煤矿信息化与智能化孙继平(中国矿业大学(北京),北京100083)
摘要:分析总结了煤矿信息化与智能化特点。提出煤矿信息化与智能化3层应用架构:监控监视与通信层、生产与安全管理层、经营管理与决策支持层。提出煤矿信息化与智能化应以减少煤矿井下作业人员,避免或减少死亡事故发生,实现煤矿安全高效生产为目的;按照“安全可靠、先进适用;易维护、可扩展;总体设计、分步实施”的原则进行;统一信息传输平台、统一接口规范、统一数据编码、统一数据库、统一信息处理平台。提出矿井监控网应通过网闸等网络安全设备与办公网络和互联网互联互通。提出矿井有线调度通信系统的电缆必须专用;严禁矿井监控系统与视频监视系统同芯;煤矿安全监控系统和有线调度通信系统等主干光缆和电缆应分设两条,从不同的井筒或同一井筒具有一定间隔的不同位置进入井下。提出图像监视系统应具有智能识别功能等。
0 引言 煤炭是我国主要能源,约占一次能源70%。2013年全国煤炭产量约37亿吨。2013年全国煤矿发生死亡事故604起,死亡1069人,百万吨死亡率0.288,事故总量、较大事故、重特大事故和百万吨死亡率均大幅下降,但仍高于美国等国家。2012年我国煤炭百万吨死亡率是美国的19倍。 我国煤矿机械化、自动化、信息化和智能化程度低,井下作业人员多,是造成百万吨死亡率高于美国等国家的主要原因之一。据统计,我国现有煤矿13158处,共有从业人员525万人,其中井下作业人员304万人。因此,通过自动化、信息化和智能化,减少煤矿井下作业人员,实现瓦斯、水、火、围岩等灾害监测与预警,实现供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等固定岗位无人值守和地面远程控制,实现采掘工作面少人作业和地面远程控制,是安全高效现代化矿井的必然选择。 1 煤矿井下的特殊性 煤矿井下环境特殊,有甲烷、一氧化碳等易燃易爆气体;有矿尘;有淋水、环境潮湿;空间狭小;电磁波传输衰减严重;电网电压波动范围大等。煤矿井下的特殊性,制约着地面自动化、信息化、智能化技术直接在煤矿井下应用。因此,需要针对煤矿井下特殊环境和特殊要求,研究煤矿用自动化、信息化与智能化技术。 (1)煤矿井下有甲烷、一氧化碳等可燃性气体和煤尘。用于煤矿井下的电气设备必须防爆。矿用监控、通信与监视等小功率设备应优选本质安全型,电缆上传输的信号必须是本质安全型信号。无线通信设备的发射功率应不大于6W,防止引爆瓦斯和电雷管。 (2)煤矿井下为受限空间,电磁波传输不同于地面,电磁波传输受巷道截面大小、截面形状、围岩介质、弯曲、分支、倾斜、支护、粗糙度、纵向导体(电缆、水管、铁轨等)、横向导体(工字钢支护等)、阻挡体(风门、机车等)等影响,电磁波传输衰减大。 (3)煤矿井下空间狭小,设备相对集中,机电设备功率大,单台设备功率达数千千瓦,煤矿井下电磁环境复杂。大功率变频设备、大功率电气设备启停、架线电机车火花等,严重影响着监控、通信和监视等设备的正常工作。 (4)采掘工作面不断推进变更,需要移动监控、通信与监视终端与之适应。煤矿井下工作场所分散且距离远,矿井无中继无线传输距离难以满足10km需求。 (5)瓦斯爆炸、顶板冒落等事故,会造成电缆断缆、设备损毁。煤矿安全监控、有线调度通信等关键系统应具有一定的抗灾变能力,减少事故的影响。 (6)煤矿井下有淋水、空气湿度大,监控、通信与监视等设备应具有较好的防尘、防水、防潮、防腐等性能,防护性能应不低于IP54。 (7)煤矿井下空间狭小。用于煤矿井下的监控、通信与监视等设备,应体积小,以减小对通风、行人和行车等影响。煤矿井下作业人员需携带矿灯、自救器等,在井下长距离行走。因此,便携式监控、通信与监视等设备,应体积小、重量轻。 (8)煤矿井下电网电压波动范围大。矿井监控、通信与监视等设备应具有较强的电源电压波动适应能力。并当电网停电后,由备用电源维持系统和设备正常工作时间应不小于2小时。2 应用架构 根据煤矿安全生产需求,煤矿信息化与智能化可分为3层:监控监视与通信层、生产与安全管理层、经营管理与决策支持层。2.1 监控监视与通信层 监控与通信层主要包括监控、通信和监视系统。 