基于工業(yè)以太網(wǎng)的板集煤礦綜合自動化解決方案

楊建宇

（國投新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001）

1 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與綜合自動化系統(tǒng)組成

板集煤礦千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)采取三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用業(yè)內(nèi)成熟的自動化產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和工業(yè)控制軟件、數(shù)據(jù)庫軟件，將安全生產(chǎn)的所有子系統(tǒng)均能通過工業(yè)以太網(wǎng)接入到綜合平臺中，集控中心可實現(xiàn)實時對設(shè)備工況進(jìn)行監(jiān)測控制，組態(tài)畫面實現(xiàn)立體仿真監(jiān)視，子系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備執(zhí)行元件具備完整的伺服功能，從而增強管理層的自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等智能控制功能，形成統(tǒng)一控制的智能化整體。

1.1 綜合網(wǎng)絡(luò)平臺方案的設(shè)計

根據(jù)板集煤礦信息化建設(shè)的要求，板集煤礦設(shè)計三層網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度指揮中心網(wǎng)絡(luò)、1000M赫斯曼工業(yè)以太主干網(wǎng)、子系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)。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)，可向公司的提供全礦安全生產(chǎn)信息，支持授權(quán)的遠(yuǎn)程訪問。綜合控制系統(tǒng)包括井上部分和井下部分，以千兆工業(yè)以太網(wǎng)作為全礦主干網(wǎng)，通過赫斯曼工業(yè)級交換機為各子系統(tǒng)提供工業(yè)以太網(wǎng)接口，地面、井下均可接入。地面綜合調(diào)度控制中心主要由操作員站組成，軟件平臺在采用組態(tài)軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)而成，采用對應(yīng)系統(tǒng)立體仿真模型組態(tài)其監(jiān)控畫面。每一臺操作員站的監(jiān)測與控制工作進(jìn)行相應(yīng)授權(quán)，以提高系統(tǒng)安全可靠性。

地面千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)由工業(yè)交換機組成，各子系統(tǒng)接入附近的交換機。后期擴展的系統(tǒng)可以通過相關(guān)的接口模塊和交換機接入到系統(tǒng)中。地面主網(wǎng)絡(luò)通過地面網(wǎng)關(guān)交換機接入調(diào)度指揮控制中心網(wǎng)絡(luò)。

1.2 井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)的設(shè)計

井下千兆以太環(huán)網(wǎng)也是通過地面網(wǎng)關(guān)交換機接入調(diào)度指揮控制中心。井下設(shè)計以工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)為主要控制網(wǎng)絡(luò)，通過井下防爆交換機形成千兆以太環(huán)網(wǎng)，構(gòu)成井下安全、生產(chǎn)過程控制自動化的統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺。

1.3 礦井與集團(tuán)公司的數(shù)據(jù)共享

集團(tuán)公司和礦井的數(shù)據(jù)共享可以通過兩種方式實現(xiàn)：

1）建立B/S結(jié)構(gòu)的Web方式，以授權(quán)的方式通過礦局域網(wǎng)實現(xiàn)集團(tuán)公司對礦井各生產(chǎn)安全子系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2）提供基于COM/DCOM的標(biāo)準(zhǔn)OPC Server接口通過礦調(diào)度指揮中心建立與集團(tuán)公司調(diào)度室的數(shù)據(jù)通信接口，實現(xiàn)集團(tuán)公司對礦井各種安全生產(chǎn)信息實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 主要自動化子系統(tǒng)的建設(shè)與接入設(shè)計

每例子系統(tǒng)都需要從最底層控制設(shè)備做起，完善傳感器的控制范圍，增強執(zhí)行元件的位移、速度、力矩等伺服控制功能，提高控制器的PID等智能控制能力，為智能接入提供堅實基礎(chǔ)。主要子系統(tǒng)的接入闡述如下：

（1）壓風(fēng)機、鍋爐房等地面系統(tǒng)：現(xiàn)場控制站采用西門子S7-300系列PLC，使用Profibus-DP通訊，與上位機通過MPI通訊，上位機采用西門子Wincc組態(tài)軟件。由CP343-1以太網(wǎng)模塊接入至綜合智能平臺,增加NSC2200E前置機系統(tǒng)進(jìn)行綜保數(shù)據(jù)采集集中及協(xié)議轉(zhuǎn)換整合入110kV變電所監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）主、副井提升監(jiān)控系統(tǒng)：副井提升接入方法為配置光線收發(fā)器通過光纖AC-800M PLC接入設(shè)置于主井提升控制室內(nèi)的主環(huán)網(wǎng)交換機上。主井接入方法為通過光纖收發(fā)器由S7400 PLC接入設(shè)置于主井提升控制室內(nèi)的主環(huán)網(wǎng)交換機上。

（3）井下供配電系統(tǒng)：井下供配電系統(tǒng)由井下中央變電所監(jiān)控系統(tǒng)和采區(qū)變電所監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成。中央變電所、采區(qū)變電所均采用德國貝克的PHDI、PHDO高壓隔爆開關(guān)。高壓隔爆開關(guān)均配置MPE綜保模塊，可以監(jiān)測各種電氣參數(shù)及控制開關(guān)分合閘，提供標(biāo)準(zhǔn)接口接入到PE4200AT總線適配器（每個可接入四個開關(guān)），總線適配器串接接入至Promos Plus現(xiàn)場總線進(jìn)而接入至MMC。集控中心通過OPC驅(qū)動實現(xiàn)與各開關(guān)的實時通訊。

