基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的煤礦綜合信息化平臺構(gòu)建技術(shù)研究

趙 磊

（聊城大學(xué) 東昌學(xué)院，聊城 252000）

0 引言

本文以新汶礦業(yè)集團(tuán)公司某礦的綜合信息化平臺建設(shè)為研究對象，詳細(xì)介紹了其建設(shè)過程中的技術(shù)問題。

1 綜合信息化網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)

1.1 綜合網(wǎng)絡(luò)總體方案

根據(jù)煤礦信息化建設(shè)的要求，煤礦全礦井信息化系統(tǒng)設(shè)計兩層網(wǎng)絡(luò)，信息層網(wǎng)絡(luò)和控制層網(wǎng)絡(luò)[1,2]。

煤礦地面綜合調(diào)度控制中心建立以監(jiān)測與控制為主的管理以太網(wǎng)，有獨立的網(wǎng)關(guān)和防火墻，并可以通過以太網(wǎng)向公司提供煤礦全礦安全、生產(chǎn)等信息，并支持授權(quán)的遠(yuǎn)程訪問。

煤礦綜合控制系統(tǒng)包括井上部分和井下部分，以1000M工業(yè)光纖以太環(huán)網(wǎng)作為全礦主干網(wǎng)，主干網(wǎng)通過工業(yè)級交換機為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口，煤礦地面、井下子系統(tǒng)均可以方便加入。

煤礦主干網(wǎng)為1000M工業(yè)光纖以太網(wǎng)，采用環(huán)型結(jié)構(gòu)，核心交換機采用國際頂級工業(yè)級品牌，以保證系統(tǒng)的高可靠性。即使光纖網(wǎng)絡(luò)有一點斷開，網(wǎng)絡(luò)也能照常工作，并且能很快診斷出故障的位置，方便進(jìn)行維修。

系統(tǒng)的服務(wù)器設(shè)計為冗余結(jié)構(gòu)，服務(wù)器采集、分析、管理全礦安全、生產(chǎn)等全部信息，并提供給各個操作員站，各操作員站對全礦子系統(tǒng)的控制信息也由服務(wù)器，經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)上相應(yīng)節(jié)點發(fā)送到被控子系統(tǒng)。服務(wù)器上的重要歷史信息能夠保留一年或更長時間。

在1000M工業(yè)以太網(wǎng)上設(shè)計一臺工程師站，工程師站由經(jīng)過專門培訓(xùn)過的工程師操作，工程師站負(fù)責(zé)組態(tài)并維護(hù)全部控制系統(tǒng)。

本文建立全礦井的綜合自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太環(huán)網(wǎng)傳輸（傳輸速率1000M），把基礎(chǔ)自動化各子系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)連接到該系統(tǒng)平臺上，通過該系統(tǒng)能對基礎(chǔ)自動化各子系統(tǒng)發(fā)布控制命令，并能監(jiān)視各子系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)，收集所需的生產(chǎn)和安全參數(shù)進(jìn)行分析等操作。系統(tǒng)往上能夠聯(lián)接集團(tuán)公司企業(yè)資源管理（ERP）等系統(tǒng)，便于礦井與集團(tuán)公司之間的生產(chǎn)與管理信息交換。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

對于煤礦綜合信息化平臺設(shè)計，我們根據(jù)管理與控制一體化的觀念，將系統(tǒng)分為底層自動化控制系統(tǒng)和上層信息系統(tǒng)，結(jié)合計算機、網(wǎng)絡(luò)、通訊、自動化及信息的新技術(shù)與理論，采用先進(jìn)的工業(yè)控制軟件和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、自動化產(chǎn)品以及先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫軟件，實現(xiàn)煤礦在安全、電、水、風(fēng)、運輸、掘進(jìn)和開采等環(huán)節(jié)的全面信息化，將管理與生產(chǎn)的所有環(huán)節(jié)統(tǒng)一到一個網(wǎng)絡(luò)平臺上，構(gòu)成完整、統(tǒng)一的整體[3,4]。

