煤礦監(jiān)控系統(tǒng)構建及其網(wǎng)絡接入技術研究

天地（常州）自動化股份有限公司 殷久伯

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)構建及其網(wǎng)絡接入技術研究

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本文探討了煤礦現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)特點及其問題，提出了一種煤礦綜合自動化控制平臺的概念，并針對與之對應的三層網(wǎng)絡結構展開分析，對所涉及的網(wǎng)路構架、網(wǎng)絡冗余形式選擇等問題進行了討論，最后論述了相應的網(wǎng)絡接入方式問題。其結論可為煤礦的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡構建提供參考。

煤礦；監(jiān)控系統(tǒng)；綜合自動化控制平臺；網(wǎng)絡構架

1.煤礦現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)特點與問題分析

我國大中型煤礦生產(chǎn)已經(jīng)基本上實現(xiàn)了單機自動化，其他一些關鍵的技術環(huán)節(jié)也大多實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化。在煤礦自動化生產(chǎn)方面，總體趨勢上正朝著和發(fā)達國家相類似的綜合自動化采煤的方向發(fā)展，全礦井的綜合自動化已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)自動化的重要研究方向。

從現(xiàn)有的大中型煤礦的實施情況來看，主要有以下幾種主要的方式。某些實力雄厚的大型煤礦采用了直接引進國外大型控制設備制造商所提供的地面通用產(chǎn)品來實現(xiàn)煤礦的綜合自動化控制，以及依賴這些設備來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控。這類設備中較為典型的布置方式是利用工業(yè)型PLC，結合現(xiàn)場總線網(wǎng)絡技術來完成。這類控制方式的優(yōu)點是監(jiān)控系統(tǒng)的結構簡單，易于維護，但由于要依賴于設備生產(chǎn)商的大型生產(chǎn)設備，因此投資相對較大，所建立起來的監(jiān)控系統(tǒng)和原有的監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的兼容性較差。另一類應用相對較為廣泛的形式是利用現(xiàn)有的煤礦監(jiān)控子系統(tǒng)來進行擴展和升級，從而構建出性能更優(yōu)異的綜合自動化系統(tǒng)。這種方式由于可以使用煤礦原有的子系統(tǒng)，并以一個主干監(jiān)控系統(tǒng)為基礎，具有良好的橫向擴展特性，投資相對較少，因此成為近年來主推的綜合監(jiān)控模式。但這類監(jiān)控系統(tǒng)也存在一些缺點，比如在各監(jiān)控子系統(tǒng)的整合過程中會遇到不同廠商生產(chǎn)的設備之間的通信協(xié)議不協(xié)調的問題，造成設備間的并網(wǎng)受限。其次是現(xiàn)有的監(jiān)控子系統(tǒng)一般都只能實現(xiàn)對特定設備運行狀態(tài)的監(jiān)控，要實現(xiàn)對各類設備的綜合監(jiān)控還存在差距，子系統(tǒng)的運行受到設備資源配置的影響較大，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此從嚴格意義上講，我國的煤礦綜合自動化監(jiān)控信息系統(tǒng)和國外先進水平存在著較大的差距，是值得深入研究的課題。

本文擬從煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入問題入手，針對煤礦生產(chǎn)中的關鍵區(qū)域綜合監(jiān)控，重點研究煤礦監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的網(wǎng)絡接入技術。

2.網(wǎng)絡構架研究

我國大中型煤礦的系統(tǒng)控制網(wǎng)絡數(shù)量上已經(jīng)很多，幾乎遍布監(jiān)控系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。但這些數(shù)量眾多的網(wǎng)絡一般都屬于專用網(wǎng)絡，在運行時設備的監(jiān)控數(shù)據(jù)沿著各自的專用網(wǎng)絡實現(xiàn)和中央控制室的網(wǎng)絡通信。就煤礦的整個網(wǎng)絡而言，這些子網(wǎng)絡之間大都獨立，缺乏網(wǎng)絡分層配置，不同網(wǎng)絡之間的技術水平和維護費用差異較大。為了提高煤礦監(jiān)控網(wǎng)絡的可靠性，本中采用較為成熟的地面工業(yè)控制網(wǎng)絡技術，利用工業(yè)以太網(wǎng)來整合煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，提高其整體的可靠性。

本文中提出綜合自動化控制平臺的概念，將網(wǎng)絡體系分為3個層級來進行整合，這3個層次分別為管理層（第一層）、控制層（中間層）和設備層（底層）。其中利用硬件防火墻來隔離控制層和管理層，控制層的管控服務器配置雙機，通過標準接口和數(shù)據(jù)類型來實現(xiàn)網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的存取操作及其處理，同時在控制層中為調度人員提供WEB瀏覽支持。各層級的配置設計如下：（1）管理層。管理層主要由數(shù)據(jù)庫服務器、WEB服務器、OA服務器、DNS服務器、代理服務器構成，并通過路由器來實現(xiàn)和外部英特網(wǎng)的聯(lián)絡，在管理層和控制層之間配置防火墻來實現(xiàn)隔離。（2）控制層?？刂茖佑筛黝悓I(yè)操控站、接入服務器以及專業(yè)服務器組成，該層與管理層的防火墻可與地面調度室的環(huán)網(wǎng)交換機聯(lián)絡，控制層與設備層之間以環(huán)網(wǎng)交換機來實現(xiàn)隔離。（3）設備層。設備層的設備包括PLC、專用控制器等現(xiàn)場控制設備，設備間以現(xiàn)場總線方式來連接。和設備相連的中央變電所、采區(qū)變電所、水泵房、瓦斯抽放站等以工業(yè)控制光纖環(huán)網(wǎng)連接。

