峰峰集團(tuán)梧桐莊煤礦綜合自動化系統(tǒng)建設(shè)

趙國清 賈珂?zhèn)?肖雅靜

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)梧桐莊礦,河北省邯鄲市,056200;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源安全科技有限公司,北京市海淀區(qū),100083)

峰峰集團(tuán)梧桐莊煤礦綜合自動化系統(tǒng)建設(shè)

趙國清1賈珂?zhèn)?肖雅靜2

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)梧桐莊礦,河北省邯鄲市,056200;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源安全科技有限公司,北京市海淀區(qū),100083)

闡述了梧桐莊綜合自動化礦山建設(shè)內(nèi)容以及系統(tǒng)的先進(jìn)性,研究了煤礦企業(yè)綜合自動化的系統(tǒng)架構(gòu)、軟件、硬件以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè),并詳細(xì)闡述了子系統(tǒng)的接入原則及方式。

綜合自動化 以太網(wǎng) 監(jiān)測控制

1 礦井綜合自動化系統(tǒng)建設(shè)概述

1.1 構(gòu)建礦井綜合自動化系統(tǒng)的必要性

梧桐莊礦實現(xiàn)了部分生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)測監(jiān)控,但各系統(tǒng)都是各自為政,彼此獨(dú)立,使得整個監(jiān)控系統(tǒng)重復(fù)架線和重復(fù)投資現(xiàn)象嚴(yán)重,安裝與維護(hù)工作量龐大,信息不能共享,不能滿足綜合監(jiān)控與管理以及信息共享的要求。因此建設(shè)統(tǒng)一的綜合自動化系統(tǒng)平臺,使各系統(tǒng)設(shè)備工況、參數(shù)、控制在同一網(wǎng)絡(luò)及平臺上傳輸共享,以提高安全生產(chǎn)調(diào)度管理水平,實現(xiàn)對礦井各安全生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)測與控制勢在必行。

1.2 礦井綜合自動化系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)統(tǒng)一的綜合自動化監(jiān)測監(jiān)控集成平臺,將礦井的各監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)集成、匯聚到綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)平臺上,充分考慮已有自動化子系統(tǒng)的接入與整合,盡量節(jié)省投資,提高系統(tǒng)功能,與煤礦信息管理網(wǎng)實現(xiàn)無縫連接,從而實現(xiàn)安全生產(chǎn)自動化礦井建設(shè)。

系統(tǒng)建成后,各自動化子系統(tǒng)數(shù)據(jù)在異構(gòu)條件下可進(jìn)行有效集成和有機(jī)整合,實現(xiàn)相關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的綜合分析及生產(chǎn)狀態(tài)的實時評估。集控中心人員通過相應(yīng)的權(quán)限對安全和生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)設(shè)備實時監(jiān)測和進(jìn)行必要的控制,實現(xiàn)全礦井的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度和決策指揮的信息化,為礦井預(yù)防和處理各類突發(fā)事故和自然災(zāi)害提供有效手段。

1.3 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

綜合自動化系統(tǒng)平臺通過地面集控中心服務(wù)器對子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在工程師站上完成各子自動化系統(tǒng)的組態(tài),使子系統(tǒng)數(shù)據(jù)達(dá)到有效集成,實現(xiàn)綜合監(jiān)測和控制。內(nèi)容包括千兆工業(yè)以太網(wǎng)建設(shè)、綜合自動化軟硬件平臺建設(shè)和子系統(tǒng)接入等。

1.4 系統(tǒng)構(gòu)架

煤礦綜合自動化系統(tǒng)平臺采用現(xiàn)代信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和自動控制技術(shù),使用數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化的生產(chǎn)和管理設(shè)備,將礦井的各監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)集成、匯聚到綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)平臺上,實現(xiàn)對各個子系統(tǒng)的顯示、控制、報警、歸檔、分析和決策。

礦井綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)所組成的開放型網(wǎng)絡(luò)。主要由以下3個層次結(jié)構(gòu)組成:

(1)信息層。信息層是整個自動化網(wǎng)絡(luò)的最高層,它采用1000 M工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet/IP)技術(shù),以TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/國際協(xié)議)+CIP(通用工業(yè)協(xié)議)作為其傳輸協(xié)議,將服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、人機(jī)接口連接,通過Web服務(wù)器連接至企業(yè)的管理信息系統(tǒng),實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和信息管理功能。

