煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：目前大部分煤礦建立了多種自動(dòng)化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)是在不同的階段相繼建設(shè)起來的，很難對整個(gè)系統(tǒng)工程進(jìn)行自動(dòng)化管理，因此建立一套完善的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是非常有必要的，它不僅能夠?qū)ΦV山進(jìn)行統(tǒng)一的自動(dòng)化管理，通過有效合理地整合現(xiàn)有資源來獲取更大的效益，還能夠保障煤礦的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤礦開采技術(shù)；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；自動(dòng)化管理；安全生產(chǎn)；煤礦企業(yè) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TD67 文章編號：1009-2374（2015）25-0016-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.008

隨著信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，對于目前的煤礦開采技術(shù)來說，計(jì)算機(jī)技術(shù)的全面運(yùn)用是其最為顯著的特點(diǎn)，它能夠使規(guī)劃、信息、控制以及監(jiān)測等不同的部門職能統(tǒng)一在一起，形成一個(gè)整體的系統(tǒng)。由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜化和多樣性，易于造成事故的發(fā)生，因此基于煤礦發(fā)展的需求來說，煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)是必不可少的。

1 煤礦自動(dòng)化與信息化的現(xiàn)狀

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，煤礦的安全生產(chǎn)以及信息化和自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)是我國煤礦發(fā)展的主要需求，如今已經(jīng)有越來越多的礦井在投入建設(shè)或者已經(jīng)建設(shè)了綜合自動(dòng)化的管理系統(tǒng)，雖然取得了一些成就，但也存在著很大的問題，目前在煤礦的檢測控制以及管理方面存在著一系列的問題和缺陷：

第一，一些煤礦的自動(dòng)化系統(tǒng)管理不夠集中，各個(gè)部門的信息之間不能互通，從而造成了資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，由于煤礦的自動(dòng)化子系統(tǒng)處于相對獨(dú)立的狀態(tài)，因此造成了各個(gè)子系統(tǒng)之間不能夠有效地進(jìn)行協(xié)調(diào)和配合，致使每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)不能很好地銜接，進(jìn)一步降低了煤礦生產(chǎn)的效率。

第二，由于部分煤礦信息化與系統(tǒng)化建設(shè)不健全導(dǎo)致材料的嚴(yán)重浪費(fèi)，通訊線路之間出現(xiàn)重復(fù)投資建設(shè)的現(xiàn)象，這大大增加了投資建設(shè)的費(fèi)用，而且造成了整個(gè)系統(tǒng)龐大的維護(hù)量，維修起來不僅困難，還耗費(fèi)了大量的資金。

第三，各個(gè)系統(tǒng)之間都要建設(shè)相對應(yīng)的管理制度，并且要設(shè)置相對應(yīng)的管理崗位和管理人員，各個(gè)系統(tǒng)還需要配備相關(guān)的維修人員、值守人員和巡檢人員等，這導(dǎo)致了人力資源和管理資源的浪費(fèi)。

第四，由于信息系統(tǒng)的單一，因此很難對礦山的整體進(jìn)行統(tǒng)一的管理，再加上各個(gè)系統(tǒng)間無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效共享，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的檢測和調(diào)度，這些在一定程度上大大影響了生產(chǎn)力水平的提高，不能使各種資源進(jìn)行有效的整合，從而不能發(fā)揮出其工作效率和最大限度地創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

2 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)以及其效益價(jià)值

2.1 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)

2.1.1 建設(shè)全礦井能夠自動(dòng)控制信息傳輸以及及時(shí)處理信息的總集成的系統(tǒng)平臺，在平臺的建立下實(shí)現(xiàn)在地面的集控中心對井下的排水、供電、軌道、通風(fēng)、壓風(fēng)、選煤等設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，最大限度地實(shí)現(xiàn)井下以及其他崗位無人值守的狀態(tài)，減少工作人員的工作量提高工作效率，確保礦井的安全。

