物联网技术在矿井开采安全方面的应用.doc

平顶山工业职业技术学院 目录一、引言2二、物联网的简介2三、物联网技术在煤矿安全中的应用33.1煤矿从业人员的安全管理33.2大型生产设备的安全管理33.3矿用物资的安全管理43.4重大灾害预警和应急救援管理4四、系统介绍44.1、系统简介44.2 系统的配置和特点54.2.1 系统的配置54.2.2 系统配置的特点64.3 系统的结构64.3.1 系统的接入方式64.4 系统实现的主要功能及特点84.4.1 系统实现的主要功能8五、结束语11物联网技术在矿井开采安全方面的应用一、引言煤炭行业在我国经济发展中占据着举足轻重的地位。虽然煤矿安全生产已取得不小进步，但是较发达国家煤矿安全生产水平还有一定差距，尤其是特大安全事故还时有发生。物联网技术的发展为解决煤矿安全问题带来了希望。物联网技术能够保证煤矿安全生产，预防事故发生，而且在事故发生后能快速、准确定位，进行应急抢救。物联网技术还为煤矿安全监督管理引入了新的理念、新的技术和新的方法。把感应器嵌入到煤矿安全监控系统中,感知煤矿“人员、机械、环境”方面的各种状态信息,将现有分散、独立、单一的网络监管平台提升为系统、开放、多元的综合网络监管平台,实现人与机械、环境等物理系统的整合,物与物、人与物的互联互动,从而保证煤矿的安全生产,实现安全监督管理中“物物互联、智能感知、物物互动、智慧处置”的设想。二、物联网的简介物联网一词最早出现在上世纪90年代末，在国际上也被称为传感网，是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网技术的核心和基础仍然是“互联网技术”，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术，其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯。它的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。物联网(Internet of Things)又称传感网，是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网是一个比Internet更为庞大的网络。物联网的核心和基础是互联网，物联网是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间进行信息交换和通信。物联网实现了“物-物通信”、“物-物联动”，使连接到物联网上的所有物品、设备能够自由地互相通信、共享信息、互通状态。三、物联网技术在煤矿安全中的应用 3.1煤矿从业人员的安全管理 人是煤矿安全生产中最主要、也是最活跃的因素，对煤矿从业人员进行有效地管理是提高煤矿安全生产的重要因素。从业人员安全管理主要是指井下作业过程中人员的安全，通过计算机识别和查询等功能， 了解人员的身份、出入状况及具体位置分布。将带有唯一编号的卡片贴在工人们的安全帽上，在下井时必须携带安全帽通过用RFID的识别功能进行系统检测，只有满足条件后才能进人相关巷道。同时还通过RFID技术对各个端口的工人进行跟踪定位，主要是井下工人们的出入和滞留信息。根据煤矿行业从业人员流动性的特点，卡片分类上分为职工卡和临时卡。职工卡用来存储长期员工的个人信息，操作员定期对员工的相关信息进行更新，并在后台数据库中进行历史数据和实时数据的查询。临时卡信息更新快，使用时间短并可重复使用，换人不换卡，因此其信息存储系统与职工卡是分开的。临时卡的使用量较大且容易破损，系统还设置相应的补卡功能，只更换卡片标签，不更换卡片中的人员信息。有实力的企业在井口处放置虹膜检测和人脸检测设备，每个下井人员在进入矿井时要经过此设备，系统自动检测人员的详细信息。并与数据库里的资料进行比对，对于数据库里没有或无资格进入矿井的人员一律不允许进入，以此来加强煤矿从业人员的安全管理。 3.2大型生产设备的安全管理 以前的煤矿大型生产设备的使用、运输和维护的过程是通过有限通信来进行定位的，这种方式无论是从技术、成本还是现场使用上均存在制约因素。