沙坪煤礦數(shù)字礦山的探索實(shí)踐

宮德祥

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024；2.山西省昔陽(yáng)縣煤炭工業(yè)局，山西 昔陽(yáng) 045300）

沙坪煤礦是晉神公司的骨干礦井，近年來(lái)，堅(jiān)持走資源整合的新型發(fā)展道路，利用信息化改造傳統(tǒng)生產(chǎn)及管理模式，打造“數(shù)字礦山”，為礦井持續(xù)跨越式發(fā)展提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力。

1 礦山綜合信息化

建設(shè)礦山綜合信息化是實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字化的基礎(chǔ)前提。實(shí)現(xiàn)信息化,需要建立信息化體系,并培養(yǎng)有關(guān)人才實(shí)現(xiàn)。綜合信息化體系必須以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為平臺(tái)，大型平臺(tái)軟件為終端軟件提供信息化系統(tǒng)建設(shè)的一套整體方案，見圖1。

1.1 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的概述

沙坪煤礦以工業(yè)以太網(wǎng)為傳輸平臺(tái)，承擔(dān)礦井安全生產(chǎn)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的信息傳輸及調(diào)度中心的控制和監(jiān)測(cè)信息的傳輸，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、安全性均是工業(yè)級(jí)要求，需要保證網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井上和井下設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)信息和控制信息實(shí)時(shí)傳送到生產(chǎn)調(diào)度中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備和應(yīng)用安全策略，在保證安全的前提下與煤礦企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度統(tǒng)一指揮管理，并且滿足煤礦未來(lái)更多業(yè)務(wù)的需求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1）網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念。針對(duì)煤礦設(shè)計(jì)的工業(yè)以太網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基于千兆環(huán)網(wǎng)，采用單模光纖、保障各種數(shù)據(jù)高速傳輸。通過(guò)兩臺(tái)核心交換機(jī)，構(gòu)建井上、井下生產(chǎn)各自獨(dú)立的冗余、自愈的工業(yè)環(huán)網(wǎng)，自愈時(shí)間小于20 ms，保證了每個(gè)環(huán)網(wǎng)的單點(diǎn)故障不會(huì)影響另一個(gè)環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，保證網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。地面辦公網(wǎng)絡(luò)采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，辦公網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)各自獨(dú)立，通過(guò)網(wǎng)閘、防火墻進(jìn)行連接，防止非法入侵，確保生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)預(yù)留足夠的接口，（包括RS485總線、RJ45以太網(wǎng)等），為現(xiàn)有及以后需要接入環(huán)網(wǎng)的設(shè)備系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

2）網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)。按照安全級(jí)別要求，采用以下技術(shù)保障網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)安全。①劃分IP子網(wǎng)，IP地址的合理規(guī)劃是設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，IP地址的合理分配，必須與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵哟谓Y(jié)構(gòu)適應(yīng)、滿足路由協(xié)議要求，既要有效利用地址空間，又要體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和靈活性，加快路由變化的收斂速度，提高路由算法的效率，還要考慮到網(wǎng)絡(luò)地址的可管理性。②VLAN設(shè)計(jì)，（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)可以隔離各控制系統(tǒng)之間的廣播泛濫，提高網(wǎng)絡(luò)性能，保證各子控制系統(tǒng)之間的獨(dú)立，最大可劃分2 094個(gè)VLAN。③網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全，先要保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身的安全性。在本系統(tǒng)中要用安全設(shè)備，提供高性能的保護(hù)，可防御網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層攻擊、拒絕服務(wù)（DoS）攻擊，以及蠕蟲、網(wǎng)絡(luò)病毒、特洛伊木馬、間諜軟件廣告軟件等惡意軟件。④網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的控制，采用高度安全性的、專用的、獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品。安全設(shè)備將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)完全分隔開來(lái)，嚴(yán)格控制外部黑客侵犯內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。⑤網(wǎng)絡(luò)鏈路安全，要在網(wǎng)絡(luò)控制層光纜敷設(shè)時(shí)使用多芯備份光纖，當(dāng)其中兩芯出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可用備份光纖傳輸。最后實(shí)現(xiàn)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)接時(shí)，綜合自動(dòng)化監(jiān)控中心是連接信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和礦井綜合自動(dòng)化控制網(wǎng)的核心，是網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，見圖2。

