對礦井綜合自動化和信息化平臺的設(shè)計分析

劉霜

（百色百礦集團有限公司 廣西百色市 533000）

對礦井綜合自動化和信息化平臺的設(shè)計分析

劉霜

（百色百礦集團有限公司 廣西百色市 533000）

煤礦開采環(huán)境具有一定的特殊性，極容易導致事故的發(fā)生，要想實現(xiàn)高產(chǎn)高效煤礦開采目的，必須要對煤礦生產(chǎn)過程與全礦井安全環(huán)境進行嚴格的監(jiān)控與監(jiān)測，同時，在煤礦行業(yè)發(fā)展過程中，還需要實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息利用等方面的網(wǎng)絡(luò)化、智能化與自動化?；诖?，本文簡單分析了煤礦綜合自動控制系統(tǒng)構(gòu)成，并在以礦井綜合自動化信息化平臺為主體的基礎(chǔ)上，以礦用光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場總線等技術(shù)為輔助，共同構(gòu)建礦井綜合自動化監(jiān)測監(jiān)控信息平臺工程。

數(shù)字化礦井；安全監(jiān)控；綜合自動化信息化平臺

1 前言

在煤炭企業(yè)生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的自動控制主要是各個PLC之間不存在相互通訊，且各自獨立作業(yè)，對于生產(chǎn)中發(fā)生的問題，也不能與其他設(shè)備進行統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)的調(diào)整，設(shè)備間的不兼容性大大增加了技術(shù)人員的工作量與技術(shù)困難，并且還大大增加了設(shè)備維護作業(yè)的時間與精力。

2 煤礦綜合自動控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 自動化系統(tǒng)組成

自動化系統(tǒng)要集成的子系統(tǒng)包括：①礦井安全監(jiān)測子系統(tǒng)：實時監(jiān)測井下瓦斯?jié)舛群屯L狀況等各項礦井環(huán)境參數(shù)。②綜合開采工作面生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)：對采煤機與全自動的液壓支架的有關(guān)數(shù)據(jù)進行有效的采集，并在此基礎(chǔ)上，對采煤機與液壓支架以及運輸系統(tǒng)在煤礦現(xiàn)場情況進行嚴格的監(jiān)測。③主扇風機系統(tǒng)：通過運用此系統(tǒng)，可實時檢測到地面主扇風機參數(shù)、各個重要配接設(shè)備運行情況以及主要運輸皮帶工作流程，從而更好地滿足井下持續(xù)送風送氧的需求。④主、副井提升監(jiān)測子系統(tǒng)：通過對西門子提升絞車計算機部分的改造，實現(xiàn)對提升絞車運行參數(shù)的實時監(jiān)控和對絞車狀況的診斷，并將數(shù)據(jù)由上位機上傳至調(diào)度室，提高礦井提升的安全性。⑤人員定位系統(tǒng)：通過該系統(tǒng)的運用，可對任意井下作業(yè)人員與車輛目前的位置或者是指定時間所在的區(qū)域進行查詢。

2.2 子系統(tǒng)的接入

要想構(gòu)建綜合自動化系統(tǒng)平臺，從而實現(xiàn)設(shè)備層，就必須要做好各子系統(tǒng)的接入操作。具體來說，就是要做好各子系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)物理層、協(xié)議層之間的接入問題。

子系統(tǒng)硬件接入普遍采用以太網(wǎng)接口，但根據(jù)各子系統(tǒng)的控制點的分布、控制方式及控制對象的不同以及采用基于不同技術(shù)的控制器的特點，對已定子系統(tǒng)和待定子系統(tǒng)的情況進行分析，可采用以下接入方式：

（1）PLC接入：部分自動化系統(tǒng)主要是采用PLC進行相關(guān)控制的，例如主扇風機系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC增加以太網(wǎng)模塊、太網(wǎng)卡與周圍的交換機的物理網(wǎng)絡(luò)連接目的。

（2）上位機接入：采用以太環(huán)網(wǎng)、OPC/DDE/FTP接口協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)具有較強煤礦專業(yè)性的子系統(tǒng)與其主機的連接。

（3）子網(wǎng)絡(luò)接入：當前，部分自動化系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟，可自成網(wǎng)絡(luò)，對外也具有統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)接口，在此情況下，僅需要直接采用此接口就可實現(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺的目的。