现在使用物联网技术对煤矿不论是井上还是井下的生产设备配备一个标签，即给其一个独有的ID编码，在使用这些设备时通过读码器和数据接口这些代码信息发送到监控中心，不仅能够监控设备使用情况，还能通过全程跟踪来对这些设备进行管理和检测，及时发现故障，保障设备安全。 3.3矿用物资的安全管理 煤矿企业经常使用的物资有炸药、甘油和脂等，这些都是危险性很高的物品，一旦保管和使用不善，极易发生安全事故。因此，将物联网技术应用到这些矿用物资的管理上是很有必要的。在危险物资进入仓库前在其上贴上编码标签，包括危险物资的运输时间、出入库情况、使用数量等，并且在领取这些危险物资时对领取人的信息进行验证，这就杜绝了私自使用危险使用这些危险物资造成的爆炸和燃烧事故，从而有效的对矿用物资进行实时监控和跟踪，减少事故发生。 3.4重大灾害预警和应急救援管理 目前，物联网技术已在煤矿重大灾害预警和应急救援调查工作中发挥着重要作用。通过高效控制网络对煤矿里的“五大灾害”（即水、火、瓦斯、煤尘和顶板）以及机电、放炮等灾害进行预警，对矿井下的瓦斯、设备运行和温度等环境安全参数进行动态监测，并且对这些数据进行自动更新和采集，对于出现的危险因素随时随地进行预警，方便煤矿及时采取促使，尽量把损失降到最低。当一旦出现灾害时，矿井里的人员定位和环境系统能够及时的探测到受困人员信息和井下受灾情况，方便救援。 四、系统介绍4.1、系统简介计算机网络技术快速发展，网络应用在各行各业的逐步普及，煤炭生产目前逐步实现了自动化，生产效率大大提高。因于煤矿开采的特殊环境，属于高危险的行业,如何高效的对煤矿生产过程和全矿井生产安全环境进行监控、监测，并实现生产过程信息综合利用等方面的网络化、自动化和智能化则是煤炭行业发展目前要面对的问题。因此建设基于物联网技术的煤矿综合自动化系统，构架涵盖煤矿企业经营管理、安全监控、生产控制、设备监控的各个层次的矿井综合自动化监测监控信息平台工程，实现数字化矿井是当前的紧迫任务。大唐电信研发的煤矿综合自动化网络信息平台系统正是适应了当前的需求，有广泛的应用前景。4.2 系统的配置和特点4.2.1 系统的配置煤矿综合自动化系统以为用户提供综合解决方案为宗旨。综合自动化目标是实现全矿井综合自动化系统软件组态化设计，建立全矿井监测、控制、管理一体化的大型开放式分布控制系统，将煤矿的环境安全信息和设备工况信息统一在一个网络平台上，改造传统的矿井生产运行方式。系统配置图如图1所示：整个系统配有两台核心交换、若干接入交换机、采集服务器、历史归档服务器、Web服 务器、硬件防火墙等硬件设备。系统软件配置有SQL2008实时据库、WINCC组态软件、OPC通讯协议和杀毒软件等。系统采用双1000M光纤环网结构，地面1000M环网和井下1000M环网。地面1000M光纤环网可以接入：安全监控系统，35kV中央变电所，主扇通风系统、压风系统、主井提升、副井提升系统、束管监测预报、工业水处理系统，注氮、注浆、视频系统和人员定位系统等系统。井下1000M光纤环网可接入：井下皮带综保系统、井下排水、井下变电所、综采皮带系统、采煤机控制系统等各个子系统。图1 综合自动化系统网络配置图系统整体设计遵循先进性、合理性、安全性、实用性、可靠性、互联性、扩展性易于操作的原则。4.2.2 系统配置的特点整个系统配置有如下特点：1.两台核心交换机实现系统的环网冗余，整个系统自愈合时间小于300mS，有效的保证了煤矿对数据处理的高要求，保证系统的稳定性。2实时数据采集服务器将各个子系统的实时数据通过光纤环网实时采集，并存储在磁盘阵列中，以便于实时数据的监控和历史数据的查询，实现系统的事故追忆和历史数据查询。3.Web服务器据有实时数据发布功能，随时为用户提供网上信息浏览服务，用户可以通过网内IE浏览器实时的查询和访问数据。工业以太网的信息只能单向由WEB服务器向管理网发送，管理人员通过矿信息管理网上的PC终端，用IE浏览器访问工业以太网的Web服务器。4. 采用防火墙与局域网相连的高端硬件防火墙和杀毒软件确保网络的安全法用，防止非户的登录、计算机病毒的侵入及传播。