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)平臺配置的特點

1）可靠性高：獨立工業(yè)環(huán)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)自愈時間小于30ms（要求500ms）；核心交換機冗余熱備份；數(shù)據(jù)庫冗余熱備份。

2）安全性高：工業(yè)環(huán)網(wǎng)、企業(yè)管理環(huán)網(wǎng)和外網(wǎng)連接均采用防火墻隔離；井下1000M環(huán)網(wǎng) (要求100M環(huán)網(wǎng))；滿足井下日益增加的數(shù)據(jù)帶寬需要；自主隔爆兼本安產(chǎn)品；井下采用自主研發(fā)的1000M本安隔爆光纖環(huán)網(wǎng)交換機。

3）方便接入：KJJ136具備多種接口；以太網(wǎng)接口；RS485接口；CAN接口；有在多個礦和多種設(shè)備對接經(jīng)驗，方便接入。

4）具有多種軟件接口成熟協(xié)議：OPC、DDE和TCP/IP；MODBUS和CDT91規(guī)約；對多個礦和多種設(shè)備對接成功經(jīng)驗的總結(jié)；西門子、AB、GE、Schneider、ABB 、歐姆龍和三菱等知名品牌PLC；上位組態(tài)軟件WINCC、iFix、Intouch和Kingview。

1.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求

1）工業(yè)以太網(wǎng)：利用1000M的工業(yè)以太網(wǎng)做基礎(chǔ)，克服就地控制過程中可能存在的隱患及事故，克服不同設(shè)備間難以完全發(fā)揮出效率、相互之間容易脫節(jié)等缺點，系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)通信接口設(shè)備、信息傳輸介質(zhì)、現(xiàn)場分站以及地面控制中心，形成統(tǒng)一、先進(jìn)的自動化控制集成網(wǎng)絡(luò)平臺，保證了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2）環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)。

3）異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)互通：本計方案分別要在網(wǎng)絡(luò)級和串口級提供多種符合國際主流標(biāo)準(zhǔn)的接口方式，便于各種子系統(tǒng)的接入，實現(xiàn)最大限度的信息共享；能夠集成不同廠家的硬件設(shè)備和軟件產(chǎn)品，實現(xiàn)各系統(tǒng)間信息互通，并將各系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成。

4）完備的接口預(yù)留：本環(huán)網(wǎng)的建設(shè)充分考慮到煤礦未來信息化建設(shè)和自動化改造建設(shè)的需求，采用成熟的軟件產(chǎn)品和環(huán)網(wǎng)搭建，極大程度上降低了將來各種系統(tǒng)的改造和建設(shè)的難度和費用。

5）實時信息數(shù)據(jù)集成。

6）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫：在集成化的數(shù)據(jù)管理中，所有的數(shù)據(jù)存放在SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)一旦被輸入，在整個系統(tǒng)中都可以使用。

建立的整個環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1（a）和1（b）所示。

由于B/S結(jié)構(gòu)的管理軟件比C/S結(jié)構(gòu)軟件有較大的優(yōu)勢，因此調(diào)度平臺軟件采用B/S模式設(shè)計三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：瀏覽器、應(yīng)用邏輯服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，軟件系統(tǒng)采用全中文平臺界面，窗體框架結(jié)構(gòu)，界面直觀易學(xué)易用，多線程技術(shù)，能實現(xiàn)多任務(wù)穩(wěn)定可靠運行。

1.3 軟件平臺主要功能

綜合信息化軟件平臺不僅僅是對所接入的系統(tǒng)的信息綜合，更關(guān)鍵的把數(shù)據(jù)分類、共享，建立有效的管理系統(tǒng)，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)。

1）信息的綜合功能和實時監(jiān)測功能。

2）控制功能：具有遠(yuǎn)程啟動、停止、復(fù)位和測試功能，并具有可進(jìn)行地面遠(yuǎn)程編程、故障(保護(hù))屏蔽及控制方式轉(zhuǎn)換等功能。