2.1.2 建立全面的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，在地面接入煤礦的自動(dòng)化平臺，實(shí)施煤礦的安全監(jiān)控以及各個(gè)工作人員的定位等，從而使礦井的自動(dòng)化信息和安全生產(chǎn)監(jiān)測信息達(dá)到集中和共享的狀態(tài)，對井下所有重要地點(diǎn)的溫度、風(fēng)速、風(fēng)門以及局扇開停進(jìn)行全自動(dòng)的監(jiān)測，此外對于井下工作人員的分布情況也進(jìn)行在線的監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)。

2.1.3 建立礦井的電視監(jiān)控系統(tǒng)，通過視頻的監(jiān)控系統(tǒng)把井下的攝像機(jī)信號以及地面的重要地點(diǎn)的信號傳輸?shù)降孛娴囊曨l服務(wù)器上，在集控中心進(jìn)行圖像的切換和顯示，保障了地面的遠(yuǎn)程控制。

2.1.4 建立全面的礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)，使井下的工作人員能夠與集控中心清晰地通話，進(jìn)一步加強(qiáng)各個(gè)部門和各個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，為地面的遠(yuǎn)程控制提供便利暢通的通訊手段。

2.1.5 建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺以及數(shù)據(jù)處理平臺，完成煤礦的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)的無縫安全對接，把煤礦井下現(xiàn)場的安全監(jiān)控信息、井下的視頻監(jiān)控信息、自動(dòng)化信息以及管理信息系統(tǒng)有效地連接起來，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部門、各個(gè)系統(tǒng)的各類信息在整個(gè)公司的互通和共享。

2.2 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的效益分析

煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)所能創(chuàng)造的效益價(jià)值包括安全效益、投資效益、管理效益以及生產(chǎn)效益四個(gè)方面：

2.2.1 安全效益。建設(shè)煤礦綜合自動(dòng)化的系統(tǒng)，可以通過建立系統(tǒng)全面的地面監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步全方位地實(shí)時(shí)監(jiān)控井下工作人員的工作情況和工作狀態(tài)，以確保井下工作人員的工作效率和人身安全。另外，能夠使數(shù)據(jù)達(dá)到互通和共享，通過報(bào)警聯(lián)動(dòng)來減少礦井事故造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

2.2.2 投資效益。通過煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)可以減少傳輸設(shè)備和傳輸線纜的重復(fù)投資建設(shè)，也能節(jié)省一部分維修資金，節(jié)省軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)庫以及組態(tài)軟件的重復(fù)投資建設(shè)，建設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)平臺和監(jiān)控平臺以及傳輸平臺為一體的綜合性自動(dòng)化的系統(tǒng)，達(dá)到一次性的投資和管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長期的受益。

2.2.3 管理效益。為了使煤礦企業(yè)在進(jìn)行煤礦生產(chǎn)時(shí)能夠有效地進(jìn)行整體的管理和調(diào)度，必須要建設(shè)一個(gè)管理和監(jiān)測融為一體的煤礦綜合自動(dòng)化的系統(tǒng)，這樣一來就可以不斷提高煤礦集中管理的效率，為煤礦企業(yè)提供了一個(gè)可靠安全又高效的管理平臺。

2.2.4 生產(chǎn)效益。煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)，可以在設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候，能更有效地進(jìn)行判斷和分析，從而盡量減少停機(jī)事故的發(fā)生，延長設(shè)備的使用壽命，減少在進(jìn)行人工操作時(shí)造成的操作失誤，此外還可以解決運(yùn)輸上的管理和調(diào)度問題，進(jìn)一步提高運(yùn)輸?shù)墓ぷ餍省?/p>

3 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則

煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)需要滿足全面性、計(jì)劃性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性、預(yù)見性、務(wù)實(shí)性、靈活性等特性，在進(jìn)行煤礦的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中要遵循以下五個(gè)方面的原則，才能使整個(gè)建設(shè)更加合理有效和完整：

