǎn)實(shí)際，以區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)為平臺，對礦井機(jī)電設(shè)備進(jìn)行自動化集成后的關(guān)聯(lián)控制和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，取得了良好的應(yīng)用效果。提出了煤礦企業(yè)未來大數(shù)據(jù)分析與利用存在的問題和未來攻關(guān)方向，為煤礦企業(yè)未來大數(shù)據(jù)分析與利用提供了理論依據(jù)。