（4）擴展接入：少數(shù)自動化系統(tǒng)雖然不具備以太網(wǎng)接口與上位機，但其支持RS485/232、現(xiàn)場總線等接口，所以可通過增加串口服務(wù)器等轉(zhuǎn)換設(shè)備的方式來將其他接口轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口。

在物理層聯(lián)接作業(yè)完成之后，需要采用有關(guān)軟件來對通信問題進行適當?shù)奶幚?。因各子系統(tǒng)廠家的上層協(xié)議存在一些差異，所以在采集數(shù)據(jù)時，應(yīng)當對多種通信協(xié)議的支持進行綜合的考慮。對于我國煤炭行業(yè)當前自動控制子系統(tǒng)廣泛采用的軟件通信協(xié)議，主要包括以下幾種：

（1）OPC 通信方式：通過 OPC（OLE for Process Contro1），不僅能夠儲存本地OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對分布在網(wǎng)上其他節(jié)點部位OPC服務(wù)器的存儲，具有安全、高效的優(yōu)勢。同時，若此系統(tǒng)支持有OPCSERVER的上位機及其軟件，就能夠以該上位機軟件包含的OPC方式實現(xiàn)通信。

（2）驅(qū)動通信方式：對于SCADA軟件而言，若其支持該自動化系統(tǒng)包含的PLC驅(qū)動，或者是該PLC具有OPCSERVER的驅(qū)動，就能夠直接采用SCADA軟件與PLC通信進行數(shù)據(jù)交換。

（3）DDE/Net DDE方式：DDE不僅能夠?qū)崿F(xiàn)本地DDE服務(wù)器數(shù)據(jù)的存儲，還可妥善儲存分布在網(wǎng)上其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)總體技術(shù)設(shè)計

3.1 礦井綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計要求

對于硬件設(shè)備的選型，應(yīng)當滿足國家有關(guān)標準要求。同時，對于要用于爆炸環(huán)境的設(shè)備，還需要滿足國家煤安認證中心認定的檢測機構(gòu)的防爆檢驗，并且在取得“防爆合格證”及煤礦安全標志證書之后才可投入使用。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）信息管理層。信息管理層主要有網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器、視頻服務(wù)器、個人計算機、工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備以及相關(guān)的管理軟件。同時，網(wǎng)絡(luò)主要是由基于TCP/IP的Ethernet組成，且Ethernet存在于全礦各個管理職能部門。

（2）控制層?？刂茖又饕畔优c控制層網(wǎng)關(guān)設(shè)備、信息中央控制站、傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場控制分站以及現(xiàn)場操作員站等。

（3）設(shè)備層。設(shè)備控制層主要組成部分包括各個專業(yè)的生產(chǎn)過程監(jiān)測與監(jiān)控子系統(tǒng)，通過設(shè)備控制層，可較好的完成煤炭生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的過程監(jiān)測以及自動化控制。此外，設(shè)備層主要的作用是對人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、風機在線監(jiān)控系統(tǒng)、井下運輸信集閉系統(tǒng)等主要設(shè)備進行一定的控制與監(jiān)測。

3.3 系統(tǒng)功能

（1）可對安全生產(chǎn)系統(tǒng)進行集中監(jiān)控。系統(tǒng)主要是由網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，可對網(wǎng)絡(luò)中各個子系統(tǒng)進行集中監(jiān)控。對于工控組態(tài)冗余系統(tǒng)，因其各工作站功能存在差異，所以可用于監(jiān)測、控制系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)，且在實際使用時，還可互為備用。

（2）顯示功能?？娠@示出各個膠帶機、風機與提升機等有關(guān)設(shè)施及全部信息的實時情況。此外，當被測參數(shù)出現(xiàn)超限、保護動作，以及相關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)生改變之后，還能夠發(fā)出語音與文字告警提示。

（3）控制功能?？蓪崿F(xiàn)遠程啟動、停止、測試與復(fù)位的效果，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)地面遠程編輯、故障屏蔽等目的。

（4）故障自診斷功能。可對發(fā)生故障的類型與位置進行準確的判斷，并且還能夠進行語音、圖像提示與打印輸出。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計、匯總。對數(shù)據(jù)進行綜合處理，能夠更好的滿足報表統(tǒng)計、曲線圖、柱狀圖顯示的要求，并且還能夠打印輸出。

