煤礦井下自動化環(huán)網(wǎng)的升級改造

山西長平煤業(yè)有限責任公司 胡敏凱

煤礦井下自動化環(huán)網(wǎng)的升級改造

山西長平煤業(yè)有限責任公司 胡敏凱

煤礦井下自動化環(huán)網(wǎng)是煤礦生產(chǎn)信息化、自動化的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。長平公司自動化環(huán)網(wǎng)建設(shè)于2008年，經(jīng)過多年的運行設(shè)備老化故障率高。隨著采區(qū)的擴大及業(yè)務(wù)需求的增長，環(huán)網(wǎng)急需升級改造。文章就煤礦井下自動化環(huán)網(wǎng)，特別是井下調(diào)度視頻監(jiān)控的升級改造進行了分析闡述。

井下自動化；井下環(huán)網(wǎng)；調(diào)度視頻監(jiān)控

通過自動化環(huán)網(wǎng)礦井各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)“就地自動化－遠程自動化－綜合自動化－管控一體化”的四級自動化控制體系，最大限度地實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的“無人值守，有人巡視”，為實現(xiàn)“安全高效、減員提效、節(jié)能降耗”提供強有力的手段 。通過自動化環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度指揮人員或相關(guān)專業(yè)部門人員可以對安全和生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)設(shè)備實時監(jiān)測和進行必要的控制，實現(xiàn)全礦井的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、決策指揮的信息化，為將長平礦打造成為本質(zhì)安全型數(shù)字化礦山奠定堅實的基礎(chǔ)。

長平煤業(yè)之前采用的是陽光金立的MTCP-1代產(chǎn)品。它是一種礦用本質(zhì)安全型多通道工業(yè)以太網(wǎng)。基于電信主流的SDH/MSTP結(jié)構(gòu), 采用先進、成熟的光纖傳輸技術(shù)和優(yōu)化的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，為煤礦井下綜合自動化系統(tǒng)建設(shè)提供“三網(wǎng)合一”綜合信息傳輸平臺，實現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)和視頻等業(yè)務(wù)的靈活接入，形成礦井綜合自動化系統(tǒng)的各類監(jiān)測、監(jiān)控數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入傳輸平臺。建成后有17個系統(tǒng)站點，形成一個穩(wěn)定可靠的自愈保護環(huán)網(wǎng)。接入的業(yè)務(wù)主要包括語音（井下直通電話）、視頻（工業(yè)攝像機）以及各種自動化數(shù)據(jù)（電力監(jiān)控、排水控制、皮帶運輸控制、人員定位、安全監(jiān)測監(jiān)控、通風機監(jiān)控等）。

但是上述系統(tǒng)使用已八年，部分站點老化嚴重，運行越來越不穩(wěn)定，重要的數(shù)據(jù)比如監(jiān)測監(jiān)控、人員定位數(shù)據(jù)根本不敢在環(huán)網(wǎng)上傳輸；同時隨著采區(qū)的擴大以及調(diào)度視頻監(jiān)控高清化的發(fā)展，已遠遠無法滿足當前的需求，因此我們結(jié)合井下生產(chǎn)的實際條件和經(jīng)濟狀況，針對自動化環(huán)網(wǎng)和視頻監(jiān)控進行了升級改造。

1 隨著礦井生產(chǎn)采區(qū)的延伸和采區(qū)變電所及采區(qū)主通風機的增加，對工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)硬件設(shè)備進行擴容

（1）在井下三個新增加采區(qū)變電所各增加一套KJJ12多通道工業(yè)以太網(wǎng)綜合接入器站點。來滿足該采區(qū)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、排水控制系統(tǒng)、皮帶運輸控制系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)傳輸需要。

（2）在地面蘆家裕新增主通風機房和新35KV變電所各增加一套KJJ12多通道工業(yè)以太網(wǎng)綜合接入器站點。來滿足該區(qū)域的視頻監(jiān)視系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、主通風機監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)傳輸需要。擴容增加的KJJ12多通道工業(yè)以太網(wǎng)綜合接入器與在用的工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)就近串接，形成全礦井統(tǒng)一的多通道工業(yè)光環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。

