一种面向智慧矿山生产的系统级M-CPS架构技术方案

本发明专利技术提供了一种面向智慧矿山生产的系统级M

【技术实现步骤摘要】
一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构


[0001]本专利技术提供了一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构，属于信息物理融合系统


技术介绍

[0002]煤炭是我国的主要能源，在工业生产中起着非常重要的作用。目前，煤矿作为一个复杂的生产系统，涉及到多个环节和部门，如采掘、运输等。这些环节之间相互关联，彼此影响，且矿山系统中包含有各种类型和规模的不同子系统，这些子系统对我国的煤炭开采业有着举足轻重的影响。因此需要一个系统级架构来整合各个环节，优化整个系统，从而提高整个系统的效率和安全性。智慧矿山M
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CPS系统级架构可以帮助煤矿实现以下几个方面的优化：1. 生产效率提高：通过优化和整合各个环节，消除冗余和浪费，使生产效率得到提高。
[0003]2. 安全性提高：通过整合安全措施和设备，提高整个煤矿的安全性，降低事故发生的可能性。
[0004]3. 数据管理和分析：通过建立完整的数据收集和管理系统，对数据进行统计、分析和挖掘，为决策提供科学依据。
[0005]4. 能源（耗）高效管理：优化能源配置；追寻碳足迹，实现碳资源的优化配置。
[0006]因此，提出一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构是很有必要的。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决目前煤矿系统中各子系统间资源的相互协调、生产流程中存在的无法统一管理的问题，提出了一种面向智慧矿山生产的系统级M
‑r/>CPS架构。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构，架构包括感知层、传输层、融合层和调控层，其中所述感知层由煤矿井上井下的综采子系统、掘进子系统、运输子系统、排水子系统、通风子系统和机电子系统六个子系统构成，上述六个子系统构成了物理世界，是构成M
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CPS的基础，通过各个单元级子系统对环境以及设备进行感知；所述传输层是物理世界到达信息世界的通道，实现互联互通的作用，在传输层采用无线+有线的组合方式实现数据的远程传输，在煤矿原有的传统工业以太环网和现场总线通信网络的基础上，通过构建井下5G基站和无线传感器网络，并与主体环网融合，将井上井下都实现有线和无线的覆盖，实现生产信息数据的全面感知和高速通信；根据各种通信技术的特点分配业务，从而实现生产信息数据的全面感知和高速通信；所述融合层是一个中心层，构成了信息世界，融合层通过对数据的融合、物理空间和信息空间的融合、信息系统和控制系统融合、系统级人机物融合以及区块链与工业互联网融合将不同子系统之间的数据和功能进行整合，形成一个统一的系统；以提高矿山的整
体生产效率和质量；所述调控层是一个核心层，包含决策指挥中心、综合集控中心、安全生产中心、大数据处理中心以及运维监测中心和能源（耗）管理中心，通过这些中心对煤矿生产过程中的各种情况进行决策、指挥和巡检，保证了生产过程中的安全问题同时提高煤矿生产的效率。
[0009]所述感知层中包含了传感器网络和数据采集模块。传感器网络：用于采集矿山中各种物理、化学、生物等数据，如温度、湿度、气压、瓦斯浓度等。数据采集模块：用于将传感器网络中的数据采集并传输。传感器包括粉尘传感器、压力传感器、矿用温度传感器、液位传感器、矿用摄像头。
[0010]所述综采子系统是以采煤机为核心展开的，包括了采煤机、液压支架、刮板运输机以及泵站设备，实现对采煤机割煤、落煤、刮板运输机运煤和液压支架支撑顶板工作流程的控制，面对不同厚度的煤层，需要选择不同的采煤机和采煤工艺；所述综采子系统包括综采工作面监测系统和综采工作面控制系统，其中综采工作面监测系统包括对采煤机、液压支架、运输机、转载机、破碎机设备的监测以及工作面视频显示、语音系统状态厢式和设备通信状态显示功能；所述综采工作面控制系统实现采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机、液压支架的智能化控制。
[0011]所述掘进子系统以掘锚一体机为主，锚杆支护和运输为辅，包括掘进工作面监测系统和掘进工作面控制系统，其中掘进工作面监测系统实现对围岩位移、锚杆变形、地板变形、顶板离层、冲击地压、粉尘浓度、瓦斯浓度环境变量的监测，以及支护压力、锚杆载荷、钻机转矩、位姿行程、煤流负荷设备状态的监测，掘进工作面控制系统实现掘进机、锚杆支护系统、运输系统和安全保障系统的智能化控制。
[0012]所述运输子系统分为主运子系统和辅运子系统两个模块，主运子系统采用多条带式输送机(或刮板输送机)和井下缓冲煤仓搭接的方式实现煤炭连续高效运输，主要负责从井下回采工作面、掘进工作面经工作面巷道、中转煤仓、大巷、井底煤仓、主斜井(或立井)提升系统、地面上仓至原煤仓的煤及矸石运输任务；辅运子系统在煤矿生产中完成除煤炭运输以外的人员、物料、设备、矸石的运输工作；主要具备运输线路复杂、工作地点分散、水平或倾斜线路互相交错、运输环节多、代运物料品种繁多且形状各异等特点；主运子系统包括带式输送机控制系统、煤流集中控制系统和机器人辅助巡检系统和安全监测控制系统，辅运子系统包括物资运输管控系统、车辆智能调度系统、单机智能化系统和监测监控类单系统。