（6）網(wǎng)絡(luò)功能?？膳c其他集體控制系統(tǒng)共同構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，并且還能納入全礦計算機局域網(wǎng)，以此來為礦井信息中心、礦領(lǐng)導以及有關(guān)部門對礦井下的各個系統(tǒng)的實際工作情況進行實時掌握提供基礎(chǔ)。

（7）掉電保護。為避免系統(tǒng)突然斷電導致系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失、控制失控，采用后備電源供電，以確保系統(tǒng)不間斷運行。

4 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺設(shè)計

4.1 網(wǎng)絡(luò)平臺整體設(shè)計

系統(tǒng)采用計算機網(wǎng)絡(luò)、光纖通信及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，并且在環(huán)境惡劣、人員設(shè)備分散、有特殊安裝要求的礦區(qū)構(gòu)建一個完全符合有關(guān)要求的地面、井下千兆互聯(lián)環(huán)網(wǎng)及地面生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)網(wǎng)，以此來形成一個礦井綜合控制和監(jiān)控的傳輸平臺。此外，對于網(wǎng)絡(luò)的核心，應(yīng)當采用開放型標準的以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議，其不僅支持環(huán)形冗余，可實現(xiàn)鏈路聚集，而且還可提供統(tǒng)一標準化的接入接口。

4.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲規(guī)劃

本方案設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)拓撲是在調(diào)度中心布置兩臺赫思曼生產(chǎn)的MACH4002-24G-L3P支持三層動態(tài)路由功能的核心交換機，每臺提供至少8個1000M光口，用于駁接環(huán)網(wǎng)；提供至少8個1000M電口，提供16個百兆電口用于駁接視頻服務(wù)器、全局工業(yè)控制網(wǎng)平臺交換機、各種服務(wù)器、上位機、操作站、工程師站等。

4.3 平臺軟件特點

①有標準的接口協(xié)議。此系統(tǒng)所采用的接口協(xié)議均為以太網(wǎng)絡(luò)、計算機與自控方面應(yīng)用的標準協(xié)議，該協(xié)議為綜合自動化其他系統(tǒng)互聯(lián)、互通目標的實現(xiàn)提供了幫助。②可擴展性較強。該系統(tǒng)主要采用的是模塊化設(shè)計，所以，無論功能的變更，還是子系統(tǒng)的添加，均不會影響到整個系統(tǒng)的架構(gòu)。同時還應(yīng)用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)來進行數(shù)據(jù)的整合工作，這不僅為其提供了數(shù)據(jù)訪問，還為ERP、OA等信息應(yīng)用系統(tǒng)提供了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而為后期數(shù)據(jù)分析工作的進行提供了幫助。③可實現(xiàn)客戶端零配置。該系統(tǒng)支持B/S結(jié)構(gòu)，而B/S結(jié)構(gòu)可使得客戶機的工作得到最大限度的簡化，可基本實現(xiàn)客戶機零配置，基于此，設(shè)備的維護操作僅需要在服務(wù)器上進行即可。由此可以看出，該系統(tǒng)的管理與維護較為簡便。

5 總結(jié)

通過煤礦綜合自動化信息系統(tǒng)集成平臺的設(shè)計，可較好的完成各類安全、生產(chǎn)、管理系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)參數(shù)的接入與匯總處理操作，并且還能采用智能化控制方案來有效的調(diào)控現(xiàn)場子系統(tǒng)。同時，調(diào)度中心還可通過標準化數(shù)據(jù)的采用來實現(xiàn)機制的共享，各級之間也可滿足功能擴展無縫連接的要求。通過調(diào)度信息處理平臺的構(gòu)建，可將各類安全、生產(chǎn)、管理系統(tǒng)接入中樞機構(gòu)，之后可提供規(guī)范化的接口，為智能化的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[1]任 毅，甲仲東，張 申.煤礦信息化體系結(jié)構(gòu)模型[J].工礦自動化，2004（s1）：10～15.

[2]朱文軍，盛邦清.煤礦自動化控制系統(tǒng)整合的研究與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2006（8）：23～27.

[3]吳麗珍，郝曉弘.基于Ethemet的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成研究與設(shè)計[J].計算機應(yīng)用研究，2006（9）：85～87.

TD67

A

1004-7344（2016）06-0164-02

?集成自動化在煤礦中的應(yīng)用[J].河北煤炭，2004（4）：26～27.

2016-1-14

劉 霜（1969-），男，助理工程師，大專，主要從事煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控工作。