3.1 人機(jī)能夠協(xié)調(diào)配合完成工作的原則

煤礦的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)平臺的建設(shè)需要達(dá)到一種在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)任何故障的情況下都能夠自動(dòng)報(bào)警的狀態(tài)，并且能夠有效地完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，從而使整體的管理以及監(jiān)測的工作效率都能夠提高。

3.2 通過信息資源的有效整合實(shí)現(xiàn)綜合管理的原則

各個(gè)部門之間應(yīng)該有效的實(shí)現(xiàn)信息的互通和共享，不能沒有溝通和銜接，各自為政，達(dá)到既沒有多余無用的信息，又要保持信息的全面和豐富，在安全保密的前提下使每一個(gè)部門的工作人員都能夠很容易得到自己所需要的信息。

3.3 兼顧分步實(shí)施與統(tǒng)一規(guī)劃的原則

在建設(shè)煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的體系時(shí)，要同時(shí)兼顧分步實(shí)施與統(tǒng)一規(guī)劃，進(jìn)行任務(wù)計(jì)劃的分配時(shí)，從總體的目標(biāo)出發(fā)，然后把建設(shè)的任務(wù)逐步的向下傳達(dá)，任務(wù)傳達(dá)完之后在具體實(shí)施任務(wù)的時(shí)候，要遵循從高到低、從下往上的原則，也就是首先要根據(jù)底層部門的實(shí)際情況，逐步往中層和高層邁進(jìn)，一步步地最終完成目標(biāo)計(jì)劃。這樣不僅可以使整個(gè)規(guī)劃建設(shè)協(xié)調(diào)一致，不產(chǎn)生不必要的沖突和矛盾，還可以保證信息來源的有效性和信息處理時(shí)的依據(jù)性。

3.4 兼容并蓄的原則

應(yīng)該把各類子系統(tǒng)的功能都融合到煤礦的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的平臺中，在充分發(fā)揮各個(gè)子系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)集中有效的調(diào)度與監(jiān)控。

3.5 相對穩(wěn)定與適應(yīng)變化結(jié)合的原則

由于信息技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，煤礦產(chǎn)業(yè)很容易面臨技術(shù)與管理的革新，為了更快適應(yīng)新形勢的變化，煤礦的自動(dòng)化系統(tǒng)隨時(shí)會(huì)進(jìn)行調(diào)整和改造，因此在這種情況下，要盡量從長遠(yuǎn)的利益和目標(biāo)出發(fā)，不斷完善和穩(wěn)定系統(tǒng)的建設(shè)，使系統(tǒng)在生命周期內(nèi)不用頻繁的改造和更換，進(jìn)而達(dá)到能夠穩(wěn)定有效的使用。

4 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的整體架構(gòu)

煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要是以1000M的工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)支撐，它主要分為內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)兩層：內(nèi)網(wǎng)主要是為了防止病毒或者黑客的入侵等，進(jìn)而接入各個(gè)子系統(tǒng)和控制層；外網(wǎng)主要是為了方便公司內(nèi)部的管理人員以及行政人員進(jìn)行遠(yuǎn)程的管理和監(jiān)控，它的組成主要就是信

息網(wǎng)。煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)是由四個(gè)層次組成的：

4.1 接入層

它主要是為了實(shí)現(xiàn)與各個(gè)子系統(tǒng)的有效接入，把系統(tǒng)智能的控制設(shè)備和各個(gè)子系統(tǒng)通過接口或者其他的工業(yè)總線有效接入1000M工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)則通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與1000M以太網(wǎng)的接入。

4.2 數(shù)據(jù)的收集處理層

它主要是為了實(shí)現(xiàn)對各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)收集和處理，各個(gè)子系統(tǒng)把系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)收集處理層，然后再經(jīng)過一定的處理之后形成一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，接著再上傳到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，最后是把統(tǒng)一之后的數(shù)據(jù)上傳到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺。這樣一來就能夠方便上層系統(tǒng)隨時(shí)的顯示、調(diào)用和處理。

