自動化平臺系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用

徐雪亮

摘 要：以許疃煤礦為例，闡述自動化平臺的概念、形成與發(fā)展和使用IFIX進行煤礦自動化平臺系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)，形成以礦井安全信息中心為核心，將煤流生產(chǎn)、通風、排水和壓風等設(shè)備的監(jiān)控整合，為礦井安全生產(chǎn)決策提供支撐。

關(guān)鍵詞：煤礦；自動化；iFIX；信息化；安全生產(chǎn)

中圖分類號：TD4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0163-02

煤礦是國家基礎(chǔ)能源行業(yè)，由于行業(yè)安全基礎(chǔ)薄弱，機械化程度不高，自動化控制系統(tǒng)在行業(yè)應(yīng)用處于初級階段，信息化和智能化基本未起步，雖然近年來各主要固定設(shè)備引入了自動化控制系統(tǒng)代替崗位操作工，但信息仍較為分散，無法為礦井的安全、生產(chǎn)調(diào)度提供高效、實時的數(shù)據(jù)支撐。以許疃煤礦為例，煤流生產(chǎn)系統(tǒng)、通風、排水和壓風等大型設(shè)備，雖然都有各自的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)無統(tǒng)一設(shè)計，采用的標準不一致，導(dǎo)致無法實現(xiàn)在礦井安全生產(chǎn)信息中心進行集控的監(jiān)測和控制。為了實現(xiàn)集中的監(jiān)測和控制，需要對這些自動化監(jiān)控子系統(tǒng)進行集成，采用統(tǒng)一的集成平臺和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，將各個自動化監(jiān)控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和集中監(jiān)管，從而為礦井的安全、生產(chǎn)調(diào)度提供實時準確的信息支撐。

1 自動化平臺的概念

自動化平臺是通過建立千兆傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)企業(yè)信息管理的信息化，其基礎(chǔ)為自動化控制系統(tǒng)工程，即機器設(shè)備、系統(tǒng)或生產(chǎn)管理過程，在沒有人或少人的直接參與下，按照人的要求，經(jīng)過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)預(yù)期的目標的過程。在實現(xiàn)子系統(tǒng)自動化控制的前提下，以生產(chǎn)自動化控制為基礎(chǔ)、企業(yè)管理信息化為本質(zhì)、系統(tǒng)可視化為直觀信息表現(xiàn)形式、決策分析為經(jīng)營管理依據(jù)的綜合信息管理系統(tǒng)，利用千兆局域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)視頻監(jiān)控、安全信息監(jiān)控、自動化控制各子系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控站所采集的信息和各安全設(shè)備的控制和監(jiān)測等，為煤礦建立一個集監(jiān)、管、控于一體的綜合型現(xiàn)代化礦井打下堅實的基礎(chǔ)。

2 自動化技術(shù)的形成和發(fā)展

自動化技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，它和控制論、信息論、系統(tǒng)工程、計算機技術(shù)、電子學(xué)、液壓氣壓技術(shù)、自動控制等都有著十分密切的關(guān)系，而其中又以控制理論和計算機技術(shù)對自動化技術(shù)的影響最大。自動化技術(shù)在中國的形成和發(fā)展經(jīng)歷了以下時期：一是自動裝置的出現(xiàn)，古代人類為了減輕自己的勞動，逐漸利用自然界的動力代替人力、畜力，以及用自動裝置代替人的部分繁難的腦力活動和對自然界動力進行控制。在歷史上出現(xiàn)了刻漏、候風地動儀、水運儀象臺等自動設(shè)施；二是自動化技術(shù)的形成，以瓦特發(fā)明離心式調(diào)速器作為代表，該時期已經(jīng)將自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如蒸汽機等；三是局部自動化，該時期經(jīng)典控制理論形成并得到廣泛發(fā)展，PID調(diào)節(jié)器在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，并使用電子模擬計算機來設(shè)計自動控制系統(tǒng)；四是綜合自動化時期，該時期現(xiàn)代控制理論開始形成發(fā)展，取得了重要的研究成果和進展，系統(tǒng)仿真、自適應(yīng)自校正控制器和遙測遙控遙感得到了廣泛的應(yīng)用，大系統(tǒng)理論、模式識別和人工智能技術(shù)開始出現(xiàn)和發(fā)展。

3 煤礦自動化平臺的內(nèi)容

煤礦自動化平臺要集成的系統(tǒng)包括原煤運輸系統(tǒng)、提升機監(jiān)控系統(tǒng)、地面篩分及裝車系統(tǒng)、通風機集控系統(tǒng)、壓風機集控系統(tǒng)和排水泵集控系統(tǒng)等已經(jīng)建成使用的子系統(tǒng)，同時具備接入安全監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)、礦井供電監(jiān)控系統(tǒng)和礦井水處理系統(tǒng)等系統(tǒng)的接口。

煤礦自動化平臺通過OPC、ODBC等數(shù)據(jù)接口，將各系統(tǒng)進行集成，每個子系統(tǒng)使用通訊與自動化平臺進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)采用開放式構(gòu)架，具備很強的擴展能力。平臺總體構(gòu)架分為三個部分：信息層、控制層和設(shè)備層。設(shè)備層為最基層，由各個自動化子系統(tǒng)構(gòu)成，控制層為中層，包括井上下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、服務(wù)器群和安全設(shè)備等，信息層通過安全設(shè)備與控制層進行數(shù)據(jù)交換，將自動化平臺的信息進行發(fā)布和供給指定人員進行管理。