（4）井下車輛管理系統(tǒng)：井下和地面平巷軌道運輸系統(tǒng)的控制管理和礦車定位系統(tǒng)由德國貝克的mincos系統(tǒng)來實現(xiàn)。道岔扳道裝置采用氣動設(shè)備，通過無線遙控的方式由機車司機進(jìn)行控制。配合基于井下WLAN無線局域網(wǎng)實現(xiàn)的井下機車的定位，mincos可以對軌道控制提供閉鎖和對軌道運輸信號系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)舊有信集閉系統(tǒng)的所有功能。依靠WLAN井下無線局域網(wǎng)的定位和數(shù)據(jù)傳輸功能，通過對由手持機PDA傳輸?shù)较到y(tǒng)中的機車運載物料數(shù)據(jù)的分析，可以方便的對井下物料運輸和材料的使用情況進(jìn)行跟蹤核對。

（5）采煤工作面與掘進(jìn)工作面自動化系統(tǒng)：系統(tǒng)設(shè)備由工作面操作臺上的主控站MINING MASTER來進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)配合工作。mining master通過modbus和ast總線實現(xiàn)了對工作面供電系統(tǒng)的信息采集。通過profibus采集cst軟啟動和液壓支架系統(tǒng)的信息，由Profibus結(jié)合無線方式采集采煤機的監(jiān)控信息，通過AST總線和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)工作面其他系統(tǒng)的信息采集。系統(tǒng)高度集成后可識別所有在運行中出現(xiàn)的故障。通過對故障的種類和位置進(jìn)行判斷，為礦井的生產(chǎn)調(diào)度和管理提供方便。

（6）虹膜考勤、地磅稱重、安全監(jiān)控、人員定位、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)：均采用基于TCP/IP與以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的多級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，實現(xiàn)在以太網(wǎng)范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。第一級主站接入到礦井地面環(huán)網(wǎng)，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至礦井調(diào)度集控中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 子系統(tǒng)VLAN規(guī)劃示例

表1 井下子系統(tǒng)VLAN劃分示例

根據(jù)（井下）不同子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)需求，在核心交換機上劃分適量的VLAN。VLAN1～VLAN50用于地面工廣與生產(chǎn)系統(tǒng)使用。井下子系統(tǒng)VLAN劃分如表1所示。

4 系統(tǒng)特點與主要指標(biāo)

（1）系統(tǒng)特點：千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為煤礦搭建“三網(wǎng)合一”的信息傳輸提供了有力支撐。環(huán)網(wǎng)重構(gòu)時間應(yīng)該小于300ms。針對各子系統(tǒng)建立虛擬局域網(wǎng)，同時保證既獨立傳輸和高效運行，防控網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴。集成化的編程組態(tài)，使操作管理人員易于上手維護(hù)。豐富的網(wǎng)絡(luò)管理功能，便于故障的定位和及時排除。

（2）主要指標(biāo)：帶寬：1000M；通信協(xié)議：TCP/IP 協(xié)議；交換機數(shù)：暫列50個；拓樸結(jié)構(gòu)：總線、星形和環(huán)形；冗余性：可以形成千兆環(huán)網(wǎng)，總長可達(dá)150RM，出現(xiàn)故障時重新組態(tài)路由時間＜0.3S；交換機接口：2個1000Mbit/s RJ45接口，12個100Mbit/s RJ45接口；

2個1000Mbit/s ST光纖接口，4個100Mbit/s SC/BFOC光纖接口；通訊方式：1000M工業(yè)以太網(wǎng)；診斷功能：能對故障進(jìn)行快速定位；系統(tǒng)無故障運行時間：＞1/8000小時；使用壽命：10萬小時以上。

5 小結(jié)

利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動化技術(shù)對生產(chǎn)和管理模式進(jìn)行業(yè)務(wù)流程再造，可以實現(xiàn)扁平化管理?？梢酝ㄟ^構(gòu)建以礦井工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的統(tǒng)一高速信息傳輸平臺、以監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)信息融合為基礎(chǔ)的統(tǒng)一的軟件集成平臺、以智能數(shù)據(jù)處理和聯(lián)動為基礎(chǔ)的統(tǒng)一的技術(shù)管理平臺，來努力為煤礦企業(yè)探索實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、安全監(jiān)控數(shù)字化、企業(yè)管理信息化和信息管理集約化的智能化礦井。

[1]錢建生,李鵬,顧軍,張智宏.基于防爆工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦綜合自動化系統(tǒng)[J].中國煤炭,2006(3).

[2]李明河,金林.可編程控制器原理與應(yīng)用[M].合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2009,1.

[3]鄭家宋,丁從師,高毅,呂磊,張先勝,張現(xiàn)余.口孜東煤礦礦井自動化系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].工礦自動化,2014(4).