4.3 控制層

控制層是一個(gè)開放性的網(wǎng)絡(luò)，它連接了整個(gè)操作監(jiān)控站的計(jì)算機(jī)以及其他的智能控制單元，是整個(gè)煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的中間層。它主要是實(shí)現(xiàn)對各個(gè)子系統(tǒng)的控制和監(jiān)視，控制層的設(shè)備為了能夠防止井下出現(xiàn)安全事故的發(fā)生，適應(yīng)井下的特殊工作環(huán)境，選用專門的具有煤礦防爆合格證和煤礦安全標(biāo)志的設(shè)備，而且還采用了先進(jìn)的智能控制設(shè)備，具有高技術(shù)、高可靠性的特性。為了減少網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)，進(jìn)而增強(qiáng)通訊網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)具備的生存能力，現(xiàn)場要采用放射式的冗余網(wǎng)絡(luò)，

通過建立一個(gè)環(huán)狀的光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。

4.4 信息層

所謂的信息層主要采用的是工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)把服務(wù)器、人機(jī)接口和網(wǎng)關(guān)通過Web服務(wù)器連接到整個(gè)管理信息系統(tǒng)平臺上，從而實(shí)現(xiàn)對公司內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)信息的管理和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。這種技術(shù)適應(yīng)了當(dāng)今信息技術(shù)的發(fā)展，有效地避免了由于黑客或者病毒的侵入而造成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓的問題，能夠通過圖形、圖像、聲音以及數(shù)據(jù)等不同的方式來為管理人員提供決策的依據(jù)，方便他們進(jìn)行各類報(bào)表的查詢，提供了一個(gè)安全的生產(chǎn)信息。

5 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)

5.1 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)對于其時(shí)效性和即時(shí)性的要求非常高，它在整個(gè)煤礦安全生產(chǎn)的調(diào)度過程中起著不可替代的重要作用，通訊系統(tǒng)主要分為無線的通訊系統(tǒng)和有線的通訊系統(tǒng)，最終的目的都是為了保障在任何情況和任何狀態(tài)下都盡量能夠有效地運(yùn)行通訊系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的聯(lián)系。

5.1.1 無線的通訊系統(tǒng)。無線通訊系統(tǒng)的建立為工作人員在進(jìn)行煤礦生產(chǎn)時(shí)遇到突發(fā)狀況時(shí)可以有效地進(jìn)行應(yīng)急救援提供了前提和基礎(chǔ)，也保障了生產(chǎn)的調(diào)度和安全監(jiān)控的有效實(shí)施，它主要是由礦井光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了系統(tǒng)主干傳輸平臺，用有線主干以及無線終端相結(jié)合的無線通信網(wǎng)絡(luò)來全權(quán)覆蓋煤礦井下的全部地點(diǎn)，包括地面上相關(guān)的重要部分，有效地實(shí)現(xiàn)了人員之間及時(shí)的語音通訊和人員之間的管理。無線的通訊系統(tǒng)主要是由電源、語音網(wǎng)關(guān)、管理主機(jī)、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、礦用無線通信基站等組成的，可以為各類的工作人員和監(jiān)測人員實(shí)施定位，還可以實(shí)現(xiàn)井上以及井下的無線通信。

