礦井自動化技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)

文/王文生

礦井自動化技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)

文/王文生

作為開灤集團(tuán)本埠最年輕的礦井，東歡坨礦業(yè)分公司是百年開灤持續(xù)發(fā)展、永葆生機(jī)的新一代增長極。2009年，歡礦公司被開灤集團(tuán)列入綜合自動化示范型礦井，通過深入推進(jìn)應(yīng)用自動化、信息化技術(shù)，礦井年生產(chǎn)能力實(shí)現(xiàn)了由6年前的245萬噸到現(xiàn)在450萬噸的飛躍。

一、實(shí)施礦井綜合自動化建設(shè)的現(xiàn)狀及意義

歡礦公司1987年開始建井，礦井初步設(shè)計(jì)規(guī)模為400萬噸/a，1995年經(jīng)歷了國家對基本建設(shè)“撥改貸”投資體制重大變革，在非常規(guī)狀況下開始了“以煤養(yǎng)礦、滾動發(fā)展、邊基建邊生產(chǎn)”的超常規(guī)建設(shè)歷程。但歡礦公司原始基礎(chǔ)較高，比如：風(fēng)井配備ZKZ-Dno.24軸流變頻主扇風(fēng)機(jī)，主井投入瑞典ABB公司四繩摩擦式交交變頻調(diào)速提升機(jī)，高端綜采面裝備支架最大支撐高度達(dá)到4.5米，機(jī)組裝機(jī)功率達(dá)到1515千瓦，開拓引入EBH-300硬巖掘進(jìn)機(jī)等等。2010年以來，公司突出內(nèi)涵發(fā)展，不斷加大資金投入，全面加快綜合自動化技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)，在“兩化”融合上進(jìn)行探索與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了信息匯總和遠(yuǎn)程監(jiān)控，形成了整個礦井生產(chǎn)和安全運(yùn)行的自動化控制模型。

在歡礦公司不斷發(fā)展的同時(shí)也存在諸多需要完善的地方，比如：信息化與自動化應(yīng)用之間的融合程度有待加強(qiáng)；信息化、自動化建設(shè)對安全、生產(chǎn)、經(jīng)營的貢獻(xiàn)率有待提高；信息應(yīng)用系統(tǒng)多以執(zhí)行層面為主的自動化形態(tài)，信息孤島在不同的業(yè)務(wù)范圍內(nèi)形成數(shù)據(jù)壁壘，系統(tǒng)分割形成業(yè)務(wù)流程中斷，管理策略相對缺乏；不能有效對生產(chǎn)和安全過程的問題進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)和決策等。近年來，隨著企業(yè)的快速升級，后續(xù)配套設(shè)備跟進(jìn)嚴(yán)重滯后，設(shè)備新度系數(shù)持續(xù)下降。企業(yè)面對煤炭經(jīng)濟(jì)形勢的新常態(tài)，迫切需要通過自動化建設(shè)驅(qū)動減人提效，實(shí)現(xiàn)企業(yè)由做大到做強(qiáng)的提升。

二、深化綜合自動化建設(shè)的規(guī)劃愿景

1.建設(shè)目標(biāo)

總體目標(biāo)：根據(jù)《信息化與自動化融合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、智能技術(shù)和煤礦生產(chǎn)工藝技術(shù)，堅(jiān)持因地制宜、立足實(shí)際、效益為先，打造具有歡礦公司自身特色的“兩化”融合發(fā)展路徑。

具體目標(biāo)：（1）采用最新成套的電腦軟件，通過數(shù)字化、模型化與可視化的軟件系統(tǒng)，建立全產(chǎn)業(yè)鏈計(jì)算機(jī)管理體系。（2）建立以光纖為主干，其他有線、無線方式為輔助的多媒體通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦山的分布數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享。（3）采用最新的網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)，自動采集、智能分析與可視化處理礦山生產(chǎn)過程、設(shè)備、安全與開采環(huán)境監(jiān)控等數(shù)據(jù)。（4）對礦井大型設(shè)備的PLC控制、視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)智能化集中監(jiān)控。（5）實(shí)現(xiàn)礦井全范圍人員與移動設(shè)備的定位、軌跡記錄；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程智能化調(diào)度與控制。

