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基于国产软件的煤矿智能管控平台

2024-01-09 14:21:36  来源:智能矿山杂志  作者:郭宏伟,张云亮,田立栋,黄威,刘正
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煤炭是我国的主体能源和重要的工业原料,在中国能源转型过程中发挥着重要作用,加码兜底保障、加快绿色转型依旧是煤炭行业发展的主旋律。近年来,《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》《国家能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》以及各省《煤炭工业发展“十四五”规划》等文件相继发布,明确提出要大力推进矿业领域科技创新,加快自动化、信息化、智能化矿山建设,助力煤炭行业绿色转型加速实现。2020 年,国家八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出:到2025 年,大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化,形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系,到2035 年各类煤矿基本实现智能化。2021 年6 月,中国煤炭工业协会发布《煤炭工业“十四五”两化融合发展指导意见》指出:到“十四五”末,形成较完善的煤炭工业两化融合技术标准体系、解决方案体系、考核评价体系、服务保障体系和信息产业体系。

30 年来,国能神东煤炭集团有限责任公司(简称神东煤炭集团) 一直致力于自动化、信息化矿山建设,陆续实现了矿井生产全过程的自动控制和信息化管理。随着第四次工业革命到来,全球各行业的发展已进入智能化新时代,矿山智能化已成为行业高质量发展的必然趋势。2021 年,神东煤炭集团以《国家能源集团煤矿智能化建设指南》为指引,提出构建初级、中级、高级3 档智能化矿山,而如何高质量开展煤矿数字化转型、智能化建设,成为神东煤炭集团面临的问题和挑战。在神东煤炭集团数字化转型和智能煤矿建设中,亟需以工业互联网平台为支撑,统一传输协议,形成数据标准和运行规则集成的技术体系,提升数据治理能力,构建煤矿一体化智能管控平台,推动智能化技术与煤炭产业融合发展,实现煤炭资源的安全高效开采与清洁利用。神东煤炭集团正是通过煤矿一体化智能管控平台(简称智能管控平台) 的研究与实施,解决了智能化建设存在的底层设备数据传输不规范、数据采集和存储不规范、各工控系统分散孤立、智能分析应用建设缓慢等问题(图1) ,实现了煤矿地面智能管控平台远控井下采煤机割煤(图2),拥有企业万亿级生产数据仓库,自主建设智能应用系统,开启了智能化建设的新篇章。

煤矿智能管控平台构建及关键技术

智能管控平台建设目标

神东煤炭集团以工业互联网为支撑,统一协议,统一标准,依靠微服务、大数据、人工智能等先进技术,在神东煤炭集团上湾煤矿构建了基于国产软件的煤矿智能管控平台,实现了神东煤炭集团各煤矿依靠数据要素驱动企业高质量管理,推动信息化技术与煤炭生产技术相融合,助力煤矿转型升级。神东煤炭集团上湾煤矿智能管控平台应用场景如图3所示。

智能管控平台构建思路与内容

智能管控平台的主要构建思路是立足煤矿行业特性,以煤矿生产数据为核心,采用工业互联网、接口通信、智能控制、数据治理、边缘计算、大数据分析和微服务等先进技术,制定统一的生产数据标准,搭建企业级生产数据仓库,为智能矿山建设提供基础数据源;以生产过程控制为基础,对生产设备进行资产化管理、集中监控、集成展示、优化排程、智能感知、关联分析,充分发挥生产数据价值,构建矿井数据智能分析体系,形成神东煤炭集团智能一体化管控平台,具体如下:

(1) 编制神东大数据采集存储使用标准,设计神东生产数据分组标签模型,构建煤矿企业生产数据标准化管理规范体系。

(2) 研发生产数据治理系统,建立完善的数据治理体系,搭建企业万亿级生产数据仓库,攻克由粗放型人为巡检记录数据向集约型智能治理转变的难题。

(3) 设计以数据中台和微服务为核心的平台应用架构(图4),将国产应用软件和操作系统应用于其中,构建神东煤炭集团生产一体化管控体系。

(4) 实现矿井子系统的集中展示控制、关联分析、故障诊断与决策、智能报警、移动监测控制、智能感知等功能,完成矿井生产过程的整体优化。

煤矿智能管控平台关键技术

煤矿智能管控平台关键技术如下:

(1) 软件定义设备

通过建立生产数据模型、数据存储规范、数据管理规范、数据标准化管理流程,解决了采集数据标准不统一、采集方式混乱、数据维护和应用困难的问题;通过规范、改造设备功能,实现了软件对象模型定义生产设备。

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(2) 搭建生产数据仓库

以工业以太网为基础,利用分布采集、集中存储、双活冗余、读写分离等技术,实现生产数据采集、存储和规范管理,形成跨区域、跨协议、跨设备的数据资产。

(3) 煤炭生产大数据分析

融合煤矿专业,利用大数据分析技术,开发专业算法模型,实现真正符合煤矿职工使用习惯和安全生产需求的智能化场景应用,综合分析、分级预警,为煤矿生产系统装上“智慧大脑”。如矿压监测分析预警,实现了集矿压实时云图展示、来压分级管理、支架初撑力监测、采场空间模型等30 余项功能于一体,有效提升了煤矿综采工作面治理水平。

(4) 国产软件在煤矿生产中的应用

通过调研、考察、试用等手段充分评估国产软件产品的工业应用可行性,在操作系统、中间件、采集软件、监控软件、数据库、计算引擎、移动平台等产品方面走出了一条国产化之路。