(2)控制層?？刂茖邮钦麄€自動化網(wǎng)絡(luò)的中間層,是一個開放型網(wǎng)絡(luò),使用1000 M Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)作為核心環(huán)網(wǎng),連接操作監(jiān)控站的計算機(jī)、各子系統(tǒng)的主控PLC和其它智能控制單元等。

(3)設(shè)備層。設(shè)備層是面向現(xiàn)場設(shè)備的一層,也是整個自動化網(wǎng)絡(luò)的最低層。它無需中間的輸入/輸出系統(tǒng)就可以將現(xiàn)場設(shè)備和智能設(shè)備直接相連,實現(xiàn)操作者和現(xiàn)場設(shè)備之間信息互傳,并可實現(xiàn)故障自動診斷。

設(shè)備網(wǎng)使用現(xiàn)場總線Profibus等通信方式,輔以I/O模塊,將底層設(shè)備直接連接到底層控制器上,進(jìn)行實時I/O控制和點(diǎn)對點(diǎn)的信息交換。入網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控包括監(jiān)控下位機(jī)、電力監(jiān)測單元、軟啟動和遠(yuǎn)程I/O模塊等。

2 礦井綜合自動化系統(tǒng)平臺建設(shè)

2.1 綜合自動化平臺建設(shè)

綜合自動化系統(tǒng)平臺通過地面集控中心服務(wù)器對子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在工程師站上表現(xiàn)為各子自動化系統(tǒng)的組態(tài),使子系統(tǒng)數(shù)據(jù)達(dá)到有效集成,實現(xiàn)綜合監(jiān)控。硬件部分主要由實時服務(wù)器、歸檔冗余服務(wù)器、Web瀏覽服務(wù)器、工程師站、操作員站和安全設(shè)備等組成。系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

實時服務(wù)器、歸檔冗余服務(wù)器、工程師站和監(jiān)控工作站等設(shè)備均直接接入調(diào)度指揮中心的核心交換機(jī)上。井下各監(jiān)控設(shè)備就近接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。

在調(diào)度監(jiān)控中心設(shè)置2臺實時服務(wù)器,互為備用。安裝iFIX管控軟件iFIX Plus SCADA Unlimited Runtime,在線綜合運(yùn)算實時數(shù)據(jù),并保存實時運(yùn)算值。提供強(qiáng)大而靈活的多重冗余功能,保證系統(tǒng)的不間斷監(jiān)控。此外,在主服務(wù)器和備用服務(wù)器同時啟動、運(yùn)行時,實現(xiàn)報警同步,避免對同一報警的重復(fù)響應(yīng)。

在調(diào)度監(jiān)控中心設(shè)置2臺工程師站,工程師站安裝iFIX客戶端軟件iFIX iClient Development,調(diào)度管理監(jiān)控數(shù)據(jù),分析趨勢及報表,完成集中控制的所有應(yīng)用操作。在調(diào)度監(jiān)控中心設(shè)置1臺Web信息門戶服務(wù)器,所有客戶機(jī)終端均通過該服務(wù)器瀏覽實時歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器及實時SCADA的信息,該服務(wù)器中安裝軟件iFIX WebSpace Server作為企業(yè)門戶的開發(fā)和發(fā)布平臺。該服務(wù)器可以直接連接歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),并可以直接轉(zhuǎn)換監(jiān)控由三維力控開發(fā)的應(yīng)用畫面,內(nèi)置圖形、數(shù)據(jù)開發(fā)平臺、圖形、報表、趨勢和統(tǒng)計工具,完成畫面、趨勢和報表的開發(fā)組態(tài),在該服務(wù)器上集成并查詢實時歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器及實時生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用中所發(fā)布的通用信息,所有開發(fā)結(jié)果以Web方式發(fā)布,形成企業(yè)信息門戶?？蛻舳瞬捎檬菘蛻舴绞?、獨(dú)立的安全機(jī)制,自定義企業(yè)安全操作級別,普通客戶端均采用IE瀏覽器,礦長、總工程師及普通客戶依權(quán)限瀏覽不同的生產(chǎn)信息。該軟件使用的TCP/IP通訊協(xié)議可以跨越局域網(wǎng)、企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)以及因特網(wǎng)。綜合自動化平臺特點(diǎn)如下:

(1)系統(tǒng)容量。系統(tǒng)可采集64×1024個監(jiān)控點(diǎn),最多可擴(kuò)展12×64×1024。

(2)高可用性和冗余功能。組態(tài)軟件采用Client/Server架構(gòu),在主控中心設(shè)立兩臺服務(wù)器(互為冗余),兩臺服務(wù)器間自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步,并互為熱備,當(dāng)某臺服務(wù)器故障時,另一臺自動接替,以防止數(shù)據(jù)丟失。

