物联网技术在煤矿自动化系统中的具体实现

张力

[摘 要]科技的飞速发展，进一步促进了物联网技术的发展与进步，该技术的应用领域不断扩展。在煤矿生产过程中，以往的发展模式不仅自动化程度偏低，还需要花费较高的成本，无法给煤矿企业带来更高的经济效益。基于此，本文以物联网技术为核心，构建了煤矿自动化系统，利用计算机等现代化设备确保井下煤矿生产与决策的自动化、信息化，极大地推动了煤矿企业管理的现代化发展。通过构建基于物联网的煤矿自动化系统，不仅可以大幅提高管理效率，还能有效减少人工需求，进而极大节约企业的人工成本投入，这对于提高企业经济效益具有非常积极的意义。

[关键词]物联网技术;煤矿;自动化系统

0     引 言

近年来，物联网技术的快速发展，使其在越来越多的领域中开始大放异彩，如无人驾驶汽车、智慧交通、零售行业等，使更多人认识到物联网技术的应用价值。在煤矿开采领域，煤矿企业逐步尝试将物联网技术应用于其中，以此建立以物联网技术为核心的煤矿自动化系统，并取得了非常理想的应用效果，不仅显著提高了煤矿开采效率，而且大幅提高了煤矿企业的自动化管理水平，实现了对煤矿开采作业的实时化、全天候、全方位监控。对此，本文对物联网技术在煤矿自动化系统中的具体应用进行了深入探讨与研究。

1     煤矿自动化系统的设计与结构

一直以来，我国在开采煤炭资源过程中大多通过人工实现，使开采工人的劳动强度非常大，且生产效率较低，极易发生安全事故。在20世纪80年代，煤矿开采作业开始逐步引入机械化设备，一定程度上提高了生产效率，不过相比于国外发达国家而言，在自动化水平上仍有较大差距。所以，构建自动化系统实现煤矿生产与管理，已经成为煤矿企业可持续发展的必然选择，也是提高生产率与经营效益的重要举措。

对于煤矿自动化系统来说，其构建目的在于更好地推动矿井信息化建设，以此实现对煤矿生产的科学管理、监督与控制，并将其作为整个煤矿自动化系统中的主导思想。在煤矿自动化系统中，核心在于监控，且借助物联网技术，能够将煤矿生产中的各个环节有机结合，进而形成一个高度统一的整体。在煤矿自动化系统中，系统的层级结构主要包括控制层、信息层与设备层。其中，控制层中构建了综合自动化系统，该层级能够起到控制与联系其他层级子系统的作用，且可利用接口将信息层与控制层进行高效联系。对于控制层来说，其能够利用高速以太网统一整合各个子系统，以此形成相应的工作控制网，在该网络中，各个节点均可看作是一个对应的子系统。煤矿自动化系统在运行过程中会借助文件上传、数据库共享等，以此高效整合所有子系统中的信息。在煤矿自动化系统中，信息層可以看作一个全矿级的信息管理系统。煤矿自动化系统能分别在井上与井下建立对应的网络系统，以保障数据在矿井中高效传输，使煤矿企业能够有效控制矿井的每个生产环节，并将重要信息在信息层进行交换，使煤矿企业能够对整个矿井进行一体化的管理控制。在自动化系统的设备层中，则利用现场总线方式达到各个子系统实时控制目的。在现有的矿井自动化系统中，包括3个重要的子系统构成部分，即安全监测监控、井下变电所自动化控制系统以及井下皮带运输自动化控制。

2     物联网技术在煤矿自动化系统中的具体实现

在基于物联网的煤矿自动化系统中，其借助网络确保各个子系统进行相互通信与连接。各个子系统在运行过程中产生的数据通过系统服务器进行自动采集，然后将这些采集的数据在指定的数据库中长久存储，以便于工作人员在有需要时能够随时查看这些数据或进行数据组合。另外，这些数据还可以作为绘制工作流程模拟图的重要依据。对于煤矿自动化系统来说，只有设备层、信息层以及控制层等之间加强分工配合，才能保证煤矿自动化系统高效运行。在该过程中，设备层、信息层以及控制层都需要进行必要的网络连接。系统在运行过程中，数据采集以及设备控制指令的执行都需要通过设备层实现;传输层则负责接收设备层传输的数据信息;控制层能够确保系统中的各种配套设备高效集成数据，也就是在特定平台中对所有设备相关数据进行集成，并将指令发送到设备层中;信息层则能实现对系统数据的随时调用。对于设备层、信息层以及控制层来说，其层级功能的实现还需要应用相应的网络交换机，以确保网络互联，进而使人们能够在任意一台计算机中通过访问信息化网络实时查看系统网络数据，帮助人们利用网络对煤矿安全生产与管理信息进行一体化监控，这有助于煤矿管理人员根据工作需要高效获取煤矿安全生产信息、矿井地面及下部开采环境信息，进而提高煤矿安全生产的效率，使煤矿企业具备更高的安全生产管理水平。可以说，在控制层中，煤矿自动化系统在其中占据着至关重要的地位。

