劉 衛(wèi)，蔡政安

徐州鐵礦集團有限公司，江蘇徐州 221138

0 引言

徐州鐵礦集團吳莊鐵礦是江蘇省首家物聯(lián)網(wǎng)試點單位。“物聯(lián)網(wǎng)概念”是在“互聯(lián)網(wǎng)概念”的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。

1 感知礦山基本概念與特征

“感知礦山” 通過全面感知，對井下人員（人員定位、無線通訊）、設(shè)備（綜合自動化）、環(huán)境（安全監(jiān)控）等全面感知，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全面覆蓋，同時還具有直觀形象的應(yīng)用，通過3DGIS礦區(qū)全息展示，來全面感知礦山。

礦山物聯(lián)網(wǎng)是指構(gòu)成礦山中人與人、人與物和物與物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。具體來說是包括礦工、礦井設(shè)備以及礦井環(huán)境等信息在內(nèi)的可感知互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

自動化礦井、信息化礦山、智能礦山、數(shù)字礦山、礦山綜合自動化、礦山管控一體化等都是礦山信息化的概念，而礦山物聯(lián)網(wǎng)提出“感知礦山”，是對礦山信息化所有概念提法的綜合與升華。

2 感知礦山的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

感知礦山的系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)是物聯(lián)系統(tǒng)的軀干，是支撐系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和顯示等功能；軟件系統(tǒng)是物聯(lián)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，完成數(shù)據(jù)的綜合集成、控制、處理、決策參考以及輔助的人員定位、三維GIS、設(shè)備控制、生產(chǎn)報表等功能。

1）數(shù)據(jù)采集設(shè)備層

數(shù)據(jù)采集設(shè)備層主要用于采集各類物理量、標(biāo)識、音頻、視頻數(shù)據(jù)。該層設(shè)備主要包括各種形式的傳感器、語音、視頻設(shè)備。

2）網(wǎng)絡(luò)層

實現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)功能，能夠把感知到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地進(jìn)行傳送。

3）應(yīng)用層

應(yīng)用層利用綜合視頻顯示平臺、調(diào)度電話、廣播系統(tǒng)等實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的綜合顯示、存儲和處理；

3 感知礦山硬件建設(shè)

1）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

為提高礦山生產(chǎn)能力和安全生產(chǎn)管理水平，多數(shù)礦山已安裝或即將建設(shè)多種自動化系統(tǒng)，如：提升自動化系統(tǒng)、排水自動化系統(tǒng)、皮帶運輸自動化系統(tǒng)、通風(fēng)自動化系統(tǒng)、供電自動化系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)大多是在不同階段建設(shè)，處于相互獨立的狀態(tài)，造成了很多為問題，如：

（1）通訊線路重復(fù)投資、重復(fù)建設(shè)；

（2）整體可靠性差，不利于礦井安全生產(chǎn)；

（3）各種系統(tǒng)自成體系，需要專門、獨立的值班和維護人員；

（4）各系統(tǒng)自成一體，信息不能互通，不能發(fā)揮自動化系統(tǒng)的綜合效益；

（5）系統(tǒng)維護量大，維修、維護困難。

千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)既可避免網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸，又大大節(jié)省了投資。光纖傳輸實現(xiàn)同網(wǎng)、同纜、同芯傳輸數(shù)據(jù)、音頻和視頻的業(yè)務(wù)應(yīng)用，可實現(xiàn)視頻、IP電話和數(shù)據(jù)的三網(wǎng)合一。

2）礦調(diào)度室

礦調(diào)度室是整個礦山物聯(lián)系統(tǒng)的核心，也是生產(chǎn)、管理信息匯聚的中心，在整個系統(tǒng)中有著舉足輕重的核心作用，礦調(diào)度網(wǎng)絡(luò)必須確保穩(wěn)定、可靠、安全。

礦調(diào)度室的基本功能如下：

（1）對各類數(shù)據(jù)、基本軟硬件資源的調(diào)配和管理；

（2）提供多種應(yīng)用服務(wù)，如組態(tài)、三維GIS、人員定位、考勤、汽車衡等功能。

（3）保證對各類生產(chǎn)、安全和管理數(shù)據(jù)的實時可靠的存儲、管理；

（4）確保網(wǎng)絡(luò)安全，對網(wǎng)絡(luò)訪問的安全認(rèn)證，尤其在WI-FI接入認(rèn)證、系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)資源的訪問等關(guān)鍵資源的安全認(rèn)證；