3）WEB瀏覽功能。

4）數(shù)據(jù)系統(tǒng)分級管理。

5）實時報警故障記錄。

6）完整的事件記錄，為系統(tǒng)的事故追查及重演提供重要的信息。

7）擴(kuò)展功能:選用計算機和系統(tǒng)軟件應(yīng)留有備用容量和接口，可以很方便地進(jìn)行擴(kuò)展,以滿足將來全礦井的需要。

8）系統(tǒng)安全性:系統(tǒng)抗干擾能力強和容錯性好，具有優(yōu)良的安全驗證體系，支持系統(tǒng)的安全性恢復(fù)；支持?jǐn)?shù)據(jù)備份；保證系統(tǒng)安全可靠。

9）故障報警分析功能。

10）綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢功能。11）可以查看歷史數(shù)據(jù)曲線。

12）報警功能：能為用戶提供各類監(jiān)測系統(tǒng)的實時報警信息包括超限報警、開關(guān)報警和系統(tǒng)在線設(shè)備的故障記錄。

13）打印功能。

14）授權(quán)管理功能：在綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，使用者對系統(tǒng)的操作權(quán)限應(yīng)該有嚴(yán)格的控制，必須限制哪些用戶能夠登錄該系統(tǒng)，可以使用系統(tǒng)中的哪些子系統(tǒng)，以及對子系統(tǒng)能夠具備什么樣的操作權(quán)限。

2 核心交換機

圖1 煤礦綜合信息化以太環(huán)網(wǎng)圖

由于煤礦行業(yè)的特殊性，普通交換機在抗干擾性能、電磁兼容性、可靠性、可用性、MTBF等方面不能完全適應(yīng)環(huán)境的要求，且不能形成高速冗余環(huán)的連接方式，使用壽命也會大大降低，因而必須采用工業(yè)級的以太網(wǎng)交換機。本方案核心交換機選用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，配置千兆以太網(wǎng)光口。

1）工業(yè)以太網(wǎng)交換機

此方案設(shè)計采用德國赫思曼公司生產(chǎn)的工業(yè)交換機。赫斯曼產(chǎn)品特點：有工業(yè)級核心交換機，帶寬萬兆級可承上啟下，無信息傳輸瓶頸；可以建立多環(huán)，系統(tǒng)帶寬隨環(huán)數(shù)倍數(shù)增加，方便擴(kuò)容支持環(huán)網(wǎng)冗余、環(huán)間耦合、環(huán)相切等獨特功能來保證其可靠性。

德國赫斯曼公司的工業(yè)以太網(wǎng)交換機RS2、MICE和MACH400系統(tǒng)產(chǎn)品均為工業(yè)級以太網(wǎng)設(shè)備。它們采用牢靠的重負(fù)荷設(shè)計，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的OA網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，電磁兼容性、工作溫度、防震等指標(biāo)完全符合煤礦工作現(xiàn)場的要求。

2）核心交換機MACH4002-24G-L3P

整個信息化平臺系統(tǒng)配置2臺德國赫斯曼生產(chǎn)的MS4002-24G-L3P工業(yè)級核心交換機。赫斯曼核心交換機如圖2所示。

圖2 核心交換機

本產(chǎn)品是一款機架安裝式、組網(wǎng)十分靈活，可組成超級光纖自愈環(huán)網(wǎng)、超級工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)自愈環(huán)網(wǎng)，方便了用戶的使用。上聯(lián)冗余的1000Mbit/s端口，利用上聯(lián)冗余接口，可以組成自愈環(huán)網(wǎng)。提高系統(tǒng)可靠性。

3）地面環(huán)網(wǎng)交換機

地面安裝的赫斯曼環(huán)網(wǎng)千兆交換機，每臺交換機配置不少于2個1000M光口, 不小于12個10/100M電口，并為每臺環(huán)網(wǎng)交換機配置UPS不間斷電源，支持4小時延遲。