3     煤矿自动化系统的具体性能

3.1   实时性

在煤矿开采时，往往要进行一系列的工作，例如，指挥调度、生产检测、设备操作等，在此过程中，这些工作需要由不同的职能部门负责，只有确保各部门做好所属的工作，并通过彼此之间高效的配合，才能确保煤矿顺利开采。这需要确保各个职能部门之间保持密切的业务联系，保证数据在各部门间进行高效的传输与共享，利用互联网进行数据处理、传输，以保证信息能够进行快速、完整地共享，从而充分发挥出信息的时效性作用。

3.2   可靠性与稳定性

对于整个系统来说，其系统网络能否可靠运行是相关企业需要重点考虑的一大因素。网络建设时一旦系统某个节点出现故障，应尽可能地避免该故障影响整个系统的运行，这需要企业合理选择系统硬件，并科学设计电路，同时重视系统的运行环境质量，以确保系统网络能够可靠运行。在具体实践过程中，为了使系统获得更高的运行效率，还要应用工业级网络交换机以及环型光纤以太网，通过光纤传输信号，以有效避免电磁对通信线路的干扰，使系统能够通过网络介质体现其运行可靠性。

3.3   便捷性

煤矿开采工作具有一定的安全风险，且在地理环境上比较特殊，在应用物联网技术设计煤矿自动化系统时，还要综合考虑系统维护保养的实际困难、现实条件等，确保通过相应措施的应用使系统的管理与维护工作变得更加方便、快捷。

3.4   成本经济性与功能适用性

对于煤矿企业来说，之所以要应用自动化系统，是为了获得更高的经济效益，所以在设计基于物联网技术的煤矿自动化系统时，还要综合分析其成本经济性以及预期效益，确保煤矿自动化系统能够在尽可能少的资金投入下，实现煤矿自动化系统的各项功能，并获得与企业预期相符的经济效益，进而实现煤矿开采目标。在选择与采购系统设备的过程中，企业需要充分考虑设备的性价比，并掌握设备供应商的商业信誉情况，了解设备在维修与护理时的所需成本。此外，还要重视煤矿自动化系统的功能适用性，根据煤矿生产的工作要求，科学应用物联网技术和计算机技术，且在设计煤矿自动化系统的过程中，还要为其预留充足的升级空间，以便于在后续工作中能够持续性改进煤矿自动化系统。

4     物联网在煤矿自动化系统中建立的网络结构

对于以物联网技术为核心的煤矿自动化系统而言，该系统的建立需要具备良好的网络运行条件，只有这样，才能保证数据在系统网络中的可靠传输与利用。在此过程中，煤炭企业需要将以太网作为整个系统的数据交换结构，以提高数据传输速度，使系统网络更加灵活，且具有故障隔离功能。在建设系统网络时，为了进行系统冗余建设，还要应用多环拓扑形式，以便于在出現通信错误时能够及时隔离。如果交换机采用工业用途的以太网，则可在故障出现后的300 ms内通过冗余环网进行自动修复，从而使网络稳定运行。在建设系统网络的过程中，煤炭企业需要通过水平结构布置光纤冗余以太网环路，这样一来，可使矿井地面和地下分别进行单环布置，然后利用机房中的交换机将两个单环相连接，在确保数据链路清晰的基础上，使整个网络保持较高的冗余度，更重要的是，能够保证线路铺设及维护的便利性。在物联网技术运用过程中，还要选择合适的终端设备，明确地面终端设备与井下终端设备的型号及数量，这直接关系到整个网络的运行效果。在完善煤矿自动化系统中的相关基础设备的基础上，还要完善网络，并配置先进的系统终端设备，只有这样，才能满足煤矿企业对煤矿自动化系统的应用要求，使其能够利用该系统全方位地监测与控制煤矿安全生产，进而使煤矿企业能够从中获得更多的经济效益。

5     结 语

物联网的快速发展，使其已经成为煤矿自动化系统中的核心技术手段，应用物联网技术，不仅能够不断提升煤矿生产与管理的自动化、信息化水平，也能节约企业对人力成本的投入。但是，煤矿企业在建设自动化系统的过程中，仍存在很多技术、成本等方面的问题急需解决，这需要煤炭企业充分应用各种现代化技术持续改进自动化系统，以确保系统的先进性，提升我国煤矿开采自动化水平。

主要参考文献

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