[0013]所述通风子系统包括风网监测感知系统、通风分析决策管理系统和通风设备控制系统，其中风网监测感知系统实现对风速、风压、振动、温度和气体组成成分的风网与环境数据采集，通风分析决策管理系统实现矿井通风三维模型的构建，包括通风安全管理、通风图形管理和通风设置管理系统，通风设备控制系统实现风机在线监测调控、风窗远程调控和风门远程调控智能化控制系统。通风子系统的设备包含通风机和通风构筑物。
[0014]所述排水子系统包括排水工作面监控系统、排水设备控制系统和井上污水处理系统，其中排水工作面监控系统实现对排集水管道、水仓、水泵和各涌水点的监测，排水设备控制系统具备运行模式切换和系统保护功能，实现对水泵的自动启停、水泵的自动轮换和
水泵的优化调度的智能化控制系统。排水子系统负责及时排出涌水，保证正常安全生产，避免出现重大安全事故。
[0015]所述机电子系统包括机电管理子系统和供电子系统两个模块，其中机电管理子系统具备设备维修管理、检修日志管理、设备基础信息管理、设备使用管理、设备BI分析管理、射频跟踪设备管理的机电设备管理功能；所述供电子系统包括对各用电设备的短路、过载和漏电进行保护的供电保护模块，以及用于实现对各用电设备的防越级跳闸管理、数据采集监测、远程控制供电的设备监测功能。机电子系统负责保护工人井下作业的安全，实时监控各个机电设备的运行情况，方便操作人员在保障工人安全的同时，提高实际的生产开采效率，降低实际开采过程中的难度，减轻煤炭开采工作的压力。
[0016]所述数据融合可以打破M
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CPS子系统之间的数据壁垒，运用了大数据技术将煤矿生产过程中的各类多源异构数据进行融合与统一管理，从而促进煤矿生产过程中的协同工作；所述物理空间和信息空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构，其特征在于：架构包括感知层、传输层、融合层和调控层，其中所述感知层由煤矿井上井下的综采子系统、掘进子系统、运输子系统、排水子系统、通风子系统和机电子系统六个子系统构成，上述六个子系统构成了物理世界，是构成M
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CPS的基础，通过各个单元级子系统对环境以及设备进行感知；所述传输层是物理世界到达信息世界的通道，实现互联互通的作用，在传输层采用无线+有线的组合方式实现数据的远程传输，在煤矿原有的传统工业以太环网和现场总线通信网络的基础上，通过构建井下5G基站和无线传感器网络，并与主体环网融合，将井上井下都实现有线和无线的覆盖，实现生产信息数据的全面感知和高速通信；所述融合层是一个中心层，构成了信息世界，融合层通过对数据的融合、物理空间和信息空间的融合、信息系统和控制系统融合、系统级人机物融合以及区块链与工业互联网融合将不同子系统之间的数据和功能进行整合，形成一个统一的系统；所述调控层是一个核心层，包含决策指挥中心、综合集控中心、安全生产中心、大数据处理中心以及运维监测中心和能源（耗）管理中心，通过这些中心对煤矿生产过程中的各种情况进行决策、指挥和巡检。2.根据权利要求1所述的一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构，其特征在于：所述综采子系统是以采煤机为核心展开的，包括了采煤机、液压支架、刮板运输机以及泵站设备，实现对采煤机割煤、落煤、刮板运输机运煤和液压支架支撑顶板工作流程的控制，面对不同厚度的煤层，需要选择不同的采煤机和采煤工艺；所述综采子系统包括综采工作面监测系统和综采工作面控制系统，其中综采工作面监测系统包括对采煤机、液压支架、运输机、转载机、破碎机设备的监测以及工作面视频显示、语音系统状态厢式和设备通信状态显示功能；所述综采工作面控制系统实现采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机、液压支架的智能化控制。3.根据权利要求1所述的一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构，其特征在于：所述掘进子系统以掘锚一体机为主，锚杆支护和运输为辅，包括掘进工作面监测系统和掘进工作面控制系统，其中掘进工作面监测系统实现对围岩位移、锚杆变形、地板变形、顶板离层、冲击地压、粉尘浓度、瓦斯浓度环境变量的监测，以及支护压力、锚杆载荷、钻机转矩、位姿行程、煤流负荷设备状态的监测，掘进工作面控制系统实现掘进机、锚杆支护系统、运输系统和安全保障系统的智能化控制。4.根据权利要求1所述的一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构，其特征在于：所述运输子系统分为主运子系统和辅运子系统两个模块，主运子系统采用多条带式输送机(或刮板输送机)和井下缓冲煤仓搭接的方式实现煤炭连续高效运输，主要负责从井下回采工作面、掘进工作面经工作面巷道、中转煤仓、大巷、井底煤仓、主斜井(或立井)提升系统、地面上仓至原煤仓的煤及矸石运输任务；辅运子系统在煤矿生产中完成除煤炭运输以外的人员、物料、设备、矸石的运输工作；主运子系统包括带式输送机控制系统、煤流集中控制系统和机器人辅助巡检系统和安全监测控制系统，辅运子系统包括物资运输管控系统、车辆智能调度系统、单机智能化系统和监测监控类单系统。5.根据权利要求1所述的一种面向智慧矿山生产的系统级M
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CPS架构，其特征在于：所
述通风子系统包括风网监测感知系统、通风分析决策管理系统和通风设备控制系统，其中风网监测感知系统实现对风速、风压、振动、温度和气体组成成分的风网与环境数据采集，通风分析决策管理系统实现矿井通风三维模型的构建，包括通风安全管...

【专利技术属性】
技术研发人员：付国军，翟德华，牛乃平，崔世杰，郭凯，张志峰，吴彦，高波，李晓明，李栋庆，靳鹏宇，
申请(专利权)人：山西科达自控股份有限公司，
类型：发明
国别省市：