（5）通過工業(yè)電視系統(tǒng)實時顯示各監(jiān)控畫面；

（6）通過數(shù)字調(diào)度電話系統(tǒng)實現(xiàn)與井下IP電話的通信。

3）壓風(fēng)機房

系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能：

（1）控制功能：風(fēng)機的啟動、停止、反風(fēng)、風(fēng)門啟閉控制等控制功能；

（2）具備就地控制/就地集中控制/上位機控制三種工作方式，就地方式(檢修方式)時各設(shè)備由設(shè)備本身的控制按鈕操作，便于設(shè)備的檢修；就地集中方式由PLC柜完成風(fēng)機及輔助設(shè)備的協(xié)調(diào)控制；上位機控制方式時可在工控機上完成對風(fēng)機的遠(yuǎn)程控制；

（3）監(jiān)測功能：實時監(jiān)測通風(fēng)機(設(shè)備)性能參數(shù)，如：礦井負(fù)壓、流量、全/靜壓、軸功率等；

（4）實時顯示風(fēng)機運行性能曲線；

（5）實時監(jiān)測風(fēng)機配用電機的電氣參數(shù)，如：電流、電壓、功率；

（6）實時監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)：振動烈度、定子及軸承溫度；

（7）實時監(jiān)測風(fēng)門位置。

4）井下炸藥庫

井下炸藥庫主要利用溫度和壓力傳感器采集庫房的溫度，網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)簡單，通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器直接接入骨干網(wǎng)中。

泵房排水系統(tǒng)：

水泵自動控制系統(tǒng)是由六個部分組成的，分別是：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水泵自動輪換系統(tǒng)、狀態(tài)動態(tài)顯示和故障報警以及數(shù)據(jù)上傳等等，可以在保證水泵安全運行的同時又實現(xiàn)了運行自動化，系統(tǒng)的系統(tǒng)主要功能如下：

（1）PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分段運行。該程序具有結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運行速度快等特點；

（2）PLC自動檢測水位信號，計算單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，自動投入和退出水泵運行臺數(shù)，合理地調(diào)度水泵運行；

（3）系統(tǒng)根據(jù)水位和壓力控制原則，自動實現(xiàn)水泵的輪換工作；

（4）系統(tǒng)具有通訊接口功能，PLC可同時與操作屏及地面監(jiān)測監(jiān)控主機通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實現(xiàn)水泵自動監(jiān)控功能；

（5）系統(tǒng)可根據(jù)投入運行泵組的位置，自動選擇啟動射流泵，若在程序設(shè)定的時間內(nèi)達(dá)不到真空度，便有報警輸出；

（6）在操作屏上動態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運行狀況，實時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超限報警，故障點自動閃爍。具有故障記錄，支持歷史數(shù)據(jù)查詢等功能；

（7）超溫保護：水泵長期運行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護裝置及PLC 實現(xiàn)超限報警；

（8）流量保護：在水泵正常啟動或者運行后，如果出現(xiàn)流量不能達(dá)到正常值的情況，可以通過保護裝置促使本臺水泵停止運行，自動轉(zhuǎn)換為啟動另一臺水泵；

（9）電動機故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機的電氣故障，如：低電壓、漏電、過電流等等，并參與控制；

（10）電動閘閥故障：由閘閥通過檢測故障，并且能夠參與到水泵的聯(lián)鎖控制中。

系統(tǒng)控制具有3種工作的方式，包括：手動檢測工作方式、半自動工作方式以及自動方式。手動檢修方式主要在手動試車以及故障檢修時應(yīng)用，當(dāng)某臺水泵以及水泵的附屬設(shè)備發(fā)生故障時，為了不影響其他泵組的運行，出現(xiàn)故障的泵組就會自動退出運行。因為PLC柜上都設(shè)有該泵的禁止啟動按鈕，為了保證安全可靠的系統(tǒng)以及防止其他人員的失誤操作，系統(tǒng)可隨時轉(zhuǎn)換為自動和半自動工作方式運行；半自動方式，某臺或幾臺泵組都是由工作人員選擇投入的，PLC只自動完成已選泵組的監(jiān)控工作以及啟停工作；自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關(guān)信號，自動完成各泵組運行。

