基于Hadoop架构的芦沟煤矿综采自动化系统研究与设计

贾艳丽魏宏鹏赵丹阳

(1.南阳理工学院,河南省南阳市,473004; 2.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司芦沟煤矿,河南省新密市,452373; 3.内蒙古北方重型汽车股份有限公司,内蒙古包头市,014030)

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基于Hadoop架构的芦沟煤矿综采自动化系统研究与设计

贾艳丽1魏宏鹏2赵丹阳3

(1.南阳理工学院,河南省南阳市,473004; 2.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司芦沟煤矿,河南省新密市,452373; 3.内蒙古北方重型汽车股份有限公司,内蒙古包头市,014030)

为了提高综采各设备间协同工作的能力,提出了基于Hadoop架构的分布式综采系统的设计思路,详细介绍了该综采系统的系统架构和功能实现,同时结合芦沟煤矿的实际情况,设计了该综采系统的网络结构。

芦沟煤矿 Hadoop架构 综采自动化系统 无线传感器网络

1 引言

随着我国“两化融合”的不断推进,综采自动化系统被越来越多的煤矿所采用,与传统的采煤方式相比,综采自动化系统不但提高了生产效率,同时也大大地减少了安全生产事故的发生。由于各个煤矿的综采自动化系统在功能和工作流程上存在较大差异,部分煤矿在综采自动化系统的应用、维护和升级等方面也面临着一些新的问题。

芦沟煤矿是郑州煤炭工业(集团)有限责任公司骨干生产矿井之一,近几年随着信息技术的快速发展,芦沟煤矿引入了基于C/S架构的综采自动化控制系统,在运行一段时间后,发现该系统存在以下几个方面的问题:

(1)该综采自动化系统严重依赖中心服务器,一旦中心服务器出现故障,则会影响到整个综采系统的正常协同工作。由于系统采用了传统的C/S架构,导致中心服务器频繁的与各综采终端设备进行数据交换,这不但增加了网络负载,也大大增加了中心服务器的数据计算存储负担,从而加大了中心服务器出现不稳定运转的风险。

(2)该综采自动化系统采用传统的总线控制系统,增加了系统升级和扩展的难度,尤其是当中心服务器不能满足当前计算存储需求时,煤矿需要花费大量资金重新购置新的中心服务器,不仅增加了设备成本,而且在升级中心服务器时也影响到了煤矿的生产。

(3)获取综采设备工作状态的最佳手段是通过传感器设备实时获取综采设备的工作数据,由于该综采自动化系统缺少对传感器设备的支持,所以导致无法实时获取综采设备的工作状态数据。

因此,为了提高芦沟煤矿综采设备间的协同工作能力,最大程度地发挥现有综采设备的效能,充分利用现有的信息化设备和成熟的信息化技术,研究设计了一套集智能检测、协同作业和远程控制等功能于一体的基于Hadoop架构的芦沟煤矿综采自动化系统。该系统能够实现对各综采设备的远程控制与无缝衔接,在提升生产效率的同时,也降低了采煤工作面工人的安全风险。

2 综采自动化系统设计

2.1 系统架构

本综采自动化系统由分布式计算中心、监控调度中心和井下控制系统组成,该系统总体架构如图1所示。

图1 分布式综采自动化系统总体架构示意图

2.1.1 分布式计算中心

分布式计算中心可由多台低端的服务器或计算机构成,通过在这些机器上部署基于Hadoop的分布式软件系统,使其成为一个强大的计算和存储阵列,为整个综采自动化系统提供复杂的计算和大数据存储。Hadoop作为一个分布式系统的基础架构,能将多台低端的服务器或计算机整合成一个强大的计算存储集群,从而在不影响综采自动化系统整体响应能力的同时,为芦沟煤矿的信息化建设节约部署成本。与传统的专用服务器相比,该中心还有易于扩展的优势,在计算能力遇到瓶颈时,只需要在该中心添加相应的计算机节点即可。当其中的某一个计算机节点出现故障,也不会影响到分布式计算中心对整个综采自动化系统的服务质量,比传统单一服务器配置具有较高的稳定性和可靠性。该计算中心接收来自监控控制中心和各个井下控制系统发来的计算请求,并反馈计算结果。

2.1.2 监控调度中心

监控调度中心是芦沟煤矿分布式综采自动化系统的决策者,负责从整体上将各井下控制系统发送的监控信息和分布式计算中心发布的计算结果展现出来,接收来自工作人员的控制指令,对指令解析后将指令发送给井下控制系统。通过监控调度中心,工作人员可以实时了解井下各个综采工作面的情况和综采设备的工作状态。

2.1.3 井下控制系统

井下控制系统的网络结构分为两部分,一部分是作为控制网络的工业以太网络,该部分网络采用环形网络拓扑结构,由于井下工作环境恶劣,环形网络拓扑结构在网络中某一节点出现故障时,仍然能够保证其他节点的正常通信需求,从而增加了网络的稳定性;另一部分是实时获取综采工作面环境参数和综采设备工作状态参数的无线传感器网络,通过在井下各综采设备和综采工作面部署无线传感器,使其组成无线传感器网络,并通过无线网关将各传感器采集到的数据发送到地面监控控制中心和分布式计算中心。井下控制系统的工作示意图如图2所示。

