以物联网为基础的煤矿安全协同管控系统研究

张倩倩

（潞安集团常村煤矿洗煤厂，山西长治 046102）

0 引言

随着国家煤炭行业的不断发展，国家对其安全生产的重视程度越来越高，不断加大对煤炭行业技术装备的创新研发力度，尤其是在推广“六大系统”方面，使得煤炭行业的安全隐患大大降低，安全事故和死亡人数的发生概率也逐年降低。然而，煤矿作业过程中的死亡总数还是处于较高水平，煤矿作业中的事故安全形势仍然处于较为严峻的态势[1]。

如今，通常而言有关煤矿安全生产的监控系统的模式架构往往包括现场设备层、应用层以及传输层3 层。其中，现场设备层包括各种传感器（CH、硫化氢、一氧化碳、粉尘、温度、电压、位移、压力等等）控制机构组成，分站（人员、电力、安全监控、顶板等）或PLC 实现对相应的模拟信号与数字信号的实时采集，根据系统特定业务目的完成就地监视与控制；应用层通过不同的应用软件采用私有协议与相应的设备进行数据的实时采集、分析、交叉控制和远程控制，不同系统间的数据融合通过应用层软件实现；传输层主要基于“工业以太环网+现场总线+无线覆盖”模式，构建全矿井信息公共传输通道。该类型的模式在一定阶段中能够保障煤矿的安全生产，并为其提供基础技术支持。随着安全生产自动化的不断发展和信息化水平的不断提高，煤矿开采作业对安全生产环境、生产过程的管控模式都有较大的改善，现有的模式无法满足煤矿现场应用需求。因此，将物联网技术引入到煤矿安全监测监控及自动化领域，通过对矿山感知、传输、数据融合分析等技术及装备的研发和应用，可以高效提升开采、煤矿安全的技术，具有十分重要的现实意义。

1 系统网络架构设计

图1 系统网络构架情况图

在物联网背景下的煤矿安全管控系统网络架构平台共分为3 层，其中包括管控层、链路层和设备层，如图1所示。其中，设备层是保证系统进行安全生产的监控层以及执行层，发挥对动作进行控制的具体的执行作用和采集现场信息作用，开发各功耗低、具备智能化特性的传感器以及移动终端。借助有线的万兆工业环网或无线网络接口，所有的监测监控子系统数据将汇总进入链路层，链路层包括3大环路网络，为设备层数据提供高效率、强稳定性、井然有序的通道进行数据传输，并把数据传输至管控层当中[2]。管控层借助云计算数据中心数据融合以及分配业务，通过调度大屏和控制中心屏幕把矿井全方位、立体化地呈现出来，可以充分确保对采矿安全生产进行信息化以及智能化的全方位管理。

2 协同控制系统技术及装备

2.1 低功耗传感器设计

终端传感器的低功耗设计是确保系统多节点、数字化优势得以发挥的基础。因此，选择先进的低功耗处理技术。传感器低功耗设计主要遵循以下思路。

2.1.1 硬件设计思路

（1）低功耗检测元件选型及应用研究。选用功耗较低的物理量检测元件，从检测原理更新、加工工艺改进等2 个方面优选一氧化碳、氧气温度、风速、烟雾、锚杆（索）应力、围岩、钻孔应力、顶底板移近量、跑偏、速度、堆煤、振动等传感器检测元件，并进行相关测试及应用研究。

（2）整机低功耗研究。传感器设计时，每个电子元器件都优选漏电流小的低功耗器件，采用低功耗的单片机作为主控智能核心，特别是电源电压转换芯片，需要采用高效芯片，从而有效降低整机功耗。

（3）传感器低功耗工作机制的电路设计[3]。主板采用动态显示电路，一般情况下无数据显示节省功耗；元件电路等重要功能电路单元都配有单独的供电控制，由单片机根据工作机制合理控制各功能电路单元的上电与断电，有效降低传感器整体功耗。

