基于GIS的煤矿井下风水管路智能监控系统应用与研究

杨尊胜，张先春

（山东里能鲁西矿业有限公司，山东 济宁 272053）

1 当前系统现状

目前，国内大多数矿井针对井下作业区域的供水、供风管路的资源消耗监测缺乏有效监管手段，由此造成地面压风系统及供水系统资源供给不足或浪费的情况，不能实现能源的低碳、环保和高效利用。主要存在如下问题：

1.1 缺乏针对煤矿井下作业区域的资源消耗的成套装置

目前，国内煤矿监测井下用风、用水的监测系统只能按照全矿井或大区域统计，不能细化到工作面，工作面区域的风、水资源消耗存在统计盲区，由于缺乏监管手段，资源存在很大程度的浪费，同时也加重污水处理和排放的任务。

1.2 缺乏精细化管理模式

随着自动化、信息化技术的快速发展，精细化管理逐渐受到煤矿企业重视，生产型企业对能源消耗和效率尤其关注，利用先进技术实现能耗分析及趋势预测，动态优化生产设备工艺，是生产企业精细化管理的重要组成部分。

1.3 环境保护、绿色开采

水资源是不可再生资源，随着全世界对环保要求越来越高，煤矿企业自身要从生产用水做起，提高资源使用效率，节能减排、绿色开采。

2 项目建设的必要性

建设煤矿井下风水管路监控系统，建立风、水能耗分析及预警模型，对数据深入挖掘分析，实现系统与地面压风、供水系统的有效联动，平衡作业区域的风、水管路压力，减少资源浪费，最终指导企业的精益生产。利用大数据技术采集分析各区域的用水、用风量，针对资源消耗高峰、低峰分别联动压风、供水系统采用不同的预置供给方案，实现资源的最优利用，减少能源消耗，提高智慧矿山整体管控水平。效能评估模型可以定期对影响煤矿风、水供应的各类因素和影响时间进行分析评估，指导管理人员对经常影响生产的环节加强管理；分析矿井生产过程中风、水能耗消耗与产量的关联信息，指导管理人员对生产各环节进行优化控制，节约能耗。

3 建设方案

鲁西煤矿基于GIS的煤矿井下风水管路智能监控系统是利用煤矿专用GIS、软硬件开发、网络通信、大数据分析等技术实现对煤矿作业区域的风、水管路的实时流量、累计流量、压力、温度等参数的在线监测；并根据井下控制器内的预置工艺和参数实现对闸阀等设备的就地和远程操控，实现对管道开闭的自动控制及流量调节等功能；系统利用大数据技术对煤矿各作业区域的风、水、电等能耗数据的统计分析，实现对各作业区域的能耗管理和预测预警功能；系统利用GIS技术实现对系统控制器、电源、传感器、执行机构等设备的在线监控和业务流程组态，同时提供丰富的GIS图形功能，如设备位置导航、监测信息展示、能耗热力图、能耗趋势分析等。（1）梳理煤矿井下作业区域需要监控的风、水管路，针对不同规格的管路选型不同型号的流量、压力、温度等传感器和电磁阀；（2）开发矿用防爆控制器，采集选型传感器和执行部件的参数及状态，并能够通过预置参数控制电磁阀的开闭；控制器设计就地和远控两种控制模式，互为闭锁条件；控制器设计RS485和以太网两种通讯方式，物理通讯接口提供双绞线、电话线、网口三种方式，利用DSL技术实现复杂环境下无法敷设通讯光缆的问题。控制器连接到井下工业环网交换机，实现与地面系统的双向交互；控制器设置控制面板和人机交互屏幕，实现就地监测、参数调整及控制功能；控制器支持端口扩展，可以接入其他类型的传感器和执行部件。（3）开发地面监控系统，利用煤矿专业GIS平台开发监控系统，实现设备管理、控制器参数设置、设备位置GIS图形导航、工艺组态、在线监测和控制、热力图分布、能耗统计分析、趋势预测预警等功能，系统提供大数据分析服务，按照时间、空间等多维度分析能源消耗，最终通过优化后的结论动态调整控制器参数，实现对煤矿井下风、水等能源的低碳、环保和高效利用。（4）系统与地面压风系统、供水系统融合联动，通过作业区域风路及水路的压力、流量等监测值动态调整自动化系统的压风机开停机及压力参数设定，优化井下作业区域的风、水供应方案，实现节能降耗功能。

