礦井監(jiān)控自動化系統(tǒng)架構(gòu)分析

劉茂榮

摘要：本文采用工業(yè)以太網(wǎng)和系統(tǒng)集成技術(shù)，構(gòu)建基于冗余環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)的多主傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，利用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動控制子系統(tǒng)有機(jī)地整合在一起，進(jìn)行信息加工處理，形成集數(shù)據(jù)、圖像、語音為一體的綜合自動化信息系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：煤礦監(jiān)測監(jiān)控；自動化系統(tǒng)

監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在我國煤礦生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛，如有環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視等，但是這些系統(tǒng)大部分各自獨(dú)立運(yùn)行，互不兼容，在井下形成了一個(gè)個(gè)“信息孤島”，信息資源不能得到充分利用，不利于煤礦企業(yè)進(jìn)行綜合管理和決策。為了更好地發(fā)揮各種監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的作用，協(xié)調(diào)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，必須對各監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整合，進(jìn)行綜合自動化系統(tǒng)的集成建設(shè)。

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，主干采用光纖傳輸，構(gòu)成一個(gè)千兆高速光纖環(huán)網(wǎng)，礦井各個(gè)監(jiān)測及生產(chǎn)子系統(tǒng)均接入環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)通過環(huán)網(wǎng)及核心交換機(jī)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度控制中心，調(diào)度控制中心發(fā)布的控制命令也由核心交換機(jī)及環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)礁鱾€(gè)子系統(tǒng)，主干傳輸速率可達(dá)到千兆，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，運(yùn)行效率高，并且提供了冗余鏈路，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)可以自動切換到備用鏈路，并同時(shí)在調(diào)度控制中心發(fā)布報(bào)警信息，以便可以及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行維護(hù)工作，從而提高了傳輸網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

（一）設(shè)備層

主要為各類傳感器、斷電控制器以及圖像攝像頭等設(shè)備，這些設(shè)備負(fù)責(zé)各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)與圖像等信息采集，設(shè)備通過光纖直接連接到井下的多功能監(jiān)控分站，并將采集到的信號傳輸?shù)奖O(jiān)控分站，將監(jiān)控分站的控制指令發(fā)送到現(xiàn)場設(shè)備；

（二）控制層

控制層主要是接受現(xiàn)場設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)分類顯示、事件報(bào)警、控制以及與中心站的數(shù)據(jù)通訊等，通過以太網(wǎng)交換機(jī)和監(jiān)測監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合起來；

（三）信息層

地面調(diào)度監(jiān)控中心是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測受控設(shè)備的運(yùn)行狀況，工業(yè)應(yīng)用服務(wù)器IAS上傳信息，并顯示InTouch組態(tài)畫面，同時(shí)對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過Web發(fā)布，可以隨時(shí)通過Internet查看監(jiān)控點(diǎn)。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)、圖像、聲音等方式顯示安全監(jiān)測與安全生產(chǎn)信息，為管理人員提供決策依據(jù)。

二、網(wǎng)絡(luò)布置

2臺主干環(huán)網(wǎng)核心交換機(jī)，選擇的是赫斯曼的MACH4002，2臺核心交換機(jī)之間傳輸速率為1000Mbit/s，確保滿足分別連接在2臺核心交換機(jī)上的所有的服務(wù)器和工作站的全速互聯(lián)要求，保證了通訊數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

工程設(shè)計(jì)在地面安放工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)11臺，井下安放12臺，井上和井下交換機(jī)各自形成環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)通過核心交換機(jī)接入調(diào)度控制中心，構(gòu)成了工業(yè)以太網(wǎng)寬帶平臺。

三、子系統(tǒng)接入方案

煤礦綜合信息系統(tǒng)包括的子系統(tǒng)主要有通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、中央泵房系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、變電所系統(tǒng)、安全監(jiān)測和輸送帶運(yùn)輸系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)的控制方式主要有上位機(jī)、PLC、串口等形式，因此可以將各子系統(tǒng)的接入方式劃分為后臺機(jī)方式接入、PLC接入和串口接入方式，下面分別從硬件和軟件2方面討論各子系統(tǒng)的接入方式：