5.1.2 有線的通訊系統(tǒng)。有線通訊系統(tǒng)的建立主要是因?yàn)榭紤]到無線的通訊系統(tǒng)會(huì)受到來自不同方面的干擾，抗干擾的能力比較差，從而造成通訊信號的混亂，因此才需要建立有線的通訊系統(tǒng)。有線通訊系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)在無線通訊系統(tǒng)受到強(qiáng)大的干擾而不能正常的進(jìn)行工作時(shí)，代替無線通訊系統(tǒng)完成井下的部分單機(jī)與地面之間的通話、井下某個(gè)地點(diǎn)與調(diào)度室之間的通話、井下的工作人員與地面工作人員間的通話、幾個(gè)工作人員同時(shí)的通話以及在出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)工作人員的緊急呼叫。有線通訊系統(tǒng)主要是由位于地面的主交換機(jī)與井下以及地面各地點(diǎn)的電話單機(jī)組成，各個(gè)地點(diǎn)的電話單機(jī)通過現(xiàn)場的總線連接到主交換機(jī)中。

5.2 工業(yè)電視系統(tǒng)

工業(yè)電視系統(tǒng)是煤礦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化信息化遠(yuǎn)程監(jiān)控的一個(gè)輔助系統(tǒng)，它可以直觀地對現(xiàn)場的重要的設(shè)備以及工作環(huán)節(jié)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的監(jiān)視，工業(yè)電視系統(tǒng)是由現(xiàn)場的傳輸光纜、防爆攝像機(jī)等組成的，可以有效地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的資源共享。

5.3 大屏幕顯示系統(tǒng)

通過設(shè)置大屏幕的顯示系統(tǒng)從而對煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的各種圖像以及視頻等進(jìn)行多畫面、高清晰的顯示和分析，配備多臺電視組成電視墻，可以通過這些進(jìn)一步清晰直觀地看到各種信息的展示，不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和集中調(diào)度，還可以使工作人員及時(shí)地做出判斷和處理。

5.4 不間斷的電源系統(tǒng)

不間斷的電源系統(tǒng)對于整個(gè)煤礦生產(chǎn)也是非常重要的，它主要是為煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)和計(jì)算機(jī)服務(wù)器等重要設(shè)備提供不間斷的電源支持，在出現(xiàn)大面積停電的時(shí)候，可以有效地應(yīng)對這種突發(fā)狀況，使整個(gè)系統(tǒng)能夠保持正常的工作，而且還保證煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)橥蝗坏耐ｋ娛鹿识斐蓳p壞。

5.5 集控中心機(jī)房

集控中心機(jī)房主要是包括空調(diào)的工程、電氣工程以及安全工程、消防工程與設(shè)備監(jiān)控工程等部分，它的環(huán)境不僅是為了滿足工作人員對溫度、濕度以及噪音干擾等

的需求，還為了滿足計(jì)算機(jī)等各種微電子設(shè)備的需求。

5.6 接地防雷系統(tǒng)

接地防雷系統(tǒng)是為了避免由于巨大的電流以及雷擊對電信和各種計(jì)算機(jī)設(shè)備造成的危害，它是必須根據(jù)國家的相關(guān)規(guī)定和合理的標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)場的一些實(shí)際情況來進(jìn)行建設(shè)的，是為了最大限度地保障工作人員和相關(guān)設(shè)備的安全。

6 結(jié)語

煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)是煤礦企業(yè)發(fā)展的趨勢，也是必然要求，我們應(yīng)加快煤礦管理系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化和信息化的建設(shè)，為了保障煤礦的生產(chǎn)安全，為了能給煤礦的各項(xiàng)經(jīng)營與管理提供高效便捷的信息服務(wù)渠道，我們應(yīng)該結(jié)合當(dāng)今信息技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新的理念，進(jìn)一步總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，取其精華，去其糟粕，不斷完善和提高煤礦行業(yè)信息化的水平，實(shí)現(xiàn)有穩(wěn)定可靠的性能、快速準(zhǔn)確的應(yīng)用以及先進(jìn)實(shí)用、功能齊全的綜合自動(dòng)化集成系統(tǒng)，在大力保障煤礦安全生產(chǎn)的前提下創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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作者簡介：劉會(huì)軍（1974-），男，湖北鄂州人，神華新疆能源有限責(zé)任公司工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：周 瓊）