(3)實時報警功能。當(dāng)設(shè)備故障或模擬量超限時,監(jiān)控子系統(tǒng)與自動化平臺同步顯示故障設(shè)備名稱、報警測點(diǎn)名稱及數(shù)值。

(4)事故追憶功能。在設(shè)備參數(shù)超過預(yù)警門限時,系統(tǒng)自動將設(shè)備主要參數(shù)記錄下來,供事后分析用。時間段長度可由系統(tǒng)維護(hù)人員在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中修改,事故前追憶點(diǎn)數(shù)和事故后延續(xù)點(diǎn)數(shù)也可在參數(shù)中修改。

(5)故障自診斷功能。具有強(qiáng)大的系統(tǒng)自診斷與故障報警功能,可準(zhǔn)確判斷設(shè)備故障類型和位置,并能夠提供圖像和聲音報警提示以及打印輸出。

(6)系統(tǒng)維護(hù)和可擴(kuò)展性。在工程師站上可以進(jìn)行組態(tài)編程,同時兼做網(wǎng)管工作站,當(dāng)子系統(tǒng)監(jiān)控需求變化時,可以很方便地進(jìn)行調(diào)整。同時,為待建子系統(tǒng)留下接口,可以方便地組態(tài)和集成。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

考慮到梧桐莊煤礦數(shù)字化礦山系統(tǒng)工程的實際需要和將來的發(fā)展趨勢,各系統(tǒng)的實際需求及具體的使用特性,同時兼顧技術(shù)新舊更替不斷加快的特點(diǎn),項目的設(shè)計原則為:安全性、實時性、可靠性、健壯性、開放性和易操作性。綜合自動化以太環(huán)網(wǎng)分別在地面布置一個1000 M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和井下布置一個1000 M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),地面環(huán)網(wǎng)和井下環(huán)網(wǎng)通過核心交換機(jī)的環(huán)間耦合技術(shù)和聚合技術(shù)、雙鏈路冗余連接互為備份的整體,使得多環(huán)網(wǎng)通信的故障切換時間得以保證,故障切換時間短。千兆以太環(huán)網(wǎng)建成后,全網(wǎng)交換機(jī)連接基于單模光纖傳輸。光纖網(wǎng)絡(luò)中的任何位置發(fā)生一個斷點(diǎn)事故均可在瞬間內(nèi)完成鏈路通信的恢復(fù);全網(wǎng)基于統(tǒng)一、簡潔的網(wǎng)絡(luò)管理。

2.2.2 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與礦管理信息網(wǎng)連接

由于工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)直接掌握著煤礦企業(yè)的重要信息和管理策略,所以對網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)安全性和保密性提出了極高的要求。系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)平臺及其所有終端作為專門服務(wù)于生產(chǎn)、管理和調(diào)度的設(shè)備,不應(yīng)當(dāng)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),而是作為獨(dú)立的生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)存在;對于各系統(tǒng)的集中控制所產(chǎn)生的報表、數(shù)據(jù)圖形和視頻信息等數(shù)據(jù),需要能夠通過系統(tǒng)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)溝通,使高權(quán)限的企業(yè)管理者了解掌握生產(chǎn)系統(tǒng)的實時情況,便于對管理策略進(jìn)行有效地調(diào)整;系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)具有訪問企業(yè)網(wǎng)的權(quán)限,這樣有效地避免了企業(yè)內(nèi)網(wǎng)給系統(tǒng)帶來的潛在威脅。

基于以上對系統(tǒng)的要求,其特點(diǎn)可以總結(jié)為一個單向訪問的企業(yè)子網(wǎng)絡(luò),只允許企業(yè)網(wǎng)內(nèi)少數(shù)權(quán)限訪問者訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器,但系統(tǒng)的用戶不能訪問企業(yè)內(nèi)網(wǎng)以及外網(wǎng)的服務(wù)器。

對于梧桐莊煤礦這樣的大型網(wǎng)絡(luò)而言,把不同的職能部門歸并為一個子網(wǎng),定制不同的策略,方便不同的生產(chǎn)、安全的需要,相信這也是當(dāng)前對于企業(yè)來說應(yīng)用最為廣泛的方式。這種分化管理的最大好處是靈活性,適應(yīng)不同的環(huán)境和需求。劃分之后的網(wǎng)絡(luò)安全,就應(yīng)該從每一個子網(wǎng)的入口開始,做好規(guī)劃,制定策略,進(jìn)行部署。管理員通過靈活定制,就能防在攻擊之前,最大限度地把威脅杜絕在門外。