總體拓撲圖設(shè)計如圖1。

工業(yè)環(huán)網(wǎng)采用赫斯曼工業(yè)級設(shè)備，保證井下高溫、高濕等惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運行。同時采用光線冗余環(huán)網(wǎng)工作模式，接節(jié)故障不影響整個系統(tǒng)性能；所有交換機采用赫斯曼模塊化千兆交換機，以避免網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點故障。網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計采用集成防火墻、IPS、防病毒、流量控制功能的UTM設(shè)備。

服務(wù)器群采用虛擬服務(wù)器技術(shù)，實現(xiàn)物理硬件與操作系統(tǒng)分離，從而提供更高的IT資源利用率和靈活性，虛擬機采用文件封裝，可以快速對其進行保存、復(fù)制和部署，從而實現(xiàn)零停機維護和連續(xù)的工作負載整合。

4 基于iFIX的自動化平臺軟件開發(fā)

自動化平臺采用世界領(lǐng)先的、SCADA軟件占有率世界第一的美國通用電氣公司（GE）的客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的多用戶實時HMI/SCADA軟件Proficy iFIX。iFIX是一套提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，過程可視化及過程監(jiān)控功能的工業(yè)自動化軟件解決方案。iFIX是Proficy工業(yè)自動化軟件解決方案家族中的HMI/SCADA軟件組件，實現(xiàn)過程監(jiān)控，并在整個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中傳遞信息。所有組件能無縫地集成為一體，實時、綜合反映復(fù)雜的動態(tài)生產(chǎn)過程。綜合信息信息集成平臺、控制平臺以及WEB發(fā)布平臺根據(jù)實際需求定制開發(fā)。

各個子系統(tǒng)建設(shè)由于沒有使用統(tǒng)一標準，系統(tǒng)間的接口方式和規(guī)約均不一致，通過采用不同的接入方式來解決接入問題。一是在上位機接入，通過OPC接口使系統(tǒng)和上位機之間進行數(shù)據(jù)交互，二是直接接入自動化控制子系統(tǒng)的設(shè)備，通過增加通訊接口或通訊模塊將下位機設(shè)備接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機，采用數(shù)據(jù)通訊驅(qū)動開發(fā)OPC接口來實現(xiàn)子系統(tǒng)和自動化平臺的數(shù)據(jù)交互。

5 工業(yè)網(wǎng)接入子系統(tǒng)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2。

膠帶輸送機運輸系統(tǒng)。接入方式：PLC以太網(wǎng)模塊，將PLC主站接入環(huán)網(wǎng)交換機。實現(xiàn)功能：集中監(jiān)控，實時顯示各煤流運輸設(shè)備狀態(tài)信息，故障及保護顯示，故障視頻聯(lián)動。

通風機監(jiān)控系統(tǒng)。接入方式：PLC以太網(wǎng)模塊，將PLC主站接入環(huán)網(wǎng)交換機。實現(xiàn)功能：集中監(jiān)控，實時監(jiān)測通風系統(tǒng)負壓、風量，實時監(jiān)視風機配用電機的電氣參數(shù)，實時監(jiān)測風機軸承溫度振動、電機溫度振動，超限報警，實時監(jiān)控風機開、停狀態(tài)。

井下排水監(jiān)控系統(tǒng)。接入方式：上位機以太網(wǎng)接口。實現(xiàn)功能：集中監(jiān)控。動態(tài)顯示井下泵房運行的工況，以及水流量的大小。實時顯示個水泵中各種傳感器的工作信息，對正/負壓、電機電流、定子溫度、軸承溫度、水位超限等故障類型進行顯示。具有遠程控制水泵的開/停功能，以及泵房其他設(shè)備的遠程控制控制功能，如電動閘閥、電磁閥的開合控制。

工業(yè)電視系統(tǒng)。接入方式：流媒體方式集成接入。實現(xiàn)功能：視頻聯(lián)動，設(shè)備啟停時，可以自動/手動彈出相關(guān)視頻。發(fā)生故障時，可以自動/手動彈出故障點視頻畫面。可以人為手動調(diào)出任意視頻點。

擴播通信系統(tǒng)。接入方式：音頻方式集成接入。實現(xiàn)功能：設(shè)備啟停時，自動擴音通知。定時定點不間斷擴音通知。礦井安全信息中心遠程控制區(qū)可以和各子系統(tǒng)之間任意雙向通信。

6 結(jié)束語

隨著煤礦行業(yè)的快速發(fā)展和自動化控制系統(tǒng)在煤礦更多的設(shè)備上進行使用，對大數(shù)據(jù)集成的要求也越來越高、越來越復(fù)雜，基于iFIX的自動化平臺系統(tǒng)在煤礦建成和應(yīng)用，將礦井涉及安全生產(chǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)進行整合，集中到單一的平臺上監(jiān)視監(jiān)控，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)調(diào)度的實時準確，滿足了各項發(fā)展要求，為礦井的安全生產(chǎn)運行營造了一個良好的環(huán)境。

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