基于物联网的矿井机电设备状态监测技术

张太钢

（晋能控股煤业集团晋圣公司坡底煤业 山西省晋城市 048001）

煤矿开采以地下开采为主，由于地质相对复杂且环境恶劣，很难保证井下工作者生命财产安全，致使煤矿安全面临极大威胁。为此，需强化煤矿生产安全的监控力度，尽可能降低灾害事故发生率，并在发生事故后将被困井下工作者及时抢救出来，以减少国家与煤矿企业财产的损失。但既有井下环境检测系统很难全面且及时定位检测区域，缺乏必要的扩展性。基于计算机互联网技术发展速度的加快，网络应用发展很难与人之间沟通需求相适应，依托网络的物物信息交互逐渐成为人们追求目标。物联网技术（物物相连互联网）的应用在社会发展中发挥重要作用，因而备受国内外研究关注。煤矿井下环境监测系统内引入物联网技术，可使煤矿安全生产现状得到明显改善，进而为煤矿生产及国民经济发展提供必要保障。由此可见，深入研究并分析基于物联网的矿井机电设备状态监测技术具有一定现实意义。

1 矿山物联网概述

1.1 物联网定义与结构

1.1.1 定义

目前，物联网并不具备固定定义，而公认定义则是借助智能无线传感器、RFID 技术、红外感应传感器以及GPS 全球定位系统等多种信息传感设备，根据协议要求连接互联网和普通物品（设备、产品、家具等），以实现智能化信息交换和通信，智能识别、定位并监管物品。也就是说，物联网即实现了互联网的智能化，使所有物品均被标识唯一编码，以交换、共享人和物、物和物的信息，为人们生产生活以及出行等提供极大便利。

1.1.2 结构

根据物联网特点可将其结构划分成三层，即感知层、网络层和应用层，通常可结合应用领域的差异对其做出相应调整与细化。其中，感知层类似于人体感觉器官，网络层类似于血管与神经，而应用层可比作大脑与社会分工，三层结构智能协同运作。

在感知层中，产品电子代码、射频识别以及Zigbee 技术最为常见。对于射频识别技术，其存储产品电子代码可在传感器网络的作用下识别，并将信息传递给网络层。而网络层则利用无线传感器网络与无线网络对数据进行传输，在有效融合互联网和通用分组无线业务的基础上向最高层传输数据。应用层则主要负责提供数据接口，可提供数据融合技术、分布处理技术等多项技术支持，分析并处理大量的数据信息。

1.2 矿山物联网

1.2.1 定义

矿山物联网，也被称作智能矿山，具体指的就是借助计算机技术、无线传感器网络技术、互联网技术以及通信技术等新兴技术，有效连接煤矿生产部门与管理部门，构建综合性自动监测平台，对关键机电设备（运输设备、采掘设备、排水设备与通风设备）的实际情况展开实时监测，同时亦可对井下的作业环境进行监测，对井下相关工作者进行必要跟踪与定位，对矿山物联网系统进行科学化构建，以更好地促进矿山智能化与可视化，为煤矿安全可靠运行提供必要保障。

目前，物联网被广泛应用于物流、智能家居以及医药等领域，其在煤矿开采中的应用同样具有显著意义。煤炭企业的生产系统过于复杂且作业环境特殊，在事故发生后会产生不可估量的经济损失以及人员伤亡。通过对物联网技术的运用，即可对煤矿多方面信息加以掌握，特别是井下工作环境、井下作业人员分布与定位、巷道通畅性、煤层厚度以及地面运输状况等等，为矿山生产系统安全管理工作的落实奠定坚实基础。

1.2.2 关键技术

基于矿井物联网不断发展，大部分关键技术在煤矿六大安全避险系统内得到了广泛应用，一定程度上加快了物联网发展速度。

设计矿井三维可视化监控系统中引入矿山物联网，通过对多跳无线网络的运用传输数据信息，缩减了布线费用，可保证井下网络全覆盖。将GIS 应用于井上服务器中，在对节点位置信息查询的基础上，即可准确定位井下作业人员。而将信息融合技术运用于上位机中，可进一步分析并处理信息数据。

设计煤矿井下环境监测系统过程中运用矿山物联网，借助无线传感网络对无线传感器节点加以布置，可结合井下工作环境具体需求科学设计传感器网络节点、汇聚节点与路由节点等，进而满足Zigbee 协议的运行需求。在节点内所设置的芯片可处理数据，且芯片本身具备无线通信模块功能。传感器节点亦可采集多种参数，一般含括井下环境的温湿度、煤尘、负压、烟雾和风速等，一旦浓度超出限制即报警。