矿井监控系统包括下列子系统:煤矿安全监控、煤矿井下人员定位、煤炭产量监测、采煤工作面监控、掘进工作面监控、带式输送机监控、立井提升监控(用于立井提升)、斜井提升监控(用于斜井提升)、矿用无轨胶轮车运输监控(用于无轨胶轮车运输)、架空乘人运输监控(用于架空乘人运输)、电机车运输监控(用于电机车运输)、煤矿供电监控、矿井排水监控、压风机监控、主要通风机监控、瓦斯抽采监控(用于高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井)、矿井火灾监控、矿山压力监测与预警、水文监测等子系统。 矿井通信系统包括调度通信、移动通信、广播通信和救灾通信等子系统。 矿井监视系统包括图像监视与智能识别等子系统。2.2 生产与安全管理层 生产与安全管理层包括地测管理、生产管理、调度管理、机电管理、一通三防管理、防治水管理、安全管理(安全质量标准化、危险源、应急救援等)、采矿和机电设备选型设计、煤质管理、节能环保管理、综合分析、三维展示等子系统。2.3 经营管理与决策支持层 经营管理与决策支持层包括销售管理、物资管理、财务管理、人力资源管理、设备管理、项目管理、供应商关系管理、客户关系管理、产运销协调调度、计划与全面预算管理、绩效管理、审计管理、综合统计、科技管理、档案管理、制度管理、煤炭生产监管、安全监管、战略资源管理、行政后勤管理、党群管理、办公自动化、决策支持等子系统。3 总体要求 煤矿信息化与智能化应满足下列要求: (1)以减少煤矿井下作业人员,避免或减少死亡事故发生,实现煤矿安全高效生产为目的。实现:供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等固定岗位无人值守,地面远程控制;采掘工作面少人作业,地面远程控制;瓦斯、水、火、围岩、煤尘等灾害监测与预警。 (2)按照“安全可靠、先进适用;易维护、可扩展;总体设计、分步实施”的原则进行。 (3)统一宽带信息传输平台、统一接口规范、统一数据编码、统一数据库、统一信息处理平台。 (4)建设具有调度指挥和远程控制功能的矿调度控制中心。 (5)建设融合监控、通信、监视等多种信息的综合数据中心。 (6)装备具有远程控制和预警功能的监控系统;具有调度、移动和广播功能的通信系统;具有智能识别功能的图像监视系统等。 (7)建设有线和无线宽带传输网络。主干网络应采用具有冗余功能的千兆或千兆以上矿用以太光网络。矿井移动设备和无线接入等应优选WiFi、ZigBee、4G等技术。有线接入应优选CAN、PROFIBUS、LONWORKS、FF等工业现场总线。 (8)矿井有线调度通信系统的电缆必须专用。严禁矿井监控系统与视频监视系统同芯。煤矿安全监控系统和矿井有线调度通信系统等主干光缆和电缆应分设两条,从不同的井筒或同一井筒具有一定间隔的不同位置进入井下。系统光缆和电缆应具有防护措施;底鼓不严重的矿井,系统光缆和电缆应埋入巷道底板与巷帮夹角处。 (9)矿用交换机宜安装于井下中央变电所、机电硐室、采区变电所等便于供电的场所。核心网络交换机等设备宜放置在矿数据中心。 (10)供电电源在规定的电压波动范围内变化时,系统应能正常工作,系统性能和技术指标等应符合要求。 (11)系统应进行工作稳定性试验,通电时间不小于7 d,系统应能正常工作,系统性能和技术指标等应符合要求。系统平均无故障工作时间(MTBF)应不小于800 h。 (12)系统应满足煤矿井下电磁兼容性要求,能通过GB/T 17626.3-2006规定的、试验等级不低于1级的射频电磁场辐射抗扰度试验,系统应能正常工作。系统应能通过GB/T 17626.4-2008规定的、试验等级不低于1级的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验,系统应能正常工作。系统应能通过GB/T 17626.5-2008规定的、试验等级不低于1级的浪涌(冲击)抗扰度试验,系统应能正常工作。设备应可靠接地。 (13)系统中用于煤矿井下的设备应为防爆型电气设备,在电缆和光缆上传输的信号必须是本质安全型信号。防爆电气设备应优选本质安全型。便携式仪器设备应为本质安全型防爆电气设备。用于煤矿井下的设备应取得煤矿安全标志准用证和防爆合格证。4 传输网络 煤矿应建设有线和无线宽带传输网络,满足监控、通信、监视、管理等需求和下列要求: (1)矿井有线宽带传输网络应满足传输带宽宽、便于无线接入、传输距离远、抗故障能力强、可靠性高、标准化、安全性好、电源电压波动适应能力强、防护性能好等要求。