圖1 煤礦綜合自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖2 綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)的安全互聯(lián)示意圖

1.3 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容

1）通過(guò)工業(yè)太網(wǎng)連接井上、井下各子系統(tǒng)，把系統(tǒng)設(shè)備的控制和監(jiān)控信息傳輸?shù)秸{(diào)度控制中心，經(jīng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，調(diào)度控制人員完成各子系統(tǒng)的組態(tài)編程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制目的。

2）網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容包括以下六項(xiàng)：①建設(shè)調(diào)度指揮中心，包括機(jī)房裝修，不間斷供電系統(tǒng)，防雷接地系統(tǒng)；②敷設(shè)井上、井下光纖，建設(shè)冗余、具有自愈功能的光纖環(huán)網(wǎng)；③井上、井下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝、調(diào)試；④網(wǎng)絡(luò)管理，根據(jù)需要，劃分不同的VLAN，賦予不同的權(quán)限，訪問(wèn)不同的資源，確保網(wǎng)絡(luò)安全；⑤設(shè)置網(wǎng)閘、防火墻，防止非法用戶侵入；⑥配置殺毒軟件，確保數(shù)據(jù)安全。

3）該網(wǎng)絡(luò)屬于工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，考慮煤礦井下滿足防爆、防塵、抗高溫潮濕、電磁干擾的要求，地面系統(tǒng)考慮抗電磁干擾的要求；各個(gè)安全生產(chǎn)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC、PC與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接的線纜使用工業(yè)級(jí)快速連接插件及線纜（工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)），要使連接的網(wǎng)絡(luò)和終端傳輸數(shù)據(jù)平穩(wěn)，并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)方便，重新配置的靈活性。

2 工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

沙坪煤礦生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的主要涵蓋內(nèi)容：礦井自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)；綜采工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；礦井主運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)；礦井電力監(jiān)測(cè)/監(jiān)控系統(tǒng)；井下水泵房監(jiān)控系統(tǒng)；煤倉(cāng)煤位監(jiān)測(cè)監(jiān)控；日用消防水泵房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；礦井水處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；生活污水處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；礦井鍋爐房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

2.1 礦井自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)

1）全礦的調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具備完善的生產(chǎn)監(jiān)控管理功能，是將各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的監(jiān)控系統(tǒng)組成全礦井統(tǒng)一的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并與礦井計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管控一體化的全礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。其中監(jiān)控分站的位置分散、距離較遠(yuǎn)按生產(chǎn)關(guān)系和地理位置構(gòu)成邏輯環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各監(jiān)控點(diǎn)通過(guò)千兆以太網(wǎng)絡(luò)連接為一個(gè)統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡(luò)，最終接入礦調(diào)度樓調(diào)度（集控）室的工業(yè)核心交換機(jī)上，形成煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)。

2）選用EtherNet/IP（工業(yè)以太網(wǎng)+CIP協(xié)議）作為控制層網(wǎng)絡(luò)。主干采用光纖傳導(dǎo)模式，由調(diào)度中心通過(guò)9/125 μm單模光纜連接礦地面及井下的鍋爐房、通風(fēng)機(jī)房、礦井維修間10/0.4 kV變電所、35 kV變電所、主斜井機(jī)房、中央變電所、盤區(qū)變電所、中央水泵房、等控制分站或控制系統(tǒng)，構(gòu)成整個(gè)控制層網(wǎng)絡(luò)；其余如皮帶監(jiān)控系統(tǒng)用軟件編程實(shí)現(xiàn)第三方通訊就近接入網(wǎng)絡(luò)，順槽CST系統(tǒng)、主井皮帶變頻控制系統(tǒng)經(jīng)DH+網(wǎng)絡(luò)接入臨近的控制分站，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