设计矿井人员定位与井下无线通信系统时将RFID 技术引入其中，并将标识卡嵌入到矿工工作帽中，于井下设置无线收发智能型读卡基站，在供电方面一般会选择矿井专用的隔爆兼本安电源。矿井人员可通过短距离无线通信技术，利用智能矿用本安手机实现通信。设计电力监控系统所使用的物联网技术一般包括地理信息技术、无线传感网络技术、CAN 总线以及无线智能传感器等等。

由此证实，物联网中的关键技术在煤矿系统中的应用十分广泛，而最常见的就是信息融合技术、无线传感网络技术、射频识别技术、光纤以太网技术以及产品电子码技术等，为煤矿生产的安全性与可靠性提供了必要保障，一定程度上促进了国内物联网发展。

2 矿井机电设备状态监测设计方案

2.1 整体架构

矿井机电设备状态监测整体架构主要由感知层、传输层以及应用层组成。感知层中的物联网技术主要有无线传感器技术、Zigbee 技术以及RFID 技术；在传输层所使用的技术含括工业以太网、无线局域网和GPRS 技术等；应用层内技术包括云计算技术和信息融合技术。该系统可用于运输机电设备与井下采掘设备，同时也包括通风和地面提升等机电设备。

井下机电设备物联网通常由小型物联网（带式输送机无线传感器节点与采掘设备）、基站以及安装于巷道读卡器组成，并借助光纤向调度中心传输监控数据。而地面物联网的组成包括主井和副井绞车房，借助GPRS 实现远距离数据传输的目的，而在近距离传输中则可通过光纤通信完成。另外，通风设备可自成小规模物联网，并向调度中心汇集，以地面以太网为依据构建无线网络通信系统。在地面部分，主要由工业以太网和4G 网络组成，可向调度中心传送井下、地上物联网全部数据信息，进而构建煤矿机电设备的状态监测物联网系统。此系统以云计算平台为依托构建形成，借助云计算技术可保证数据存储与分析的实时性，同时可结合地面与井下具体状况选择无线传感网络亦或是工业以太网，在无线传输技术辅助作用下，科学汇总数据后传输。这样一来，仅利用手持移动智能设备就能够获取与设备相关的检测数据信息，一定程度上提高了在线检测工作的质量。

2.2 矿井带式输送机状态监测系统的设计

在煤矿运输中，带式运输机的作用十分重要，因作业环境相对恶劣且工作负荷较大，使设备实际运转过程中经常发生堆煤、断裂、纵向撕裂、打滑、跑偏等多种故障。结合矿井带式输送机运行原理和带式输送机监控系统问题，在设计故障监测方案中，内容如图1。

图1： 带式输送机故障监测方案

带式输送机状态监测系统基于既有工业以太网，与物联网技术相融合，构建远程在线监测系统，实现工业以太网与WSN 的有效融合。而探测器与CCD 高速工业相机在数据传输中一般选择光纤媒介，其他数据则借助无线网络实现传输目标。系统主要组成包括上位机与下位机系统，前者选择WinCC 组态软件进行设计，可分析并处理数据，同时具有界面显示功能，对指令进行控制，而后者的功能为采集和传输数据信息。

在设计下位机数据采集前段的过程中，处理模块、传感器模块、无线通信模块以及能量供应模块是组成无线传感器网络节点的主要部分，见图2。

图2： 无线传感器网络节点硬件结构图示

接收无线传感器的网络节点数据信息一般可借助巷道基站接收器完成，随后传输给工业以太网。输煤皮带会根据特定距离安装RFID 系统以及移动电子标签，通过使用读卡器即可读取移动标签所发送的无线信号，在无线网络的作用下传送给 主节点。对于数据采集前段所获取数据信息，一般可利用设备接入层与地面监测系统接入，工业网络和企业办公网络通常利用防火墙实现安全隔离目标。

3 基于物联网的矿井提升机状态监测系统设计方法

3.1 方案设计

以物联网为基础的副斜井提升机状态监测系统主要由三个模块、四层构成，见图3。

图3： 状态监测系统构成

以煤矿实际需要为依据，参考提升机常见故障以及维修记录，将开发重点集中于副井提升机，而系统设计中所需监测的参数有：

（1）在线监测电气设备（电压、电流等电量参数）；

（2）在线监测主轴系统（振动信号等）；

（3）识别滑绳量；

（4）在线监测液压系统（系统压力等）；

（5）在线监测制动系统（闸瓦间隙、制动盘偏摆量等）；

（6）故障点的捕捉与参数记忆；

（7）对主轴润滑系统润滑油流动情况进行监测，以免系统阀门关闭而使提升机运行。

在系统内主要由现场采集检测系统、远程检测以及现场监测三部分组成。将现场监控系统分别安装在段河、副斜井以及矸井处，即可对提升机运行情况进行直观观察，而基站则可借助GPRS 向矿区监测中心传输所接收的数据信息，进而向互联网上传送数据。另外，管理工作者可借助手持通讯设备进入到小型的物联网内，进而对提升机展开监测，对状态信息进行实时获取，见图4。