(5) 一站式集中监控

自主设计了一站式远程智能操控台,搭载生产管控平台应用,实现神东煤炭集团任意矿井、任意生产系统的地面集中远程控制。

(6) 远程故障诊断

研究采掘设备的电控装置软硬件技术,自主开发电控程序,实现设备远程故障诊断,不下井即可监控井下采掘设备的关键技术参数及处理相关故障。

煤矿智能管控平台主要创新点

煤矿智能管控平台是结合神东煤炭集团13 矿14井、11 个选煤厂生产业务情况,依据大型煤炭生产系统多年管理经验研发而成。智能管控平台深入研究了各矿井煤炭生产系统特点,对各矿井生产数据进行了归类和整合,瞄准矿井生产安全预警管控难点,构建形成了神东煤炭集团安全生产一体化管控体系,其创新点如下:

(1) 建立了神东煤炭集团生产万亿级数据存储和管理规范。制定了模型、命名、采集、存储、分析等标准规则,实现了井下每个设备、每个测点精准定位和海量设备测点的集中有序管理,建成了神东煤炭集团生产数据仓库(图5)。

(2) 实现了生产数据高效、可控共享和集中式转发。建成的数据中台和实时数据共享消息集群,实现了数据统一存储共享管理、按需转发,大幅提高了设备数据的实时性、安全性和利用率。数据仓库架构如图6 所示。

(3)“三端”一体化高度融合。智能管控平台通过移动端、PC客户端、Web 浏览器“三端”内容只需1 次开发部署,即可同步展示,大幅减少了系统开发工作量,方便用户多场景使用。一次部署“三端”同步展示如图7 所示。

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(4) 国产软件应用。智能管控平台累计部署了195 台服务器,操作系统国产化覆盖率为60%,应用软件国产化覆盖率为100%,提高了工控系统信息安全保障能力。

(5) 设计了煤矿智能一体化管控平台顶层架构。采用微服务应用架构、分布式的解决方案、消息共享及熔断机制等多种互联网技术,支撑该智能一体化管控平台应用“爆炸式”增长,实现其高可靠性、高安全性和高扩展性。

(6) 专业的数学模型研究与应用。智能管控平台瞄准矿井安全生产预警管控难点,依据高质量生产管理需求,结合大数据科学和人工智能技术,形成若干具有自主知识产权的数学模型。建成矿井智能控制、远程诊断、智能感知和矿压预警等68 个子系统(图8)。

煤矿智能管控平台应用效果

煤矿智能管控平台已在神东煤炭集团13 个煤矿和11 个选煤厂推广应用。截至2023 年8 月4 日,累计运行1 461 天,接入点位102.63 万个,存储数据9.07 万亿条,占用空间30.47 TB。智能管控平台每天承载着2 276 万次的数据访问服务,包含90 个计算服务,425 个功能模块,68 个应用系统,提供62项决策指标服务。

智能管控平台使用简单,维护方便,复用性强。基于智能管控平台,神东煤炭集团出台了《神东生产管控平台界面设计规范》《神东煤炭集团生产数据存储标准》《生产管控平台运维手册》;形成了综采、掘进、机电、运输、通风、洗选等专业525 个图形模型;研制了开机率、主运变频调速、电力故障录波、顶板来压预测等38个计算模型。

有效降低了一线工人劳动强度。神东煤炭集团各煤矿应用智能管控平台后,实现了主运输系统、供配电系统和供排水系统无人值守以及综采工作面三岗合一;促进神东煤炭集团各矿井生产方式优化,由原来的“888”工作制(每天3 班,每班8 h) 转变成“777”“678”“687”等工作制。

成功消除了多处安全隐患。智能管控平台中的分级预警功能、智能环境感知等模块让在岗员工随时掌握井下各区域的综合状态,及时调整相关设备运行参数;危急状态下,通过应急撤离指引模块引导井下作业员工快速撤离;尤其在矿压地质灾害、瓦斯及一氧化碳等有害气体的预防处置中发挥出关键作用。

有助于实现清洁低碳生产。智能管控平台中分级分区的电能消耗分析模块是降低吨煤生产成本的有效途径;设备有效开机时间的考核制度,提高了煤矿综合生产协调管理能力;主运输系统带式输送机变频调速分析优化,为神东煤炭集团每年节省约5 560 000 km 运输里程;机电设备健康状况分析、全生命周期的管理,是各煤矿配件库存管理、生产接续安排的支撑与保障。

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经济效益显著。煤矿数据资产化管理、集中监控、集成展示、优化排程、智能感知、关联分析等功能在神东煤矿的应用,产生直接经济效益约1.79亿元,间接经济效益约10.5 亿元。

结 语

神东煤炭集团煤矿智能管控平台基于统一的数字空间,融合煤矿各类业务指标、工况数据,实现了对运行态势的实时掌控和运营管理,是神东煤炭集团30 多年煤矿管理经验成功转化的结晶,是一款从煤矿工人中走出来的软件平台。智能管控平台若在煤炭行业推广普及,能够助力解决煤矿安全生产管理过程中数据碎片化、异构化等问题,还能利用人工智能、大数据分析等技术,挖掘数据深度价值,围绕“人、机、环、管”创建一体化、可视化高度融合的生产指挥模式,让煤矿生产与管理透明可视、资源调度快速有序、生产安全高效协同。


助理编辑:江振鹏

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