图2 井下控制系统工作示意图

3 综采自动化系统实现的功能

3.1 分布式计算中心实现的功能

分布式计算中心一方面负责接收来自各个井下控制系统发送的综采工作面环境参数信息和设备运行状态信息,并与给定的标准数据进行对比,如果发现当前的环境参数或者设备状态信息不在给定的标准数据范围内,则向监控调度中心发送警告信息;另一方面对监控调度中心发送的指令信息进行校验,如果发现指令与常规的操作流程不符,则向监控调度中心发送警告询问信息,在得到监控调度中心确认后才能使该指令往下进行,否则取消该指令,这样有利于避免由于人为疏忽而引起的误操作。

借助分布式系统强大的存储计算能力,芦沟煤矿可将一些规范化的流程操作存储到分布式计算中心,分布式计算中心以这些流程为标准,对来自监控调度中心的每一条指令进行校验,当发现与标准流程不符的指令时,则暂停该指令的转发操作,并向监控调度中心确认该指令是否需要强制执行。同时,分布式计算中心也存储了综采设备的标准工作参数和各种情况下综采工作面的标准环境参数,对各井下控制系统发来的实时数据进行校验,一旦发现异常,则向监控调度中心发送报警信息,并搜索相应的预案,如发现有系统中存储有处理此类事件的预案,则按照预案执行相应的流程,否则等待监控调度中心的指令。分布式计算中心还可以根据存储的各类综采设备的维修检测信息自动计算设备的检修时间,并按要求在检修日期来临前向监控调度中心发送提示信息。

3.2 监控调度中心实现的功能

监控调度中心一方面实时接收来自各个井下控制系统所采集的工作面环境信息和设备运行状态信息,并将这些信息以图表的形式展现出来,同时接收来分布式计算中心发来的各类告警信息;另一方面负责向各综采设备发送相应的指令信息,这些指令信息首先要通过分布式计算中心的校验,防止因为人为疏忽而导致的误操作。

监控调度中心支持条件指令,即当发现井下控制系统所采集到的数据满足某一条件时,可自动触发某一指定指令,该指令依然需要通过分布式计算中心的校验,以防止意外事故的发生。相关工作人员可在监控调度中心编辑标准工作流程、各类综采设备的标准工作参数指标和维修检测信息以及各类综采工作面的标准环境参数等信息,并将这些信息存储到分布式计算中心。

3.3 井下控制系统实现的功能

井下控制系统由矿压监测控制单元、采煤机监测控制单元、刮板输送机监测单元、供配液监测控制单元、供电监控单元以及气敏监控报警单元6个部分组成,各个部分分别实现不同的功能。

3.3.1 矿压监测控制单元

矿压监测控制单元能够实现工作面矿压监测、巷道矿压监测以及对自移式液压支架的远程遥控等功能。通过在自移式液压支架上安装相应的传感器,实现对工作面矿压、支架工况以及支护质量监测,通过压力传感器实时采集工作面支架的前后立柱的工作阻力,位移传感器实时采集支架立柱伸缩量,倾角传感器实时采集支架顶梁倾角,通过这些实时数据可实时掌握顶板压力的变化情况,并准确预测顶板初次来压及周期来压,从而采取有效防范措施,减少和消除顶板压力给安全生产所带来的不利影响。与此同时,也可以及时发现损坏或不能正常工作的支架,还能够检查支架操作的初撑力是否符合要求,以检查和保证工作面的支护质量。巷道矿压监测可通过使用锚杆拉力传感器对巷道支护质量进行实时监测,还可实现多截面多点监测。各类无线矿压检测传感器通过无线传感器网络将采集到的数据实时传输到地面分布式计算中心和监控调度中心,并通过工业以太网络和现场总线控制网络接收来自监控调度中心的指令,从而实现自移式液压支架的远程控制。

3.3.2 采煤机监测控制单元

采煤机监测控制单元通过电流负荷传感器和开关量传感器实时获取采煤机工作状态,防止采煤机发生超负荷运转的情况;通过倾角传感器来实时获取采煤臂的俯仰角度,从而实现对采煤机的精准控制,提高采煤效率;通过位移传感器实时获取采煤机的位置信息;通过温度传感器和压力传感器实时采集冷却水的温度和压力;通过在采煤机的危险工作区域安装人体接近传感器来实现对人体的识别,一旦发现有人在这些危险区域,则不能开机或者马上停止运转,以防止安全事故的发生。传感器采集到的数据通过无线网络传感器实时传输给地面分布式计算中心和监控调度中心,并通过工业以太网络和现场总线控制网络接收来自监控调度中心的指令。