4 系统建设方案步骤

鲁西煤矿基于GIS的煤矿井下风水管路智能监控系统方案规划及建设步骤如下。

4.1 煤矿井下风水管路监控系统传感器选型方法

鲁西矿井下作业区域的管路特点，按照管路的规格选配不同型号和规格的传感器（流量、温度、压力）及执行部件（防爆型电磁阀）等设备。

4.2 控制器的设计方法

控制器的设计需要结合现场的生产实际条件和使用方法，优先选择节能环保、轻便易安装、免维护的设计方式，可在矿用隔爆兼本安型和矿用本安型两种防爆形式上做最优选择。控制器的通讯方式设计结合煤矿井下动态变化的特点，采用DSL电话线通讯方式即满足数据传输带宽，又避免了重新敷设通讯线缆、光缆和熔接的工作量，是本课题的创新点之一，多种通讯接口的设计可适应煤矿井下复杂的应用环境，提供系统的实用性和易用性。

图1 控制器设计原理图

4.3 GIS监控平台的设计方法

基于GIS的监控平台采用煤矿专用GIS平台，利用其GIS功能实现设备精准布置和管理、位置导航、状态监测、工艺组态、热力图展示等功能，GIS空间分析技术提供用户更加方便快捷的定位和分析功能，能够更加直观的展示系统运行状况，GIS融合组态的研究方法是本系统的重要研究内容和创新点之一。

所述基于GIS的监控平台包括四个层次（系统层、驱动层、数据层、应用层），如图2所示。

图2 系统架构设计图

4.4 智能联动业务设计

系统能够与矿井自动化系统的压风系统、供水系统业务通过OPC接口联动，联动的内容有：（1）当作业区域水压低于正常用水压力时，系统弹出报警伴随井下控制器报警显示系统压力低，同时通过OPC接口调节供水系统泵站参数，加大该区域泵站供水压力以满足作业区域的供水压力达标。（2）当作业区域水压高于正常用水压力时，系统弹出报警伴随井下控制器报警显示系统压力超限，同时通过OPC接口调节供水系统泵站参数，减小该区域泵站供水压力以满足作业区域的供水压力达标。（3）当作业区域风压低于正常用风压力时，系统弹出报警伴随井下控制器报警显示系统压力低，同时通过OPC接口调节压风系统泵站参数，加大该区域供风压力以满足作业区域的供风达标。（4）当作业区域风压高于正常用风压力时，系统弹出报警伴随井下控制器报警显示系统压力超限，同时通过OPC接口调节压风系统泵站参数，减小该区域泵站供风压力以满足作业区域的供风达标。（5）系统收集各作业面管路的风、水使用时间、累计流量、使用频度等监测数据，按照时间和地域维度统计使用频度、开机效率、能源利用率、能耗热力图、能耗趋势分析、运行参数自动调整等功能。（6）利用大数据分析技术实现对煤矿井下作业区域的能耗分析和动态优化，通过优化后的结论动态调整控制器参数，实现对煤矿井下风水等能源的低碳、环保和高效利用。

5 取得的效益

5.1 安全效益

（1）整套系统的操作简单，无高压、高温设备，运行安全可靠。（2）整套系统按照无人值守设计，操作简单，无高压、高温设备，运行安全可靠。

5.2 经济效益

基于GIS的煤矿井下风水管路智能监控系统，利用大数据分析实现已有风水管道能耗数据的异构调用、优化重组，为管理层在企业的战略规划和决策制定提供依据，及时响应环保节能预警及低碳高效需求，并与集团五大共享平台无缝对接，提高数据共享性，实现对煤矿井下作业区域风水管道的节能优化，有效减少非计划供应造成的损失，加强风水管路在实际生产过程中的监控，为产业结构调整的顺利转型打造智能化的共享平台；利用系统的资源进行一系列的大数据分析，帮助企业更好地利用设备全生命周期服务，深入挖掘市场需求，准确制定生产和管理策略。系统有较大经济效益和推广应用价值。