2.建設(shè)內(nèi)容

（1）網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺。網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺采用千兆光纖環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)覆蓋整個工業(yè)廣場及井下關(guān)鍵巷道節(jié)點(diǎn)，連接井上井下各控制系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)都能夠高速傳輸?shù)降V調(diào)度集控中心。（2）調(diào)度監(jiān)控平臺。建立多媒體的調(diào)度監(jiān)控平臺，系統(tǒng)的語音、視頻、控制數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)倉庫，通過調(diào)度集成監(jiān)控平臺可以對全礦井的各種信息進(jìn)行統(tǒng)一的管理。（3）系統(tǒng)接入平臺。由于煤炭開采的復(fù)雜性，現(xiàn)有的各個子系統(tǒng)廠家繁多，軟硬件結(jié)構(gòu)各異，需要開發(fā)適應(yīng)各個廠商的接口軟硬件協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整采集存儲，同時(shí)制定出符合國際標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議要求，使待建系統(tǒng)建成后直接接入系統(tǒng)平臺。（4）集成顯示系統(tǒng)。指揮中心大屏顯示系統(tǒng)采用高性能多路圖像服務(wù)器，能將整個生產(chǎn)系統(tǒng)中的監(jiān)控畫面及地面井下工業(yè)電視頻數(shù)據(jù)靈活展現(xiàn)，切換方便靈活，顯示設(shè)備采用無縫液晶拼接技術(shù)。（5）數(shù)字工業(yè)電視系統(tǒng)。采用高清數(shù)字化IP攝像機(jī)對工業(yè)廣場及井下關(guān)鍵部位進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和隱患，做出正確的調(diào)度指揮決策信息核實(shí)提供依據(jù)。

3.建設(shè)要求

（1）在網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)存儲上充分考慮硬件和軟件冗余，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。（2）當(dāng)環(huán)網(wǎng)上某子系統(tǒng)的通訊故障時(shí)，不影響整個網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。（3）下井電氣設(shè)備應(yīng)有“MA”認(rèn)證。網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（4）所有設(shè)備具備優(yōu)良的防雷和抗電磁等干擾能力；井下環(huán)境復(fù)雜，所采用的設(shè)備須防爆、防塵、抗高溫潮濕。（5）優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方案，保證數(shù)據(jù)服務(wù)器準(zhǔn)確的采集到子系統(tǒng)的工況及環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與控制。（6）系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面友好，操作簡單，維護(hù)方便。（7）設(shè)備選型高起點(diǎn)，綜合安全可靠性及兼容性，做到系統(tǒng)易擴(kuò)展、升級，易與其他系統(tǒng)子網(wǎng)互聯(lián)。（8）具備完善的全平臺故障報(bào)警功能，并形成歷史記錄，供統(tǒng)計(jì)分析。（9）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多媒體信息集成（自動控制系統(tǒng)、管理信息、視頻系統(tǒng)）。（10）綜合數(shù)據(jù)平臺具有全局歷史數(shù)據(jù)庫，能實(shí)時(shí)存儲分析各種數(shù)據(jù)，為統(tǒng)計(jì)分析提供依據(jù)。（11）各子系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，能夠?qū)崿F(xiàn)跨系統(tǒng)的聯(lián)控和數(shù)據(jù)傳輸功能。（12）建立完備的軟硬件安全措施，包括網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)備份、冗余電源等。（13）高速工業(yè)環(huán)網(wǎng)性能指標(biāo)：一是骨干網(wǎng)采用1Gbit高速光纖環(huán)網(wǎng)；二是環(huán)網(wǎng)故障自動冗余，恢復(fù)時(shí)間＜50ms。

三、礦井綜合自動化的支撐平臺

1.網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺

建立礦山綜合自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖傳輸（傳輸速率1Gbit），光纖骨干網(wǎng)絡(luò)把礦井的各子系統(tǒng)連接到此網(wǎng)絡(luò)平臺上?？刂浦行呐c礦調(diào)度室集成，對工業(yè)廣場及井下生產(chǎn)各控制子系統(tǒng)發(fā)布控制命令，各子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能在調(diào)度室顯示，收集所需的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過信息發(fā)布服務(wù)器聯(lián)接集團(tuán)公司信息管理網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與集團(tuán)公司之間的生產(chǎn)與管理信息交換。

2.監(jiān)控平臺

在此平臺上通過人機(jī)界面（HMI）實(shí)時(shí)監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)備工況，對各子系統(tǒng)進(jìn)行起停控制。通過存儲的歷史數(shù)據(jù)，對各子系統(tǒng)的設(shè)備狀況進(jìn)行分析、查詢、統(tǒng)計(jì)。建立統(tǒng)一的全系統(tǒng)人機(jī)界面，通過后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器監(jiān)控每個子系統(tǒng)，詳細(xì)了解其運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)協(xié)作、關(guān)聯(lián)操作。該系統(tǒng)預(yù)留國際標(biāo)準(zhǔn)通信接口及數(shù)據(jù)交換接口，便于后續(xù)子系統(tǒng)的納入、新系統(tǒng)的集成，便于系統(tǒng)的升級。