2 對現(xiàn)用MCTP系統(tǒng)進行升級改造

（1）針對現(xiàn)有井上下17套MCTP-I系統(tǒng)站點，根據(jù)數(shù)據(jù)量和重要性，本著節(jié)約資金的原則，首先升級改造井下的10套為MCTP-Ⅲ系統(tǒng)站點。

（2）地面工業(yè)環(huán)網(wǎng)由于不要求本質(zhì)安全型設(shè)備，因此我們采用成本較低的通用型網(wǎng)絡(luò)交換機，較重要的站點采用功能多的三層交換機，通過IP網(wǎng)絡(luò)的OSPF協(xié)議實現(xiàn)路由的最短優(yōu)先選擇。不太重要的站點采用交換機直連解決多種數(shù)據(jù)的傳輸問題。

3 對綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)進行升級完善

對井下新增三個采區(qū)變電所的電力、排水、皮帶、人員定位、監(jiān)測監(jiān)控等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成。

鄉(xiāng)村建設(shè)項目的特點為數(shù)量多且形式復雜，但總體技術(shù)難度不大，投資主體投資方式多樣化，業(yè)主的需求也更加多樣化。然而，項目總體規(guī)模偏小，管理成本占比反而增加。所以在初期階段不能片面地追求經(jīng)濟效益，過分強調(diào)完成各類不合實際的指標。鄉(xiāng)村EPC建造模式現(xiàn)階段仍然是一種嘗試，支出和回報不能成正比。鄉(xiāng)村EPC建造模式的推進還需要進行探索實踐，需要資金投入，不斷總結(jié)經(jīng)驗，才能利用EPC自身優(yōu)勢在鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮更大的作用。

對新建楊家莊主通風機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成。

對現(xiàn)有各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)進行恢復完善。

對綜合自動化系統(tǒng)的WEB發(fā)布系統(tǒng)進行升級完善。

對安全生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)軟件進行升級完善。

4 視頻接入集成方案

工業(yè)視頻子系統(tǒng)有兩種接入方式：

一種方式是數(shù)字視頻信號接入，通過礦用阻燃網(wǎng)線或光纜與MCTP-Ⅲ系統(tǒng)礦用本安型多通道工業(yè)環(huán)網(wǎng)綜合接入器的以太網(wǎng)接口連接，進行數(shù)字視頻信號傳輸，以太網(wǎng)接口可以是電口也可以是光口。

另一種方式是模擬視頻信號接入，通過礦用阻燃同軸電纜或光纜與MCTP-Ⅲ系統(tǒng)礦用本安型多通道工業(yè)環(huán)網(wǎng)綜合接入器的視頻接口連接，進行模擬視頻信號傳輸。

由于目前公司使用的井下本安型攝像機及配套的井上編碼器運行也有八年多，越來越不穩(wěn)定而且價格較高，數(shù)據(jù)采用加密的方式傳輸，無法與其他廠家的設(shè)備兼容，維護起來也比較麻煩，采用第二種方式接入，可以避免使用現(xiàn)有編碼解碼器，改用自動化環(huán)網(wǎng)提供的視頻接口。但是由于采用同軸電纜傳輸模擬信號，最遠大概能傳輸一千米，如果采面攝像頭超過這個距離，只能通過增加視頻光電轉(zhuǎn)換器才能實現(xiàn)，因此增加了可能出故障的環(huán)節(jié)，同樣會給維護造成了不便，因此經(jīng)過多方比較和探討，下一步井下調(diào)度視頻監(jiān)控采用大華本安型網(wǎng)絡(luò)攝像機，攝像機提供一個光纖FC接口，通過光纜直接到環(huán)網(wǎng)基站的以太網(wǎng)光接口，信號通過環(huán)網(wǎng)到達調(diào)度機房，通過地面環(huán)網(wǎng)基站的以太網(wǎng)電口再經(jīng)過交換機進入通用型的解碼器，解碼后在調(diào)度大屏幕上顯示。這樣的方案使得投資最優(yōu)化，維護最簡便。

5 其他綜合自動化系統(tǒng)的子系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)接入集成

充分利用MCTP-Ⅲ環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢，通過其豐富的接口、先進的隧道、透明傳輸技術(shù)，使各個子系統(tǒng)實現(xiàn)相互隔離的虛擬通道的傳輸，可以獨立通訊、互不干擾、避免了各類數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，不影響原有各子系統(tǒng)的傳輸架構(gòu)。

