物联网技术提升煤矿机械生产企业运营水平的探索

赵铁军

（中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400）

1 概况

在“双碳”的大背景下，节能增效、低碳赋能是当代企业的主题，利用新兴的物联网技术对企业日常运营中的能耗实施监测、管控，及时发现运行异常、浪费现象和设备维护问题，节能增效、减少设备故障率、保障安全生产运行时间，提高企业生产运营水平。

物联网技术是发展数字经济的重要支撑，正在推动经济社会迎来前所未有的发展机遇，在推动产业转型升级、促进节能减排等方面发挥着重要作用，助力企业向着实现高质量发展、高效率治理的目标不断迈进。

2 物联网技术在工矿企业中的应用

物联网具有互联化、自动化、感知化等特性，它是基于互联网等传统信息承载体，通过传感设备，实施监控、采集、信息交互，实现物与物、物与人的互联互通的平台。

工矿企业根据RS-485总线工业标准约定，通过智能仪表和传感器采集所需信息，可以把用能设备设施与网络连接，实现泛在感知、信息传输和智能处理。企业有关人员可远程通过PC端或手机端实时获取与权限匹配的生产运行状态及数据。

3 公司物联网能耗监测系统简介

3.1 系统实施规划

公司占地63.8万m2，生产车间19个，生产过程中主要消耗水、电、氧气这3类能源。

由于不同的车间能耗各有侧重，公司存在监测点分布广、覆盖面大、工序分级层次多等实际问题。经多方论证，考虑分2期实施，第一期涵盖15个单位60个监测点，如10kV开闭站、各车间的一、二级计量点。第二期对未纳入监测的部分予以补充；对于已经纳入的部门，着重完善重点耗能设备的监测。

3.2 系统网络搭建

能耗监测物联网主要分3层。感知层是由各种仪表和传感器组成，作用是获取现场数据；传输层由监控终端采集器和开关量采集单元组成，作用是转换数据模式，处理及传输数据；统计计算层由主站服务器、大屏幕组成，统计分析数据、展示计算结果，方便做出决策，见图1。

图1 物联网能源监测系统图

3.2.1 具备RS-485总线标准的各类仪表、传感器

智能水表：提供精准的用水信息，显示瞬间流量和累计流量。智能电表：提供精准的电量信息，实时传输电量数据。智能氧气表：采用涡街原理，抗震性能好，无零点漂移，方便联网。

小电流接地选线装置：具有实时数据分析装置自动选线功能，滤除干扰信号，选线正确率100%。

水浸传感器：水浸情况发生时自动报警，选用长寿命、高可靠性，长时间浸泡也不会发生电泳极化的传感器；

烟感报警器：通过监测烟雾的浓度来防范火灾，选用光电传感模式的烟雾探测装置。

3.2.2 开关量采集单元

开关量采集单元是专为配电、工业自动化现场等领域开发设计，具有遥信功能，用于将传感器产生的信号转换成便于通讯传输和识别的信号。在本系统里将水浸、烟感传感器产生的有源或无源开关量信号接收，再转换为统一的RS485通讯数字信号。

3.2.3 监控终端采集器

监控终端采集器是终端设备与系统平台间的数据交互桥梁，是网络主站与智能水、电、氧气表及传感器之间的通讯接口设备，具备数据采集、规约转换、边缘计算、数据上传等功能。

主要功能有：

（1）数据采集。支持串口、以太网，智能配置、兼容标准电力规约的各类仪表。

（2）数据上传。具有多平台上传的能力。

（3）边缘计算。灵活的报警阈值设置、本地数据存储、主动上传报警信息、数据合并计算、断点续传、数据加密。

（4）开放的路由网络方式，根据实际情况，传输方式可选择4G或5G。

（5）远程管理。远程配置、远程升级、远程监视。

（6）将一个区域内所有通讯数据汇总后，实时上传主站系统，它具有多个下行通讯接口及1个或多个上行网络接口，例如，针对热镀中心区域内6块智能电表的数据汇总，上传主站。

3.2.4 系统工程实施及网络上传设计

智能电表、水表、氧气表通过RVSP2*1.0线缆手拉手相连引至区域内的监控终端采集器。要注意的是线缆屏蔽层要做接地处理，这样可以起到较好的抗干扰作用。

不具备智能性质的烟感报警器、水浸探测器，首先要与开关量采集单元相连，然后开关量采集单元再通过RVSP2*1.0线缆与监控终端采集器相连。

监控终端采集器可选择4G、5G或有线网络的方式，将数据传输至系统平台。用户可根据自身需求选择合适的通讯方式，将性价比和可拓展性贯穿在项目设计当中。在终端监控的仪表和传感器数量还不多，以及还没有实时视频数据传输要求时，采用有线或4G网络，降低成本。

随着终端监控数量的增多，采集内容、频次的增加，将会有海量数据的产生，甚至未来有可能使用巡检机器人来承担一部分监测工作，数据种类趋向多样性，包括数据信息、视频监控、安全信息等，数据的实时性要求高时，采用5G网络，它的大带宽、低延时、海量数据传输速率高，并配合边缘计算的功能，可有效解决4G网络所带来的瓶颈问题。