3.3.3 刮板输送机监测单元

刮板输送机监测单元通过电流负荷传感器和开关量传感器实时获取刮板输送机工作状态,防止刮板输送机发生超负荷运转的情况;通过测速传感器实时采集刮板输送机电动机以及链板转速数据,通过对比链板转速和电动机的转速来检测刮板输送机的传动部分和动力部分是否出现故障;通过温度传感器实时采集刮板输送机电动机的温度和周边环境的温度,一旦发现电动机温度或周边环境温度出现异常情况,监控调度中心可立即对刮板输送机采取减速、制动和停车等措施,防止因为过热而导致对电动机或其他装置的损毁;通过压力传感器实时采集作用在溜槽上的压力,防止由于超载而给电动机造成过载,同时也防止链板因为过载而导致疲劳失效;通过超声波传感器实现对链板和链条的无损探伤,防止因为疲劳失效而导致链板和链条的断裂。传感器采集到的数据通过无线网络传感器实时传输给地面分布式计算中心和监控调度中心,并通过工业以太网络和现场总线控制网络接收来自监控调度中心的指令。

3.3.4 供配液监测控制单元

供配液监测控制单元主要包括喷雾泵站监控、乳化液泵站监控以及冷却水泵站监控等,喷雾泵站通过出口压力传感器实时采集出口压力,防止由于出口压力过大或过小对自身或者其他设备造成损坏;通过油温、油位、油压传感器以及泵箱液位传感器实时采集喷雾泵的工作状态信息;通过油温和油压传感器实时采集乳化液泵中润滑油油温和油位信息;通过压差传感器实时采集管路高低压过滤器进出口的两边压差;通过油位传感器实时获取乳化液在乳化液箱中的液位信息;通过温度传感器实时采集冷却水泵站中冷却水的温度信息,防止冷却水温度过高而影响正常的生产计划。传感器采集到的数据通过无线网络传感器实时传输给地面分布式计算中心和监控调度中心,并通过工业以太网络和现场总线控制网络接收来自监控调度中心的指令。

3.3.5 供电监控单元

供电监控单元主要通过电流传感器实时采集移动变电站和UPS备用电源的工作状态,并将这些采集到的信息通过无线网络传感器或者工业以太网络传输给地面分布式计算中心和监控调度中心,同时,也实时接收来自监控调度中心发来的指令,从而实现备用电源和移动式变电站的快速切换。

3.3.6 气敏监控报警单元

气敏监控报警单元主要包括对有害气体及粉尘的监测和报警单元,通过在综采工作面安装多个各类气敏、气压、风速传感器和报警装置,实现对有害气体和粉尘的全方位无死角监测,一旦发现监测数据异常,则可通过报警装置及时通知处于危险区域中的工作人员快速撤离,从而最大限度地减少安全生产事故的发生。

4 结语

分布式综采自动化系统的部署和运行不但解决了原有综采系统中存在的稳定性不高和扩展能力有限的问题,而且通过复用原有系统的硬件设备,也大大降低了芦沟煤矿在信息化 方面的成本。由于其采用了无线传感器网络,使得分布式综采自动化系统本身具有一定的自检能力,环形的网络拓扑结构进一步提升了系统的容错能力和稳定性。通过在芦沟煤矿一段时间的运行,分布式综采自动化系统完全符合该煤矿的生产需求,极大地降低了人工成本,提高了综采工作面的生产效率。

[1] 曾祥鸿,黄强.KJ90型煤矿安全生产综合监控系统[J].矿业安全与环保,2000(2)

[2] 何勇华.综采自动化控制系统在新元煤矿的应用[J].中国煤炭,2014(9)

[3] 赵小虎,张申,谭得建.基于矿山综合自动化的网络结构分析[J].煤炭科学技术,2004(8)

[4] 王东,程志齐.白芨沟煤矿综采系统的技术改造[J].矿山机械,2012(2)

[5] 付国军,杨明亮,许太山.综采无人工作面的整体设计与实现方法的构想[J].工矿自动化,2012 (12)

(责任编辑 路 强)

Research and design of fully mechanized mining system for Lugou Coal Mine based on Hadoop architecture

Jia Yanli1,Wei Hongpeng2,Zhao Danyang3
(1.Nanyang Institute of Technology,Nanyang,Henan 473004,China; 2.Lugou Coal Mine,Zhengzhou Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Xinmi,Henan 452373,China; 3.Inner Mongolia North Hauler Joint Stock Co.,Ltd.,Baotou,Inner Mongolia 014030,China)

In order to enhance the team working efficiency of different facilities,the design of distributed fully mechanized mining system was proposed on the basis of Hadoop architecture. The architectures and functions of this system were expounded.Moreover,the corresponding network for this system was designed according to the actual situation of Lugou Coal Mine.

Lugou Coal Mine,Hadoop architecture,fully mechanized mining system,wireless sensor network

TD67 TD823.97

A

贾艳丽(1977－),女,河南新野人,现任南阳理工学院讲师,主要研究方向为煤炭行业数据挖掘及计算机软件与理论研究。