5.1 PLC控制方式的子系統(tǒng)接入

對使用PLC控制方式子系統(tǒng)的以太網(wǎng)信號采用礦用阻燃網(wǎng)線或者單模光纜直接與環(huán)網(wǎng)綜合接入器的以太網(wǎng)口（電口或者光口）連接，進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)信號從機房MCTP-Ⅲ-M對應(yīng)以太網(wǎng)口用六類網(wǎng)線做直通線接入到局域網(wǎng)控制層網(wǎng)絡(luò)交換機進行數(shù)據(jù)處理與交換。

綜合自動化系統(tǒng)局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過環(huán)網(wǎng)基站的以太網(wǎng)模塊數(shù)據(jù)口直接與PLC的以太網(wǎng)信號輸出接口相連，而該PLC的OPC Server安裝在PLC內(nèi)部（或者安裝在管控服務(wù)器中），通過OPC與綜合自動化系統(tǒng)平臺中（工業(yè)庫）的組態(tài)軟件進行通訊連接及信息交互，有效的保證了實時性、可靠性。

5.2 總線型信號傳輸方式的子系統(tǒng)接入方案

采用總線型信號傳輸方式子系統(tǒng)的總線型數(shù)據(jù)信號（RS485/RS422/RS232/CAN/FSK/20毫安電流環(huán)/DH+等信號）采用兩芯礦用阻燃屏蔽雙絞線直接與環(huán)網(wǎng)基站的總線數(shù)據(jù)接口連接，進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)信號從機房站點對應(yīng)總線接口傳輸給子系統(tǒng)上位機，再從上位機網(wǎng)口用六類網(wǎng)線做交叉線接入到局域網(wǎng)控制層網(wǎng)絡(luò)交換機進行數(shù)據(jù)處理與交換。

5.3 與子系統(tǒng)PC主機聯(lián)接的接入方案

對于煤礦專業(yè)性較強的子系統(tǒng)（如環(huán)境安全監(jiān)測監(jiān)控、人員定位監(jiān)測及選煤廠等），數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過環(huán)網(wǎng)基站與該類型的子系統(tǒng)PC主機相聯(lián)。

5.4 與基于PC的嵌入式子系統(tǒng)聯(lián)接的接入方案

基于PC的嵌入式子系統(tǒng)以其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但功能強大而受到工控業(yè)內(nèi)人士青睞，該類型的系統(tǒng)近年來在煤礦也得到迅速的發(fā)展，如最新型的膠帶機控制子系統(tǒng)、工作面順槽控制系統(tǒng)等都是采用該類型的系統(tǒng)。因其核心就是安裝嵌入系統(tǒng)的計算機，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過MCTP礦用本安型多信道寬帶工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)及OPC/DDE/FTP接口協(xié)議與該類型的嵌入PC相聯(lián)。

5.5 調(diào)度電話接入方案

調(diào)度電話通過中繼電話信號接入，通過兩芯銅線與MCTP-Ⅲ系統(tǒng)礦用本安型多通道工業(yè)環(huán)網(wǎng)綜合接入器的語音接口連接，進行程控電話信號傳輸。

MCTP系統(tǒng)語音接口的傳輸模式是隧道形式、透明傳輸，不與其它系統(tǒng)產(chǎn)生沖突問題，有效的節(jié)省了帶寬，調(diào)度電話信號通過光纜傳輸，完全不受礦井環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴重的影響，保證話音質(zhì)量，徹底根除雷電對井下環(huán)境安全的影響。

經(jīng)過上述改造，長平煤礦井下自動化環(huán)網(wǎng)由百兆升級到千兆，傳輸速率更快，設(shè)備運行更加穩(wěn)定，并可承載原來的所有業(yè)務(wù)同時支持新增加的業(yè)務(wù)。本著節(jié)約資金的原則根據(jù)站點重要性有選擇性的使用不同設(shè)備，為煤礦的信息化自動化發(fā)展保駕護航。

[1]劉成,朱拴成.煤礦綜合自動化與機電技術(shù).中國礦業(yè)大學出版社.2012.11.

[2]夏士雄,于勵民,鄭豐隆.煤礦通信與信息化.中國礦業(yè)大學出版社.2008.7

胡敏凱（1981—），男，現(xiàn)供職山西長平煤業(yè)有限責任公司，研究方向：通訊運營。