3）系統(tǒng)組成。①調(diào)度集控室是全礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控指揮中心，所有控制信息在這里匯總并發(fā)布。根據(jù)工業(yè)EtherNet/IP環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在調(diào)度室實(shí)現(xiàn)操作控制、監(jiān)測(cè)。配置6臺(tái)工控機(jī)，（礦井監(jiān)控2臺(tái)，變電所監(jiān)測(cè)1臺(tái)，報(bào)警1臺(tái)，綜采面監(jiān)測(cè)1臺(tái)，報(bào)表處理1臺(tái)）。調(diào)度室終編及服務(wù)器配置，見圖3。②集控室機(jī)房。采用地面及井下兩個(gè)單環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)地理位置和光纖路徑將各節(jié)點(diǎn)連接成光纖環(huán)網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備選擇德國(guó)赫斯曼公司的產(chǎn)品。集控室機(jī)房配置2臺(tái)多層路由核心交換機(jī)（MACH 4002）。地面、井下、通風(fēng)機(jī)房等節(jié)點(diǎn)均用模塊化交換機(jī)（MS4128）組成環(huán)網(wǎng)。核心交換機(jī)采用冗余電源、冗余模塊滿足系統(tǒng)的可靠性，并提供16個(gè)百兆電口用來(lái)連接調(diào)度室工控機(jī)終端和控制設(shè)備，見圖4。礦調(diào)度監(jiān)控室是全礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控指揮中心，所有的控制信息在這里匯總并由此發(fā)布。對(duì)全礦各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)及相關(guān)的輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示，對(duì)地面生產(chǎn)系統(tǒng)、皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、變電所和通風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，同時(shí)配合工業(yè)電視系統(tǒng)進(jìn)行安全圖像監(jiān)視，以確保人員及設(shè)備的安全，全面提高礦井的監(jiān)控能力。

圖3 調(diào)度室終端及服務(wù)器配置圖

2.2 綜采工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

綜采工作面涉及的設(shè)備較復(fù)雜，各廠商的傳輸協(xié)議不同，需要對(duì)設(shè)備的傳輸協(xié)議進(jìn)行整合，顯示畫面統(tǒng)一實(shí)施。目前沙坪煤礦綜采工作面主要的設(shè)備有：采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、可伸縮膠帶機(jī)、3 300 V、1 140 V組合開關(guān)柜、泵站等設(shè)備，要對(duì)以上設(shè)備的運(yùn)行情況做出詳細(xì)記錄。

1）系統(tǒng)設(shè)備。綜采面數(shù)據(jù)采集器采用KJJ108，由防爆箱殼體、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、地面數(shù)據(jù)整合、顯示部分組成。采煤機(jī)物理接口采用單模光纜，OPC通訊協(xié)議。雷波泵站和3 300 V、1 140 V開關(guān)柜物理接口采用RS485，Modbus通訊協(xié)議。

2）數(shù)據(jù)上傳的管理。工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)將綜采面的三機(jī)、泵站、順槽皮帶、組合開關(guān)柜的RS485信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，礦調(diào)度配置一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，負(fù)責(zé)采集綜采面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將讀取的信號(hào)轉(zhuǎn)化為OPC通訊協(xié)議；調(diào)度室前臺(tái)配置一臺(tái)工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)綜采面數(shù)據(jù)的顯示。數(shù)據(jù)上傳結(jié)構(gòu)示意圖，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)上傳結(jié)構(gòu)示意圖

3）系統(tǒng)功能。綜采面數(shù)據(jù)上傳的監(jiān)測(cè)畫面包括：采煤機(jī)工作狀況，刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)工作狀況，組合開關(guān)工作狀況，噴霧泵、乳化液泵工作狀況，實(shí)時(shí)狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)顯示，實(shí)時(shí)報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)記錄及曲線圖。

2.3 礦井主運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)

沙坪煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)包括所有帶式輸送機(jī)（上倉(cāng)皮帶、主井皮帶、順槽皮帶系統(tǒng)）。