4）井下隔爆兼本安型環(huán)網(wǎng)交換機

隔爆兼本安通訊接口屬礦用隔爆兼本質(zhì)安全型設(shè)備，可以在有甲烷、煤塵爆炸的危險環(huán)境中使用，為具備以太網(wǎng)接口或具備RS485通訊接口的設(shè)備提供信息交換渠道。設(shè)備提供8個以太網(wǎng)接口，2個千兆以太網(wǎng)光口，1個百兆以太網(wǎng)光口，3個本安10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)電口、2個本安標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊接口，同時具備千兆以太網(wǎng)冗余功能，適合組建千兆骨干網(wǎng)絡(luò)。

5）交換機的網(wǎng)絡(luò)管理

交換機的網(wǎng)絡(luò)管理，可以采用赫思曼公司的網(wǎng)絡(luò)管理軟件HiVision，通過對網(wǎng)絡(luò)的全面監(jiān)視，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合的負(fù)載和故障分析，也能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的隱患并及時采取措施。

3 子系統(tǒng)軟硬件接入

3.1 硬件接入方式

根據(jù)控制點的分布、各信息化子系統(tǒng)的特點和接入技術(shù)的特點，有以下四種接入方式：

1）上位機接入

對于信息化系統(tǒng)比較簡單，沒有以太網(wǎng)接口，但有上位機，可以在該上位機上增加通訊以太網(wǎng)卡支持，與附近的交換機進(jìn)行物理上的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。上位機接入方式如圖3所示。

圖3 上位機接入方式

2）PLC接入

對于信息化系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，可以對PLC增加以太網(wǎng)模塊，與交換機進(jìn)行物理上的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。PLC接入方式如圖4所示。

圖4 PLC接入方式

3）子網(wǎng)絡(luò)接入

對于信息化系統(tǒng)已經(jīng)很成熟，并且自成網(wǎng)絡(luò)，對外有統(tǒng)一的以太網(wǎng)接口，可以通過此RJ45口與交換機進(jìn)行物理上的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。子網(wǎng)絡(luò)接入方式如圖5所示。

圖5 子網(wǎng)絡(luò)接入方式

4）擴(kuò)展接入

對于信息化系統(tǒng)不僅沒有以太網(wǎng)接口，而且也沒有上位機，但該系統(tǒng)支持RS485或Prof i bus等現(xiàn)場總線，可以增加一臺接口轉(zhuǎn)換設(shè)備，通過擴(kuò)展方式轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)接口與交換機進(jìn)行物理上的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。擴(kuò)展接入方式如圖6所示。

圖6 擴(kuò)展接入方式

3.2 軟件接入方式

在各個自動化系統(tǒng)與綜合信息化的千兆以太網(wǎng)進(jìn)行物理上硬件網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接以后，下一步要解決的就是通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，各自動化系統(tǒng)與采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)通訊有四種方式：OPC通訊方式、驅(qū)動通訊方式、DDE/NetDDE方式和自主開發(fā)方式，但是最佳的方式是OPC通訊方式，并且需要提供OPC接口。

1）OPC通訊

OPC主要在制造自動化以及過程控制等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。 OPC是以O(shè)LE/COM機制作為應(yīng)用程序的通訊標(biāo)準(zhǔn)。OPC使接口函數(shù)得以規(guī)范，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來。

如果該自動化系統(tǒng)具有上位機，并且該上位機軟件支持OPC SERVER，則可通過上位機軟件的OPC方式進(jìn)行通訊。OPC通訊方式如圖7所示。

圖7 OPC通訊方式

2）驅(qū)動通訊

如果組態(tài)軟件支持該自動化系統(tǒng)的PLC的驅(qū)動，或者該PLC有基于OPC SERVER的驅(qū)動，則可以通過組態(tài)軟件直接與PLC通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。驅(qū)動通訊方式如圖8所示。