5.系统采用C/S和B/S架构,数据采集系统为C/S结构。易于数据的读取，数据发布采用B/S的结构易于数据的浏览和访问。4.3 系统的结构系统分为三个网络层次：设备层、控制层及信息层 设备层：将底层设备直接联结到煤矿井下的各种控制器上，采用智能化的接口设备，降低成本，方便安装，并可实现快速故障诊断； 控制层：将I/0网络功能和对等信息传输网络结合起来，实现具有I/0控制、闭锁和报文传送，保证信息的实时性和确定性；信息层：采用Ethernet,通过TCP/IP协议，将可编程控制器、网关、人机接口和控制软件连接至企业的信息系统。4.3.1 系统的接入方式整个系统的传输网络为工业以太网，交换机为三层网络交换机，通过光纤环网与操作执行层（设备层）网络间信息交换与信息共享。根据目前设备、技术的情况和未来技术发展的方向，子系统的接入方式分为：1. OPC协议接入方式通过在管控网络单元的服务器中设计有支持OPC协议的组态软件，可直接与具有OPC服务器的现场单元系统存取数据，便可以与数据源进行通讯应用程序和现场过程控制建立桥梁，相互之间进行实时数据交换（如图2所示）。图2 OPC系统直接接入图2. 上位机实时数据库接入方式上位组态软件支持与其它的数据库系统接入的方式（如图3所示）通过简单的开发可方便地集成，包括 Microsoft SQL Server和Oracle，ODBC，DDE动态数据。图3 上位机接入图3. RS485总线转换以太网接入方式对于RS485/422和CAN总线通讯方式的设备，通过数据转换协议将实时采集数据转换为支持工业以太协议的实时数据传输给接入交换机，采集服务器对数据进行统一处理（如图4所示）。图4 RS485接入图4. 井下KJJ136接入交换机KJJ136矿用隔爆兼本安网络交换机由西安大唐电信自主研发的具有CAN/以太网信号转换模块、485/以太网接口的1000M以太网交换机（如图5所示）。图5 KJJ136接入图4.4 系统实现的主要功能及特点4.4.1 系统实现的主要功能综合自动化集成系统，利用标准软件接口采集不同系统的数据信息，进行集中处理、存储和发布，WINCC组态软件模拟生产过程，将数据以图形及表格的方式动态表现出来，实现了从设计、编程、硬件组态、测试到操作诊断和远程维护的全过程组态应用，并通过Web方式在网络上发布，使信息资源有机整合到一起，得到最大限度的利用，便于企业领导及时掌握煤矿生产情况并做出合理决策。系统有以下功能：1. 生产各子系统的集中监控自动化软件平台是基于网络和组态软件的集中监控系统，在网络数据中心可实现对网络中各个子系统的集中监控。系统具有远程启动、停止、复位和测试功能，并可进行地面远程编程、故障(保护)屏蔽及控制方式转换、振动给煤机点动操作等功能控制，平均响应时间小于10s。如图6在主扇风机集中监控系统中可以监测风机电压、频率、温度，电机的定子温度，轴承温度，功率以及风机入口静压、风机流速等参数并可以实现就地、远程自动控制。图6 风机监控系统2. 显示功能实现系统流程图画面能实时显示各胶带机、风机、提升机、泵房、变电所、工作面等相关设备及所有子系统信息状况；当被测参数超限、保护动作及设备运行状态改变后出语音、文字告警提示，扫描周期可短至1秒。如图7在变电所监控流程中可以实时监测运行参数和馈电开关的运行状态，实现远方合分闸功能，实时监测电压、电流、有功功率、无功功率等参数，可检测高、低压柜分合闸状态等参数。图7 变电所监控系统3. 故障自诊断及报表功能系统可准确判断故障类型、位置并能进行图像和语音提示以及打印输出，故障自动切换时间20秒。系统可以方便的对历史数据进行查询，便于故障原因的查寻分析和追踪，最大历史数据可以储存六个月。4.4.2系统的主要特点： 利用工业以太网形式在煤矿构建具有环网冗余技术的矿井综合自动化网络平台模式，根据我国煤矿井下采煤实际情况，选用1000Mbps工业以太网构建煤矿井下自动化控制网络平台，并采用环网冗余技术，保证信息传输的可靠性。主干传输介质采用本质安全矿用阻燃光缆，井下使用专用隔爆兼本安电源箱供电，确保网络设备的本质安全防爆