（4）传感器故障自诊断硬件电路设计思路。考虑到电路板关键电子元件的故障特性，在电路设计时对主板中多个LDO 芯片输出电压信号进行实时状态跟踪，然后通过软件程序算法实现电压欠压、过压等异常现象的自诊断[4]。

2.1.2 软件设计思路

（1）传感器低功耗工作机制。结合传感器低功耗工作机制的电路设计，根据不同检测元件的工作特性，由程序软件控制各种检测元件上电工作占空比的机制，在保证传感器正常工作、有效监控的基础上，降低检测元件的平均功耗。

（2）传感器故障自诊断。通过大量实验，得到LDO 失效、元件断丝等各类硬件故障测试点的经验阈值，在程序中对各故障测试点的电压值进行周期性判断，得出故障结论。

（3）传感器数据交互。在传感器程序中设置备用节点，当传感器监测数据异常时，通过网络侦听技术及主动呼叫机制确定备用节点数据变化趋势是否一致，来提升监测数据真实性，避免误报。

2.2 区域协同控制器

为了监控所有采矿工作范围内的环境参数、工人分布、运作设备等情况进行实时掌控，将对区域协同控制器借助嵌入式芯片进行处理，从而对煤矿生产当中容易产生的不稳定情况及时处理。矿井下的环境参数发生异常情况的时候，比如：矿井内瓦斯含量突然升高到预警的水平时，系统会通过发出一定的警示以提醒相关的生产工作人员来采煤速度进行降低，或者通风设备进行一定的控制，使得供风量提高，发出终端报警，如果矿井下安全参数持续上升，监控系统会及时通过调度室发出警报，并禁止一切工作人员进入矿井[5]。

区域协同控制器有效连接着终端与地面设备，能够发挥的主要功能包括传输、控制、采集，具体如下所示。

（1）信息数据融合的功能，通过采集安全系统相关监测的数据来监控数据，拥有标准数据进出接口。

（2）数据存储的功能，可以对信息进行设置和存储，与此同时，还能提供对异常数据进行自动处理。

（3）数据处理的功能。具备逻辑编辑及处理的功能，根据用户的真实个性化需求，运行简单容易操作的逻辑功能进行编辑。除此之外，还能在离线状态中实现对已编辑好的逻辑进行自动运行。

（4）按需配置的功能。结合具体的实际情况，能够实现把光口或者电口配置、总线类型、电流采样和频率等配置到相应的硬件需求当中，实现按需配置。

（5）系统智能化的管理功能。智能化管理备用电池的电量、设备连接的状态以及运行的参数。

3 协同管控平台设计

3.1 数据融合模式

传感器数据融合通过利用多个传感器信息，依据传感器布点规则及风流方向与环境甲烷变换间的关系，从而实现监测数据的交互校验与趋势预判。在一些要求高可靠性的监测点，也可以同时挂接2台同类传感器，从而实现最准确的交互校验和趋势判断。如工作面上隅角设置的甲烷传感器与工作面设置的甲烷传感器数据变化趋势具有高度的一致性，可以通过将相关的2个传感器互相设置为备用传感器，当主或备传感器监测数据异常时，通过网络侦听技术及主动呼叫机制确定关联节点数据变化趋势是否一致，通过数据交互算法确定监测数据异常的有效性，以提高监测数据的可靠性，减少误报。如果确实发生瓦斯浓度异常升高等重大险情，主、备传感器报警，并主动呼叫分站和断电控制器，实现协同控制，对采掘电气设备执行断电操作，井下工作人员紧急疏散升井，切实保障工人和煤矿生命财产安全。传感器数据交互及协同控制软件流程图如图2所示。

图2 传感器数据交互及协同控制软件流程图

3.2 协同控制策略

通过协同控制策略实现各子系统的信息共享，使得原来各个独立的系统转变为整体的无缝连接大型系统。煤矿主要系统的协同控制关系如图3 所示。从图中可以看出，瓦斯灾害预警系统、电网监控系统参与各个生产环节的协同控制[6]。