4 物联网管理系统

4.1 系统组成

物联网管理系统具有2层网络结构，首层是由具有电力监控功能的物联网断路器组成，它集用电数据采集及传输于一体；第二层是由PC或手机监控终端组成，用于查看设备状态和发送调控指令，见图2。

图2 物联网安全用电管理系统图

4.2 具有电力监控功能的物联网断路器

物联网断路器在正常电路条件下能够连接互联网，可以接通、承载以及分断电流，也能在规定的非正常电路条件（例如短路）下接通、承载一定时间和分断电流的机械开关电器。由断路器主体模块、通讯传输模块、电源模块组成。

在传统断路器基础上增加了电压、电流、电量、开关状态、电弧、三相不平衡、线路温度及漏电情况的实时监测功能和手自一体控制管理，具备全电量采集和参数阀值设定功能，可实现异常数据预警、报警机制，把电气安全事故扼杀在萌芽之中。

管理者可通过电脑或手机遥控断路器的开断，用物联网管理软件来实现集中和分区域的电能供给管理。

断路器主体模块：主体模块包含有电机、齿轮和过电流检测电路板。当主回路出现过电流时，安装于断路器内的电流互感器二次侧输出信号至过电流检测电路板，过电流检测电路板判断电流值超过预设动作阈值时，输出信号驱动电机使断路器脱扣，实现长延时过流保护。

通讯传输模块：支持双向互联网通讯，支持NBIOT/2G/4G/Zigbee/485通讯方式，支持有线以太网通讯，具有100M网口（RJ45)，无线WiFi功能，内置2.4GWiFi功能，自带热点，支持向下串口通讯功能、数据计算分析存储功能。

电源模块：AC110～260V（超宽电压工作范围），输出电压：DC12V。

4.3 节能管控应用

本着先探索，获取经验，稳步推进的原则，物联网管理系统首先应用在了公司路灯照明管理上。

公司有200余盏路灯分布在厂区各地、覆盖区域大。原路灯设计采用定时器控制，每隔一段时间就需要人为调整开关灯时间，维护管理工作量较大。管理人员不能随着天黑天亮时间变化而实时调整开启关闭时间，这样有可能造成早开灯晚关灯的现象，从而产生能源的浪费，无法做到精细化管理。

加装物联网安全用电控制管理后，根据日出日落自然规律，四季日照差别和企业实际运营状况，通过网络统一下发开关灯时间，实时优化路灯控制策略，在满足路灯照明的前提下，远程精细化控制开关灯时间，节约了电能。

4.4 电气安全应用

实现对重点回路、设备用电的实时监测、阀值设定、电气故障及故障类型的预警、报警。让电力维护人员清晰了解用电异常信息、精确定位异常用电回路，便于快速解决用电故障，有针对性的进行线路改造和优化。

目前公司路灯系统开启方式为时控器定时控制接触器吸合方式，缺乏保护手段，当预埋线路老化，发生漏电、短路或者电缆发热等安全隐患时，无法第一时间发现，这样就需要安排专职人员定时巡检。尤其是雨雪天气时易发生线路漏电，人员途经路灯杆附近时，容易造成漏电伤人事故。

安装物联网安全用电管理系统后，可对路灯运行进行实时监控，当用电线路发热、过载、过欠压漏电等故障时通过平台或App实时将预警、报警信息推送给管理人员进行合理处置，最大程度预防电气线路着火和人员触电事故发生，也可实时远程脱扣管理，定时开关及经纬度开关灯，实现用电的智慧化管理，同时运行管理人员无需现场巡视即可实时观察路灯运行状态及电气安全分析，预防电气故障发生，减少财产损失，减少人员巡检、维护管理费用。

4.5 智能运维应用

目前公司的3#、4#泵站所在位置为厂区外围，其作用是生产用水供给，处于无人值守状态，因此当用电回路发生故障时不能及时察觉，只有等生产现场反馈无水后才能知晓，这样会对生产造成很大的影响。

安装物联网管理系统后通过PC端或者手机App实时监测供电电源、循环水泵的运行情况，同时当供电线路存在用电安全隐患时可提前预警，避免造成设备损坏，减少维护成本。同时，所有设备的用电量实现以年、月、日为单位的数据统计分析、查询及导出表格，便于管理人员掌握设备同比、环比的能耗变化，进行针对性的运维管理。

5 思考

大数据时代，数字化运营改变着企业的传统运营模式。一方面企业利用物联网技术获取生产生活中的大量实时数据，另一方面这些数据通过多维度的统计、对比、分析，对企业本身的顶层设计、经营管理带来更高的价值。

6 结语

物联网技术是企业数字化经营的基础，这是一个不断优化和迭代的过程，随着技术的进步，将会有更多的企业运营要素被纳入监测、管控范围。

物联网发展的燎原之势，为高质量发展赋能助力，生产制造企业紧跟物联网技术发展动态，将物联网技术应用到生产制造过程中，让物联网技术成为企业转型升级发展的新动力，坚持创新驱动发展，共建物联网生态系统，实现互联网技术与智能制造的深度融合，为经济高质量发展提供内生动力。