5）變電所

變電所主要通過溫度、電壓、電流等傳感器監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)。

6）主副井

主副井主要采用視頻監(jiān)控結(jié)合人員定位的功能來監(jiān)視主井提升設(shè)備、副井工作人員出入狀態(tài)，實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)控和考勤。

4 感知礦山軟件建設(shè)

軟件平臺是物聯(lián)系統(tǒng)的靈魂，軟件平臺負(fù)責(zé)對所有采集信息的集中接收、存儲、處理。這些海量信息主要集中在礦調(diào)度室進(jìn)行分類分析與處理。結(jié)合礦調(diào)度室網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)和設(shè)計功能要求，將軟件平臺劃分為應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)、三維GIS子系統(tǒng)和安全子系統(tǒng)四大子系統(tǒng)。其中各系統(tǒng)根據(jù)功能進(jìn)一步劃分。

4.1 視頻監(jiān)控

企業(yè)視頻監(jiān)控擬建設(shè)一套以分布式數(shù)字視頻軟件系統(tǒng)平臺和嵌入式視頻服務(wù)器設(shè)備為核心的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)工業(yè)電視系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和礦區(qū)安防視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字化、IP傳輸、高效存儲、電視墻實時監(jiān)控以及WEB訪問功能，并能與集團公司工業(yè)電視系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。具有以下功能特點：

1）圖像顯示：可通過計算機顯示器顯示視頻圖像，也可通過解碼設(shè)備在電視墻顯示；

2）多區(qū)域組合顯示：提供單畫面、4畫面、9畫面多種視頻實時顯示界面，可通過點擊編碼器名稱方便地播放圖像；

3）分布式顯示：支持多個客戶端同時查看一個監(jiān)控點的圖像；

4）支持?jǐn)z像機遠(yuǎn)程控制功能：可對權(quán)限范圍內(nèi)的攝像機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，包括鏡頭上下左右移動、鏡頭縮放、光圈調(diào)整、調(diào)焦（攝像機支持此功能）；

5）提供分布式錄像服務(wù)：可同時錄像的鏡頭數(shù)量不受單一服務(wù)器的限制；

6）站點管理：系統(tǒng)管理員實現(xiàn)站點管理，設(shè)備管理、用戶管理等各項管理，包括配置、修改、刪除等?？勺詣铀阉鞑@示設(shè)備服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、錄像服務(wù)器的信息，包括名稱、IP地址，可修改站點名稱，可刪除無效站點；

7）用戶授權(quán)訪問：提供多種用戶類型，包括管理員、超級用戶、一般用戶和瀏覽用戶，分別授予不同的權(quán)限范圍；

8）應(yīng)用接口：與其它信息系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接的能力，建立統(tǒng)一認(rèn)證系統(tǒng)。

4.2 監(jiān)測監(jiān)控

監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)主要完成泵房、風(fēng)機、井下環(huán)境監(jiān)測、配電所、主副井等各個安全監(jiān)控節(jié)點傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的集中接收、存儲和處理及反饋控制，是生產(chǎn)監(jiān)控的核心部分。主要完成以下功能：

1）泵房監(jiān)控：用組態(tài)或WEB方式實時顯示水泵的開停、轉(zhuǎn)速、溫度等傳感數(shù)據(jù)；通過控制指令控制水泵的開停；

2）風(fēng)機監(jiān)控：用組態(tài)或WEB方式實時顯示風(fēng)機的風(fēng)速、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等傳感數(shù)據(jù)，通過指令控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速；

3）井下環(huán)境監(jiān)測：用組態(tài)或WEB方式實時顯示井下巷道、工作面的環(huán)境參數(shù)；

4）配電房監(jiān)視：用組態(tài)或WEB方式實時顯示配電設(shè)施的工作參數(shù)；

5）主副井監(jiān)視：監(jiān)視主井提升設(shè)備的工作狀態(tài)，并組態(tài)顯示提升設(shè)備的工作狀態(tài)，視頻監(jiān)控設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)；通過組態(tài)顯示副井的人員定位信息、進(jìn)口的視頻圖像，結(jié)合三維GIS系統(tǒng)顯示手持移動設(shè)備的三維GIS狀態(tài)。