图3 主要系统的协同控制关系

建立各个生产环节的协同控制策略，是为了让系统能够有效地进行协调合作，实现安全生产。具体控制策略如下。

（1）作业矿井下CO 或者瓦斯含量超过警示线，就需要停掉作业区内的一切机电设备，通过广播系统来通知作业工人进行撤退，同时点亮指示牌便于指引作业人员撤退路线；使用人员定位方式，组织通知人员撤退；打开监控随时观察情况，启动应急预案。

（2）煤矿中所有的大型机电设备在开始投入使用前，都首先需要对煤矿的环境进行环境参数（如瓦斯、CO、温度等）判断，是否符合开机要求，才能开机运行，当参数不符合时，则不能开机运行。

（3）结合涌水量、水位和电价，制造主排水系统水泵或者用水系统水泵的基础是避峰填谷[7]。

（4）压风机启用的数量主要取决于井下的设备对风量的需求。

（5）电网停电，造成通风机局部停止运作的情况，按照实时监测瓦斯、CO、风速变化的原则，符合作业人员撤离条件的，必须按照规定撤离。

（6）结合煤矿井下的风量需求，对机电设备进行通风系统调节,并打开视频观察系统，对每个煤矿作业区域的通风情况进行实时监控观察。

（7）一切重要的机电设备，比如架空人车、绞车、胶带、压风机、水泵等设备机电出现故障的时候，可以通过视频观察进行监控。

（8）对各个机电设备的运行状况进行实时数据分析，根据机电设备的状况提示内容，用户对设备需要进行何种类型操作进行提示，例如是否需要修护、是否需要保养等。

（9）胶带系统依照煤量调节的带式输送机的速度，同时通过煤量的产量计算自行调节采煤机切割煤矿的进度，从而预防带式输送机过度使用而产生机械故障。

综合利用已有研发基础，结合本项目研发了系列环境参数、设备工况、目标跟踪定位、生产过程控制与个人便携装备相关的传感设备，实现了人员位置、设备的工作状况、环境的参数等稳定可靠性进行动态的感知。具体如下。

（1）传感设备具备对身份进行识别、对趋势进行判断以及对状态进行自检等智能化的功能，具有功耗低、可靠性强的特点，可以对矿山发生的灾害发出预警报。

（2）对于各机械设备和传感设备有多数据、多维度预知能力，满足传感设备对机电设备的运作状况和故障报修。

（3）采用统一协议的无线和总线数据将传感设备接入技术组网，各类工作人员穿戴传感设备、环境监测的传感设备、机电故障诊断的传感设备、定位传感的设备等在传感层可以完成数据的交互，达到迅速感应和处理作业工人作业环境周围的安全状况，形成主动式安全保障。

（4）采用6LowPan 建立轻量级IPV6 协议，并搭配计算方式MHC（基于最小跳数路由协议），同时创建以智能路由IPV6 的战略支撑，解决了设备入网及获取海量传感器地址的问题[8]。

4 结束语

由于煤矿井下面的环境十分复杂，当中的各类因素相互制约着煤矿井下的信息化发展。但是，可以通过创建高产量高效率矿井，提高矿井的信息化和智能化方式，让矿井信息化能够更加深入地为安全生产服务，同时让煤矿开采从粗放式的发展向高效、绿色、安全的环保式科学开采发展，从而形成智慧矿山。以物联网的煤矿安全管理系统，紧紧围绕着矿山物联网构架、标准与规范、传感控制设备的低功耗与高稳定性、信号覆盖与多制式通信适配、信息分层实时融合与控制。在建设中，有效结合传感器数据和智能化的深入使用，通过大数据和云计算的发展应用，让环境中能够达到“环境、机电、人员”的数据能充分高效地分析利用、协同控制、全面感知和融合共享，从而全方位地提高矿井综合管理水平和安全生产保障。