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煤礦智能化建設頂層設計方案研究
發布時間:2020-12-30     作者:轉載自IntelMining    瀏覽量:112    分享到:

煤礦智能化建設頂層設計方案研究

論文概要

 煤礦智能化建設是一個複雜的係統工程。作者梳理了煤炭開采各階段生產要素,依據煤礦井下特殊環境特點和煤礦智能化建設需求,提出了智能礦山“6+1+1”建設模型,並融合信息物理係統CPS (Cyber-Physical Systems)闡述了礦山信息物理係統M-CPS (Mine-Cyber Physical Systems)技術體係,構建了煤礦子係統級、礦級、集團級、行業級可擴展的M-CPS係統。認為,在煤礦智能化建設方麵,應遵循“頂層設計、基礎先行、重點突破、全麵接入”的建設原則;即以“一張網”“一張圖”為基礎先行建設;以“一係列智能化設備”中采煤、掘進、排水、通風、供電等與安全生產直接相關的智能化子係統及“一個平台” “生產安全、網絡安全”為重點建設內容,最後將其他智能化子係統分期分批建設並全麵接入,從而形成完整的智能礦山係統。

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第一作者 付國軍(1962-),男,內蒙古赤峰人,教授,山西省新興產業領軍人才,現任中國煤炭工業協會信息化分會副會長、智慧礦山協同創新聯盟理事長、山西科達自控股份有限公司董事長。長期從事礦山行業智能化技術研究與實踐工作,在煤礦智能化領域獲發明專利5項、實用新型專利16項、獲省部級以上科技進步獎6項,主持編寫並出版了《煤礦智能化技術》。

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第二作者 趙陽升(1955-),男,山西太原人,中國科學院院士,太原理工大學采礦工程學科教授,長期從事礦產資源開發科學和工程研究,是原位改性流體化采礦理論與實踐的開拓者。在鹽礦和煤層氣開采領域獲2項國家技術發明二等獎和省部級自然科學、技術發明、科技進步一等獎5項,兼任中國岩石力學與工程學會副理事長,國家油頁岩開采研發中心副主任。

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第三作者 牛乃平(1967-),男,山西嵐縣人,電氣工程及自動化專業高級工程師,現任山西科達自控股份有限公司技術總監,長期從事礦山智能化技術開發與研究,取得發明專利3項、實用新型專利9項,獲得省部級科技進步獎3項,參與編寫了《煤礦智能化技術》。

主要內容

第一,介紹了煤炭開采的不同演進階段:即爆破開采→機械化開采→智能化開采。介紹了不同采煤階段,主要生產要素與基礎設施隨之發生變化與升級情況。指出,智能化開采階段,主要是利用智能係統遠程控製煤機裝備,使煤礦井下實現少人化、無人化。生產要素主要是智能係統、智能裝備和人才。

第二,闡述了煤礦智能化係統與一般性工廠智能化係統的不同之處,根據煤礦的特殊環境條件,提出煤礦智能化建設的頂層設計方案,並概括為智能礦山“6+1+1”建設模型,即“一係列智能化設備”“一張網”“一張圖”“一個標準”“一個庫”“一個平台”6個子項構成煤礦安全生產管控層,加“一個運營管理中心”和“一朵雲”麵向礦山經營決策管理和礦山雲服務平台進行部署。同時,在智能礦山“6+1+1”模型建設中,安全生產管控層與企業經營決策管理層之間應設有工業非軍事隔離區(IDMZ安全隔離區),實現企業網與工控網的安全隔離,以提升工業控製係統的網絡安全水平。

第三,指出,隨著煤礦智能化的演進與發展,單一設備、單一係統運行狀態的控製會上升到全係統過程協同和工業互聯雲端協同,從而需要更為強大的技術體係來支撐智能係統的運行。而信息物理係統CPS(Cyber-Physical Systems)可以解決礦山複雜係統控製、智能無人開采所需的技術支撐問題。

第四,闡述道,智能煤礦“6+1+1”建設模型融合了CPS信息物理體係架構,是CPS係統的典型應用,作者定義為礦山信息物理係統M-CPS(Mine-Cyber Physical Systems)。M-CPS係統是由“6+1+1”中的各項構成的硬件、軟件、網絡、平台四大核心技術要素組成的複雜係統,集成了礦山多源信息智能感知、異構網絡統一傳輸、信息融合交互、協同控製等關鍵技術,使礦山物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同,其功能技術架構可分為支撐域、融合域、業務域和安全域。

第五,認為,在M-CPS係統建設中,可構建單元級、係統級、係統之係統級(SOS)、SOS擴展級應用,分別對應於煤礦子係統級、礦級、集團級、行業級的M-CPS係統。在子係統級主要實現係統內的智能感知、分析決策與控製。在礦級主要實現全礦井安全生產管控。在集團級主要實現生產經營決策管理。在行業級主要麵向行業設計、運維服務、上下遊產業鏈、政府監管等,實現工業互聯網雲端的服務與管理。在整個層級中集團級服務於礦級,行業級服務於集團級,最終是圍繞礦級進行管理與決策。

最後指出,煤礦智能化建設過程要科學合理,需要遵循“頂層設計、基礎先行、重點突破、全麵接入”的建設原則和步驟。以“一張網”與“一張圖”為煤礦智能化建設的重要新基建內容,以“一係列智能化裝備”為重點,完善重點子係統建設,以“一個平台”為核心,提供數據支撐;以“生產安全、網絡安全”為保障,提供安全服務;在基礎設施和重點子係統建設完成後,基本可實現礦井安全生產層的智能化運行,向上應建設並接入“一個運營管理中心”與“一朵雲”,助力經營決策管理,向下可將其他智能化子係統分期分批全麵接入。

主要圖表

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圖1  煤炭不同開采階段生產要素與基礎設施變化

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圖2  智能礦山“6+1+1”建設模型

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圖4  M-CPS係統功能技術架構

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圖5  M-CPS係統層級

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圖8  煤礦安全生產管控一體化平台功能構成

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圖9  煤炭企業典型網絡安全防護拓撲圖