4.3 人員定位

人員定位功能是井下作業(yè)過程中，對人員的分布及運動進(jìn)行實時監(jiān)視的定位系統(tǒng)。設(shè)計中采用WI-FI與人員定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式，通過分布在礦井中的若干WI-FI節(jié)點和人員定位分站來定位井下人員的空間位置，結(jié)合三維GIS系統(tǒng)實時顯示井下人員、機車及傳感器的實時工作狀態(tài)。主要功能有：

1）身份識別：WI-FI節(jié)點和井下人員定位讀卡器通過讀取移動終端攜帶的身份識別卡來辨認(rèn)識別移動對象；

2）跟蹤顯示：通過三維GIS實時追蹤移動終端的位置；

3）考勤功能：能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計礦工入井、升井時間，并可按班次按部門生成日考勤、月考勤統(tǒng)計報表；

4）定位功能：對井下礦工的分布情況分區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測。實時監(jiān)測全礦井井下礦工總數(shù)，實時監(jiān)測采場工作面礦工總數(shù)，實時監(jiān)測掘進(jìn)工作面礦工總數(shù)以及井下其他區(qū)域礦工總數(shù)。根據(jù)各礦實際情況繪制井下巷道、采區(qū)圖，該圖是動態(tài)的，隨著井下人員的移動，該圖顯示的各區(qū)域人數(shù)會隨時更新。輸入任意人員的姓名或編號，可以立即以圖形方式顯示此人當(dāng)前所在區(qū)域；也可以同時輸入多個人員，以文字方式顯示這些人各自在井下的當(dāng)前位置；

5）統(tǒng)計查詢進(jìn)入特殊區(qū)域人員：對于井下的某些特殊區(qū)域，例如規(guī)定不準(zhǔn)一般人員進(jìn)入的危險區(qū)域，在行蹤保留時段內(nèi)可以隨時進(jìn)行查詢，列出進(jìn)入該區(qū)域的人員和出、入時間；

6）報警功能：對某個區(qū)域的人員數(shù)量進(jìn)行限制，如果超員則告警。當(dāng)?shù)V工進(jìn)入禁區(qū)時，系統(tǒng)會告警，提示管理人員采取相應(yīng)措施。當(dāng)?shù)V工在井下停留超出規(guī)定時間或沒有做夠規(guī)定時間，系統(tǒng)將告警并記錄。當(dāng)?shù)V工未按規(guī)定的行進(jìn)路線行走，行進(jìn)到禁行區(qū)，系統(tǒng)將告警并給予提示。

4.4 汽車衡子系統(tǒng)

汽車衡作為企業(yè)生產(chǎn)管理的重要組成部分之一，用于稱重礦石，并統(tǒng)計各種銷售信息。主要完成以下功能：

1）數(shù)據(jù)獲?。和ㄟ^接口網(wǎng)關(guān)自動取得儀表實時數(shù)據(jù)并按照要求換算及運算；

2）數(shù)據(jù)調(diào)用：稱重時自動調(diào)用車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)，如駕駛員、皮重等內(nèi)容；

3）磅單打?。合到y(tǒng)自動按權(quán)限及設(shè)置打印磅單；

4）查詢：任意方式組合查詢；

5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計：自動統(tǒng)計查詢結(jié)果的總量合計：包括毛重、皮重、凈重、單價、金額及結(jié)算重量等。

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山成功應(yīng)用后，可達(dá)到監(jiān)、管、控一體化；最大限度地實現(xiàn)“無人值守，有人巡視”，達(dá)到減員增效；信息資源充分共享化，達(dá)到安全生產(chǎn)、節(jié)能增效，為礦山安全生產(chǎn)、有效預(yù)防和及時處理各種突發(fā)事故和自然災(zāi)害，提供有效手段。

[1]古德生.對中國礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的思考(一)[J].世界采礦快報，1997(2).

[2]王建軍，楊小聰，郭利杰.礦山固體廢物充填處理技術(shù)及環(huán)境影響分析[D].2010中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集(第二卷)，2010.