（一）硬件方面

1.后臺機(jī)方式接入通風(fēng)機(jī)、軌道衡、選煤廠、灰分儀、碼頭裝卸載以及深度水處理等子系統(tǒng)，在后臺機(jī)中加入以太網(wǎng)網(wǎng)卡模塊，將該子系統(tǒng)連接在工業(yè)以太網(wǎng)上，由此接入監(jiān)控中心；

2.PLC接入輸送帶運(yùn)輸系統(tǒng)、主井裝卸載系統(tǒng)、中央泵房系統(tǒng)等采用PLC控制器控制的子系統(tǒng)，通過在PLC控制器中增加以太網(wǎng)網(wǎng)卡，將該子系統(tǒng)連接在工業(yè)以太網(wǎng)上，由此接入監(jiān)控中心；

3.串口接入方式地面110kV變電所、5307工作面、中央變電所等子系統(tǒng)，通過串口服務(wù)器將串口信號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)環(huán)網(wǎng)，可通過第3方開發(fā)的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊，由此接入監(jiān)控中心。

（二）軟件方面

1.采用后臺機(jī)接入的子系統(tǒng)，上位機(jī)使用的接口軟件組態(tài)王6.53版本與GE公司的CIMPLICITY6.0，均提供標(biāo)準(zhǔn)的OPC服務(wù)，采用OPC標(biāo)準(zhǔn)接口與調(diào)度中心組態(tài)軟件IAS進(jìn)行通訊；

2.采用PLC接入的子系統(tǒng)，IAS通過DASERVER直接連接PLC，讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)；

3.采用串口接入的子系統(tǒng)，通過SYMLINK軟件，將CDT和MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的OPCSERVER，進(jìn)而組態(tài)軟件IAS進(jìn)行通訊。

四、系統(tǒng)軟件平臺

煤礦綜合監(jiān)測監(jiān)控軟件程序功能復(fù)雜，并且內(nèi)容比較多，有人機(jī)界面處理、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫訪問、查詢打印、實(shí)時(shí)性處理以及控制等功能要求。因此系統(tǒng)采用萬偉公FactorySuiteA2工業(yè)自動化軟件開發(fā)平臺來建設(shè)。本系統(tǒng)所需FactorySuiteA2軟件平臺組件主要包括工業(yè)應(yīng)用服務(wù)器IAS，輸入輸出服務(wù)器I/O Server，HMI（人機(jī)界面）軟件InTouch，工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件InSQL，界面發(fā)布軟件SuiteVoyager，數(shù)據(jù)分析工具軟件ActiveFactory。IAS具有以下特點(diǎn)：

（一）IAS將工業(yè)自動化應(yīng)用程序的開發(fā)設(shè)計(jì)能力與可伸縮性帶入了一個(gè)新紀(jì)元。它提供了全新的一層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取、報(bào)警與事件管理、數(shù)據(jù)處理服務(wù)及協(xié)作開發(fā)功能，它是簡化分布式自動化應(yīng)用程序開發(fā)、部署、維護(hù)及管理的一種基礎(chǔ)架構(gòu)。它可以顯著降低開發(fā)成本和運(yùn)行成本，快速響應(yīng)，并能適應(yīng)發(fā)展的需要。

（二）IAS在進(jìn)行應(yīng)用升級與擴(kuò)充時(shí)，不需要停止和重新啟動整個(gè)系統(tǒng)，并能集中管理整個(gè)系統(tǒng)的診斷工作，節(jié)省系統(tǒng)診斷和檢修時(shí)間。

五、結(jié)論

本監(jiān)控軟件提供了可視化的操作界面，畫面內(nèi)容豐富，包含了所有生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)圖，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制、事件順序記錄顯示、報(bào)警顯示、實(shí)時(shí)歷史運(yùn)行曲線等功能。調(diào)度人員通過各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的顯示界面可以實(shí)時(shí)地了解各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（作者單位：陜西陜煤黃陵礦業(yè)集團(tuán)黃陵一號煤礦）