1）系統(tǒng)組成及監(jiān)控范圍。整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)由上倉(cāng)帶式輸送機(jī)、主斜井帶式輸送機(jī)、順槽CST帶式輸送機(jī)組成。監(jiān)控范圍包括：上倉(cāng)皮帶機(jī)、皮帶機(jī)保護(hù)，主斜井皮帶機(jī)、皮帶機(jī)保護(hù)、機(jī)頭除鐵器、制動(dòng)閘、機(jī)頭配電設(shè)備、機(jī)頭除鐵器、順槽皮帶機(jī)、皮帶保護(hù)、機(jī)頭配電設(shè)備、張緊裝置、制動(dòng)閘。

2）主要功能。在調(diào)度室有遠(yuǎn)控和就地選擇功能，以便操作員實(shí)現(xiàn)四種控制方式。檢修試車控制，就地控制（驅(qū)動(dòng)機(jī)房控制），礦調(diào)度室集中控制（調(diào)度員控制每條皮帶單獨(dú)開停），按程序自動(dòng)控制（調(diào)度員通過(guò)“一鍵式”觸發(fā)：發(fā)出起車指令，各皮帶按逆煤流啟動(dòng)，發(fā)出停車指令，各皮帶按順煤流停車）。

3）監(jiān)控方案。包括上倉(cāng)皮帶、主斜井皮帶、順槽皮帶，每條皮帶自帶就地控制系統(tǒng)。其中上倉(cāng)皮帶、主斜井皮帶為羅克韋爾的控制系統(tǒng)，順槽皮帶為CST控制系統(tǒng)。①系統(tǒng)配置DeviceNet通訊模塊和3塊DeviceNet/Modbus通訊模塊跟三條皮帶機(jī)各自的華寧控制系統(tǒng)以Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊；通過(guò)數(shù)據(jù)讀寫實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶遠(yuǎn)程起?？刂?，并將皮帶機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如皮帶機(jī)運(yùn)行參數(shù)（如開、停狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、主電機(jī)電流等參數(shù)）、軟啟動(dòng)設(shè)備（液力耦合器）的油溫、皮帶保護(hù)系統(tǒng)中各種傳感器的信號(hào)狀態(tài)，所在地理位置（皮帶機(jī)打滑、跑偏、急停、縱撕、堆煤、煙霧、軸溫及超溫灑水等）等采集到處理器中進(jìn)行處理上傳。②系統(tǒng)配置DH+通訊模塊跟順槽皮帶的CST控制系統(tǒng)的SLC以Message的方式通訊，通過(guò)數(shù)據(jù)讀寫實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶的遠(yuǎn)程起?？刂疲⑵C(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，例如皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及主要參數(shù)（變頻器運(yùn)行參數(shù)、主電機(jī)的電流、電壓、主電機(jī)的定子、軸承溫度、主驅(qū)動(dòng)滾筒軸承溫度、張緊及制動(dòng)器的運(yùn)行參數(shù)等）、皮帶保護(hù)信息、地理位置（皮帶機(jī)打滑、跑偏、急停、縱撕、堆煤、煙霧、軸溫、超溫灑水等）、現(xiàn)有煤倉(cāng)煤位信號(hào)等采集到處理器中進(jìn)行處理上傳。

通過(guò)以上的分析研究，沙坪煤礦要實(shí)現(xiàn)“數(shù)字礦山”，建立一套完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常必要，通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析才能最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化，才能真正達(dá)到數(shù)字礦山的建設(shè)效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)“數(shù)字礦山”后，不僅實(shí)現(xiàn)地上井下的透明管理，更能利用“數(shù)字礦山”管理的可視性、信息的及時(shí)性、計(jì)算的快速性、決策的智能性，提前發(fā)現(xiàn)各種安全隱患，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)、災(zāi)變過(guò)程、影響程度進(jìn)行仿真模擬，提供出科學(xué)合理的避災(zāi)和救災(zāi)方案。沙坪煤礦數(shù)字礦山建設(shè)的整個(gè)系統(tǒng)，只要實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，不僅大幅度降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，更重要的是通過(guò)無(wú)人化達(dá)到的本質(zhì)安全型礦井。

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