綜合信息自動化系統(tǒng)對于企業(yè)來說可以視為一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),根據(jù)它的安全性要求,企業(yè)網(wǎng)要對接入系統(tǒng)的用戶、終端的接入方式和地點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格控制。這里可以采用固定端口的VLAN接入設(shè)計。

3 子系統(tǒng)接入平臺

梧桐莊煤礦共需集成16個自動化子系統(tǒng),根據(jù)具體情況提出接入方案。

3.1 子系統(tǒng)接入要求

(1)硬件要求:冗余上位機(jī)(上位機(jī)接OPC方式時);PLC須具備支持ProfiNet的以太網(wǎng)模塊;PLC數(shù)據(jù)通訊延時不能大于0.5 s;采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口。

(2)軟件要求:上位機(jī)軟件支持標(biāo)準(zhǔn)OPC接口,數(shù)據(jù)通訊延時不能大于0.5 s;子系統(tǒng)廠商須提供需要的所有組態(tài)圖形及I/O變量(包括外部變量和內(nèi)部變量)、名稱、數(shù)據(jù)類型、解釋及與圖形的對應(yīng)關(guān)系;子系統(tǒng)提供OPC接口軟件。

3.2 子系統(tǒng)接入方式

3.2.1 硬件接入

子系統(tǒng)硬件接入(標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口),可通過以下3種方式:上位機(jī)接入方式、PLC接入方式和擴(kuò)展接入方式,分別見圖2、圖3和圖4。已有子系統(tǒng)的接入根據(jù)現(xiàn)場實際情況,按技術(shù)的合理性和性價比確定具體接入方式,例如已形成子系統(tǒng)有自已獨(dú)立的上位機(jī)時,通常采用上位機(jī)接入方式。就地現(xiàn)場總線到各監(jiān)控主站后,需要增設(shè)通訊接口模塊,采用統(tǒng)一的RJ45接口接入節(jié)點(diǎn)交換機(jī)?，F(xiàn)場采用PLC控制的系統(tǒng),則需要通過PLC原有或增加的通訊模塊,將接口轉(zhuǎn)為RJ45接口接入節(jié)點(diǎn)交換機(jī)。

3.2.2 軟件接入

所有子系統(tǒng)整合軟件接口統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)OPC接口。子系統(tǒng)接入千兆以太環(huán)網(wǎng)前,需要原有集控廠家配合開放其數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議代碼,將原有代碼進(jìn)行重新協(xié)議轉(zhuǎn)換,對數(shù)據(jù)傳輸編碼重新編譯,形成統(tǒng)一的OPC格式傳輸。軟件接入方式見圖5。

4 結(jié)論

梧桐莊綜合自動化系統(tǒng)使各自動化子系統(tǒng)數(shù)據(jù)在異構(gòu)條件下得到有效集成和有機(jī)整合,集控中心人員通過相應(yīng)的權(quán)限對安全和生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測和必要的控制,實現(xiàn)全礦井的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制的集中自動化,為礦井預(yù)防和處理各類突發(fā)事故和自然災(zāi)害提供有效手段,對礦山安全生產(chǎn)以及減人提效有著重要意義。

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[5] 何曉群.全礦井綜合自動化平臺的研究[J].工礦自動化,2005

The building of synthesized automation system in Fengfeng Group Wutongzhuang Coal Mine

Zhao Guoqing1,Jia Kew ei1,Xiao Yajing2

(1.Wutongzhuang Coal Mine of Jizhong Energy Fengfeng Group,Handan,Hebei 056200,China 2.Beijing CUMT Energy and Safety Techno logy Co.,Ltd.,Haidian,Beijing 100083,China)

This paper expounds the building content of synthesized automation system and the advancement of the system,mainly researches the system architecture and construct of software,hardware and network of synthesized automation in coal mine enterprise,as well as elaborates the access principle and methods of subsystem.

synthesized automation,ethernet,monitor and control

TD672

A

趙國清(1964-),男,大學(xué)本科,工程師,現(xiàn)任峰峰集團(tuán)梧桐莊礦機(jī)電副礦長,研究方向為礦山機(jī)電管理。

(責(zé)任編輯 張艷華)