煤矿井下有线传输网络应采用双树或双环冗余结构;采用具有冗余功能的基于无源光网络或基于有源光网络的矿用以太网。 (2)矿井无线宽带传输网络应满足传输带宽宽、便于接入有线宽带网络、中继设备少、设备体积小、发射功率小(不大于6w)、电磁兼容好、标准化、安全性好、防护性能好,工作稳定、性能可靠、故障率低等要求。 (3)办公网络与工业控制网络应能互联互通,并采用网闸等网络安全设备隔离。当办公网络接入互联网时应配备路由器、防火墙等网络安全设备以保证网络安全。 (4)关键设备应具有冗余功能,核心业务服务器应热备份冗余。 (5)具备VPN联接功能。核心交换机应支持虚拟局域网VLAN功能。 (6)具有网络流量监测与控制、掉电保护、故障诊断、故障报警、电源管理等网管功能。5 矿井无线传输 矿用无线电系统及设备应优先选用工业、科学及医疗设备频段和业余频段;若与地面业务一致或相近时,宜选用与地面一致或相近的频段;严禁使用广播、电视、射电天文、安全救助、无线电导航等频率。 矿井图像监视等宽带无线传输宜采用WIFI、4G等技术。 矿井语音移动通信宜选用4G、WIFI等技术。 煤矿井下人员、胶轮车、电机车等动目标精确定位,煤矿物联网,矿用设备管理和防碰撞等宜选用RFID、ZigBee和WIFI等技术。 煤矿井下应急通信和救灾通信宜选用WIFI等技术。6 数据中心与调度控制中心6.1 数据中心 煤矿应建立融合监控、通信、监视等多种信息的综合数据中心,且一矿只建一个。宜采用服务器虚拟架构和统一的数据库。核心业务服务器应热备份冗余。核心交换机应采用三层及以上交换机,具有身份认证、授权、加密等机制,具备时间日志、数据备份和病毒防护等功能。6.2 调度控制中心 煤矿应建设具有调度指挥和远程控制功能的矿井调度控制中心,并满足下列要求: (1)具有矿井安全、生产、运销等信息显示、报警、记录和调度等功能。 (2)具有采煤、掘进、供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等远程控制功能。 (3)具有生产计划/调度数据的分级录入和报表自动生成、调度指令下达、信息反馈等功能。 (4)具有安全、生产、运销等报警和对应作业现场工业电视画面联动显示功能。 (5)具有设备的故障诊断与提示功能。 (6)具有应急救援指挥功能。 (7)具有专家辅助决策功能。7 监控 煤矿应装备矿井监控系统,系统及设备应满足下列要求: (1)系统传输距离应不小于10Km;电网停电后,备用电源应能保持系统连续工作时间不小于2h。 (2)矿井监控主干网络应采用具有冗余功能的千兆或千兆以上矿用以太光网络。 (3)矿井移动监控和无线接入等宜采用WiFi、ZigBee、4G等技术。 (4)矿井监控有线接入宜采用CAN、PROFIBUS、LONWORKS、FF等工业现场总线接口。 (5)监控系统软件应采用组态软件,宜选用国际先进主流的组态软件,宜具有GIS功能。 (6)矿井监控网络应通过网闸等网络隔离设备与其他网络互通互联。8 通信与监视 煤矿必须装备矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统和矿井广播通信系统,宜装备全矿井综合通信系统。矿山救护队应装备矿井救灾通信系统。严禁用矿井移动通信系统和矿用IP电话通信系统替代矿用有线调度通信系统。用于煤矿井下的电话必须是矿用本质安全型防爆电话。 煤矿应装备图像监视系统。系统应采用光缆和(或)无线传输。无线传输宜采用WIFI或4G。系统宜具有图像智能识别功能。9 小结 煤矿信息化与智能化,应针对煤矿特点,以减少煤矿井下作业人员,避免或减少死亡事故发生,实现煤矿安全高效生产为目的;按照“安全可靠、先进适用;易维护、可扩展;总体设计、分步实施”的原则;统一信息传输平台、统一接口规范、统一数据编码、统一数据库、统一信息处理平台;建设具有调度指挥和远程控制功能的矿调度控制中心;建设融合监控、通信、监视等多种信息的综合数据中心;建设监控监视与通信系统、生产与安全管理系统、经营管理与决策支持系统等。本文全文发表在《煤炭科学技术》:孙继平. 煤矿信息化与智能化要求与关键技术[J].煤炭科学技术,2014,42(9):22-25.