圖8 驅(qū)動通訊方式

3）DDE/NetDDE

DDE/NetDDE通訊方式是一種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，是MS Windows操作系統(tǒng)提供的一種動態(tài)數(shù)據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)交換信息通訊機制，它允許兩個應(yīng)用程序通過連續(xù)自動的交換數(shù)據(jù)來進(jìn)行對話。由于DDE方式本質(zhì)存在的問題，基于DDE的數(shù)據(jù)通訊不夠穩(wěn)定，因此，在涉及到關(guān)鍵過程或關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)控過程中，不推薦使用DDE作為通訊方式。但是，DDE/NetDDE通訊方式易于實現(xiàn)和使用，且成本低，在一些不重要的數(shù)據(jù)通訊中仍然可以使用。DDE/NetDDE通訊方式如圖9所示。

圖9 DDE/NetDDE通訊方式

4）自主開發(fā)

對于以上條件都不滿足的情況，可以由自主開發(fā)，軟件開發(fā)資質(zhì)是CMMI5級，全國最高，而且在煤礦綜合自動化軟件通訊開發(fā)中，成功與供電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通訊，具有豐富的經(jīng)驗。

3.3 線纜接入方式

由于各個子系統(tǒng)比較分散，而且在多雷擊、電磁干擾強、傳輸距離遠(yuǎn)的不利條件下，實現(xiàn)可靠通訊，因此在接入時線纜連接方式根據(jù)實際情況有以下五種方式。

1）當(dāng)?shù)孛孀詣踊到y(tǒng)與主交換機的距離在100米之內(nèi)時，通過雙絞線接入到環(huán)網(wǎng)中。

2）當(dāng)?shù)孛孀詣踊到y(tǒng)與主交換機的距離超過100米，采用單模光纖收發(fā)器或小交換機接入到環(huán)網(wǎng)中。

3）當(dāng)井下自動化系統(tǒng)與主交換機的距離在100米之內(nèi)時，通過礦用雙絞線接入到環(huán)網(wǎng)中。

4）當(dāng)井下自動化系統(tǒng)與主交換機的距離超過100米，但該處只有1個系統(tǒng)接入時，采用礦用本安型數(shù)據(jù)光端機，通過單模光纖接入到環(huán)網(wǎng)中。數(shù)據(jù)光端機建議采用礦用隔爆兼本安不間斷電源，因為該電源供電時間較長。

5）當(dāng)井下自動化系統(tǒng)與主交換機的距離超過100米，但該處有1個以上系統(tǒng)（包括網(wǎng)絡(luò)攝像頭）需要接入時，采用小型交換機，通過單模光纖接入到環(huán)網(wǎng)中。

4 結(jié)束語

本文選擇了適合煤礦企業(yè)特殊環(huán)境的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)運行安全可靠穩(wěn)定，選擇了性能可靠的礦用赫斯曼交換機，并對多種接入方式及通訊方式進(jìn)行了研究和總結(jié)。最終建立了綜合信息化平臺構(gòu)架，為后面子系統(tǒng)（例如運輸子系統(tǒng)、供電與排水子系統(tǒng)、安全監(jiān)控子系統(tǒng)以及視頻調(diào)度系統(tǒng)等）的研究建立打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1] 孫進(jìn)良, 劉永生, 張繼偉, 李聰, 郭曉慶. 超化煤礦綜合自動化技術(shù)方案的探討與研究[A]. 第18屆全國煤礦自動化與信息化學(xué)術(shù)會議論文集[C]. 2008.

[2] Huang S C, Huang Y M, Shieh S M. Vibration and stability of a rotating shaft containing a transerse crack [J]. Sound and Vibration, 1993, 162(3): 387-401.

[3] 張申, 孟祥軍, 閻欽運. 煤礦綜合自動化系統(tǒng)三網(wǎng)合一的特點與趨勢[A]. 第十八屆全國煤礦自動化學(xué)術(shù)年會中國煤炭學(xué)會自動化專業(yè)委員會學(xué)術(shù)會議論文集[C].2008. 4-8.

[4] 呂鵬飛, 郭軍. 我國煤炭數(shù)字化礦山發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 工礦自動化, 2009(9): 16-20.