在網(wǎng)絡配置方面，對井下重要工作場所統(tǒng)一配置環(huán)網(wǎng)接入器，各環(huán)網(wǎng)接入器之間采用光纖相連從而構成環(huán)網(wǎng)，對于監(jiān)控設備采用本安以太網(wǎng)的方式接入環(huán)網(wǎng)計入器。主干網(wǎng)絡的速率方面，可根據(jù)實際需要的控制要求來選擇。在設計管理層、控制層和設備層的網(wǎng)絡結構時需要考慮到不同的網(wǎng)絡冗余，這是保障網(wǎng)絡暢通的關鍵步驟之一。管理層的網(wǎng)絡結構可以相對簡單的設計為星形拓撲結構，設備層就需要進行討論后決定。可供選擇的網(wǎng)絡冗余方式有兩種：雙網(wǎng)冗余和環(huán)網(wǎng)冗余。對于井下設備而言，如果采用雙網(wǎng)冗余方式，意味著在某一線路故障時系統(tǒng)會自動切換至另一條線路上，從而保障通訊的正常。但煤礦井下空間較小，各類線纜都是從狹窄的巷道內(nèi)引出，因此從距離上一般不能滿足雙網(wǎng)冗余線路間的空間距離要求，加之采用雙網(wǎng)冗余要求兩套網(wǎng)絡接入設備，目前多數(shù)的監(jiān)控子系統(tǒng)也不支持雙網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)冗余方式能夠方便主機接入，對接入設備的要求也較低，對于故障的檢測也更方便。因此相比之下位于設備層的井下設備采用環(huán)網(wǎng)冗余是較為合理的方式。

3.網(wǎng)絡接入技術

煤礦的綜合自動化控制所涉及的環(huán)節(jié)多，設備類型多樣，技術水平也存在較大的差異，要將這些要素整合在一起，關鍵問題就是系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入問題。研究網(wǎng)絡接入技術其實是給不同子系統(tǒng)以協(xié)調的機會，避免出現(xiàn)接入技術選擇不當而造成的子系統(tǒng)無法支持或降低系統(tǒng)整體的性能的問題。這里涉及到硬件和軟件兩個方面的網(wǎng)絡接入，現(xiàn)分別討論如下。

在硬件接入方面，在考慮網(wǎng)絡接入時最主要的問題是某些子系統(tǒng)控制器并不支持以太網(wǎng)接口，因此需要考慮其他的接入方式。一般而言，應選擇在實踐中常用且易于向以太網(wǎng)接口轉換的硬件接入接口，筆者推薦采用RS232或者是RS485作為硬件接入接口。

在軟件的接入方面，由于目前煤礦各類子系統(tǒng)中心站的形式主要是具備監(jiān)控軟件、嵌入式PC或主控器PLC。因此在軟件的接入設計時，需要開發(fā)接入組件，使之可以把子系統(tǒng)的信息匯集到平臺上。從功能上看，接入組件應當具備標準的軟件接口和在線自動匹配機制，并具備對不同類型數(shù)據(jù)的自動識別能力。煤礦子系統(tǒng)常涉及到的軟件接口類型是OPC接口、DDE/NetDDE接口、ODBC接口和FTP接口四類。其中OPC接口是當前異構系統(tǒng)互聯(lián)中較為安全和快捷的接口方式，并被多數(shù)的廠商所支持。在考慮煤礦子系統(tǒng)這類較為復雜的問題時，選用OPC接口從技術上講是最佳的選擇。

結合第2節(jié)中對整體網(wǎng)路結構的設計，在選擇了OPC接口的前提下，設備層接入控制層共有三種方式可供選擇——與子系統(tǒng)控制器聯(lián)接、與子系統(tǒng)主機聯(lián)接、與基于PC的嵌入式子系統(tǒng)聯(lián)接三種，具體選用哪一種方式可根據(jù)具體情況來作出選擇。筆者認為，對采用PLC控制的煤礦子系統(tǒng)，且PLC具備以太網(wǎng)通訊模塊，并且邏輯控制位于PLC時，建議采用與子系統(tǒng)控制器聯(lián)接的計入形式。對煤礦專業(yè)性較強的子系統(tǒng)管控服務器，宜采用通過以太環(huán)網(wǎng)及OPC/DDE/FTP接口協(xié)議與該類型的子系統(tǒng)主機相聯(lián)。對于基于PC的嵌入式子系統(tǒng)（如膠帶機控制子系統(tǒng)、工作面順槽控制系統(tǒng)等），管控服務器宜通過以太環(huán)網(wǎng)及OPC/DDE/FTP接口協(xié)議與該類型的嵌入PC相聯(lián)。

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