3.子系統(tǒng)接入

接入的在建子系統(tǒng)包括：地面變電系統(tǒng)、瓦斯抽放系統(tǒng)、制氮裝置控制系統(tǒng)、皮帶系統(tǒng)、電子秤系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)、人員跟蹤定位及考勤系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、瓦斯脫水系統(tǒng)等，并考慮在建和待建子系統(tǒng)的預(yù)留接口。

4.調(diào)度大屏系統(tǒng)平臺

大屏顯示系統(tǒng)目前主要有等離子拼接、DLP拼接和液晶拼接三種方式。窄邊液晶拼接顯示系統(tǒng)由于采用先進(jìn)的技術(shù)以及良好的顯示效果，已成為目前高端顯示系統(tǒng)的主流。液晶拼接大屏能同時(shí)顯示多種信息，顯示效果好，壽命長。由于采用高性能圖形服務(wù)器系統(tǒng)驅(qū)動液晶顯示器，可將各路工作站、計(jì)算機(jī)、視頻監(jiān)控、水文地質(zhì)等信息靈活地顯示在大屏上，大屏幕既可整體顯示一幅圖像，也可分別顯示多幅圖像，既可作為日常數(shù)據(jù)顯示，也可靈活應(yīng)對各種突發(fā)狀況時(shí)的顯示內(nèi)容速切換。

5.數(shù)字工業(yè)電視系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)主要由地面部分、井下部分、監(jiān)控中心集成三部分組成。地面安裝網(wǎng)絡(luò)攝像儀，井下安裝隔爆網(wǎng)絡(luò)攝像儀，用戶在客戶機(jī)上可以通過視頻服務(wù)器觀看數(shù)字視頻信號。同時(shí)，可選擇利用視頻解碼器的轉(zhuǎn)碼流功能，將網(wǎng)絡(luò)中的高清晰圖像轉(zhuǎn)換為一般質(zhì)量的圖像，以方便某些特定場合（如：節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)帶寬不足、存儲空間不足等）。

四、綜合自動化技術(shù)應(yīng)用及開發(fā)成果

歡礦公司搭建了以井下獨(dú)立環(huán)網(wǎng)，地面環(huán)網(wǎng)，核心服務(wù)器和綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)為工作模塊的自動化網(wǎng)絡(luò)平臺。采用西門子千兆高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，地面、井下雙光纖環(huán)網(wǎng)，所有設(shè)備數(shù)字化IP接入；視頻監(jiān)控、無線通信、人員定位、工業(yè)控制等實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一，并網(wǎng)運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等，經(jīng)過建立覆蓋礦區(qū)井上下的工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)均接入自動化平臺，具備遠(yuǎn)程控制能力。礦井自動化實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)系統(tǒng)控制的集中化、重要部位的可視化、井下人員的定位化、運(yùn)輸調(diào)度的智能化、大型運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的調(diào)速化、事故的自動預(yù)警預(yù)報(bào)。

歡礦公司自主科研成果也十分顯著。2010年底建成了總制熱量為29362kw，當(dāng)時(shí)全國煤炭行業(yè)規(guī)模最大的水源熱泵項(xiàng)目，其集控裝置通過PLC接口成功接入綜合調(diào)度指揮中心。2014年自主研發(fā)了采煤機(jī)遠(yuǎn)程故障預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，率先在2383綜采工作面投入應(yīng)用，在井下創(chuàng)新工作室內(nèi)模擬監(jiān)控臺上實(shí)現(xiàn)信號的采集和處理，效果良好。2015年建成了能源管控中心，實(shí)現(xiàn)了對公司生產(chǎn)生活用電進(jìn)行全方位自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，合理調(diào)整、分配排水等用電峰谷比，達(dá)到節(jié)能目的。

通過實(shí)施綜合自動化建設(shè)，歡礦公司減人提效效果顯著，2015年原煤產(chǎn)量較2009年增幅77.6%，人員純減近500人，人均年效率由400余噸/人·年激增到900余噸/人·年，增幅超200%，走出了一條具有歡礦特色的、以內(nèi)涵管理驅(qū)動“兩化”融合的綜合自動化創(chuàng)新發(fā)展之路。

（作者單位：開灤集團(tuán)東歡坨礦業(yè)公司）

（責(zé)任編輯：劉宏偉）