图4： 系统通信结构示意图

3.2 传感器型号选择

3.2.1 油压、温度传感器

副斜井提升机润滑系统的过程为：油箱→油泵→过滤器→润滑部位→多余油进入油箱。系统冲压正常范围是0.2-0.3兆帕，而提升机的制动油压最大冲压可达到6.3 兆帕。选择使用压力变送器对油泵压力进行采集，同时对油压报警的极限值进行设置，报警信号发送的条件是超过限度范围。在对PLC 数字量输入接口运用的基础上对油压报警信号进行采集。温度变送器主要对润滑油的温度进行检测，一旦温度比设定数值低就会发送报警信号。

3.2.2 提升速度传感器

编码器与深度指示器会安装于提升机电机轴，而其编码器所输出数字脉冲和主电动机转速之间呈正比例关系，目的在于提升机速度的提高，测量形成并对速度进行保护，需要实现编码器和PLC 高速脉冲输入端的有效连接。

3.2.3 电压、电流传感器

提升机的工作电压是6000VAC 高压电源，选用电压互感器（60:1）对电压进行采集，使电压下降，并借助电压变送器转变为电压信号（0-5VDC）或是电流信号（4-20mA），辅以PLC 模拟量采集模块即可采集电压。提升机电机的定子电流是33.5A，通过对电流变送器的使用可减小电流，借助电流变送器同样可利用PLC 模拟量采集模块对电流信号进行采集。

3.2.4 闸瓦间隙、偏摆量与振动传感器

闸瓦监测内容主要有闸瓦偏摆、轴瓦磨损以及轴瓦间隙，而传感器选择非接触式电涡流传感器。由于闸瓦间隙要求小于2 毫米，在限位开关使用时会将间隙限值设置成2 毫米，一旦超出限值就会发送报警信号。在监测闸瓦磨损情况中选择限位开关，并在超出限度后有报警信号输出。在监测闸盘偏摆量的时候需将电涡流传感器安装于两个闸盘一侧，对闸盘旋转状态下的跳动信息予以实时监测，闸盘偏摆量选择2 毫米电涡流传感器。在主轴振动测量中，需要将电涡流传感器探头分别安装在相同平面内的垂直方向。

3.2.5 滑绳量检测传感器

较之于缠绕式提升机，摩擦式提升机的动力传递通常在摩擦衬垫、钢丝绳间产生摩擦力的基础上可实现，所以有必要对滑绳量展开系统化监测。为监测滑绳量，一般可开展摩擦轮与天轮的对比检测。采用光电编码器对摩擦轮滚轴主轴转动速度进行测量，并对滚筒端的钢丝绳线速度进行计算。将速度编码安装于天轮转轴部位，对天轮转速加以采集，对天轮端钢丝绳的运行速度加以计算。在比较两种速度和制动速度变化趋势的基础上即可检测滑绳量。

3.3 信号采集和传输设备的型号选择

基于煤矿自动化与信息化生产的深化，无线网络技术发展速度显著加快，有线监测系统很难与煤矿监测设备需求相适应，且监测存在盲点、实际费用相对较高。为此，有必要选用无线传输形式完成监测，以解决上述问题并提高传输速率，增强系统实时性。

3.3.1 PLC 与I/O 模块型号选择

在系统设计中，PLC 型号选择 ，该型号的通信指令十分丰富，而且通信协议并不难，可靠性优势明显，同时也具有一定扩展性，可用于小型的控制系统当中。成功连接PLC与检测站的PC 后，即可对监测系统加以控制。在此基础上，在PC/PPI 电缆的辅助作用下即可满足点对点通信的需求，一定程度上提高了通信传输速率。

3.3.2 电源模块型号选择

对于可编程控制器，一般用电需采用交流电（110V/230V）亦或是直流电（24V）。而PLC 扩展模块能借助PLC 电源实现供电输出，无需单独提供电源。另外，传感器亦可经PLC 电源实现供电输出，应结合现场供电状况合理选择开关电源。

4 结束语

综上所述，矿井机电设备在煤矿行业生产过程中发挥关键性作用，但在线监测技术始终存在一定改进之处，很难与复杂工作环境相适应。为此，以物联网为基础，有效融合RFID 和WSN 等技术，可对矿井机电设备运行状态形成一定了解，进而促进煤矿产业的自动化与智能化发展。借助相应技术与矿井机电配合，亦可减少煤矿企业因事故所造成的损失，利于煤矿企业的稳定可持续发展。