“1+9”總控-分控自動化平臺的研究與應用

毛 浩

(陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719600)

近年來，隨著煤礦開采技術(shù)的發(fā)展以及煤礦企業(yè)對數(shù)據(jù)、系統(tǒng)、工業(yè)自動化的需求，越來越多的煤炭企業(yè)開始應用信息化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的類別主要包括辦公信息化系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)以及監(jiān)測類系統(tǒng)三大類，這些系統(tǒng)的出現(xiàn)與存在對于煤礦的生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化起到了不可估量的作用。然而，由于煤炭企業(yè)的信息化系統(tǒng)存在數(shù)量眾多、建設(shè)廠家和建設(shè)時間先后不一以及使用版本多種多樣等因素，從而導致煤炭企業(yè)對信息化系統(tǒng)管理和運行繁瑣，部分信息化系統(tǒng)形成了數(shù)據(jù)孤島。此外，受到技術(shù)條件的限制，這些信息化系統(tǒng)對現(xiàn)場的實際控制及管理沒有達到理想的效果，對數(shù)據(jù)的利用也沒有達到預期的效果。

隨著自動化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦的應用不斷成熟，目前有條件和技術(shù)對上述問題進行修正。在工業(yè)4.0以及兩化融合的大背景下，以張家峁公司的“1+9”總控-分控自動化平臺為例，對張家峁公司信息化系統(tǒng)進行重新整合及升級改造。

1 張家峁公司的信息化系統(tǒng)現(xiàn)狀

張家峁公司位于陜西省榆林市神木縣北部，是一座大型的國有股份制煤炭企業(yè)。張家峁公司目前已經(jīng)實現(xiàn)了以井下千兆工業(yè)以太網(wǎng)、辦公局域網(wǎng)以及以3G無線傳輸網(wǎng)為一體的基礎(chǔ)數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺和統(tǒng)一的企業(yè)信息化應用平臺。在安全生產(chǎn)建設(shè)方面，完成了監(jiān)測和自動化的系統(tǒng)建設(shè)。由于網(wǎng)絡(luò)化、信息化、自動化等技術(shù)的應用，張家峁公司從管理、安全到生產(chǎn)已經(jīng)處于行業(yè)的先進水平。截至2015年，張家峁公司已經(jīng)形成了24個辦公信息化系統(tǒng)、25個自動化系統(tǒng)和17個監(jiān)測類系統(tǒng)，張家峁公司子系統(tǒng)現(xiàn)狀見表1。

表1 張家峁公司子系統(tǒng)現(xiàn)狀

張家峁公司建成的子系統(tǒng)通過相應的綜合自動化系統(tǒng)及上位機系統(tǒng)進行控制，由于各個子系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能不同以及隸屬在不同的區(qū)隊或者部門，因此每個子系統(tǒng)都需要有專門的人員負責維護和管理，管理相對比較繁瑣，而且浪費大量的人力資源。張家峁公司的綜合自動化系統(tǒng)自運行以來，受技術(shù)條件限制，對現(xiàn)場的控制沒有達到理想效果，具體表現(xiàn)如下：

(1)系統(tǒng)建設(shè)時受技術(shù)限制，達不到現(xiàn)有要求，如銷售地銷系統(tǒng)自動裝車等；

(2)實時數(shù)據(jù)服務器未能實現(xiàn)完全同步和冗余報警，且報表功能不完善；

(3)自動化系統(tǒng)建設(shè)基本停留在監(jiān)測階段，未實現(xiàn)遠程控制及無人值守；

(4)各單位之間的子系統(tǒng)銜接不夠緊密，存在數(shù)據(jù)信息孤島，工業(yè)化和信息化融合的程度不高。

基于以上種種原因，必須對現(xiàn)有張家峁公司子系統(tǒng)的技術(shù)運行及業(yè)務管理進行重新梳理，形成一種更適用于大型煤礦企業(yè)的綜合自動化模式，通過“1+9”總控—分控自動化平臺的實施，替代低端崗位和低端工種，對張家峁公司的井下、地面機房硐室全面實現(xiàn)無人值守和有人巡檢功能。

2 “1+9”總控-分控自動化平臺的數(shù)據(jù)采集與傳輸

實現(xiàn)“1+9”總控-分控自動化平臺首先要解決的問題就是消除信息孤島，實現(xiàn)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，達到數(shù)據(jù)層面的互聯(lián)互通與無縫對接，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和動態(tài)指令的全面應用。要實現(xiàn)這些目標，首先要對張家峁公司整體的現(xiàn)場運行生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)及經(jīng)營數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的采集和傳輸，形成張家峁公司大數(shù)據(jù)庫，然后再根據(jù)具體業(yè)務劃分逐個形成獨立的分控中心數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)的采集主要對象為礦井各個子系統(tǒng)的現(xiàn)場感知層，如各類傳感器、電力電表、智能設(shè)備等，采集后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過就近的PLC控制器進行就地匯總，視頻數(shù)據(jù)通過光纖匯總，上述數(shù)據(jù)接入張家峁公司的工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機或者就近企業(yè)網(wǎng)交換機，利用張家峁公司工業(yè)環(huán)網(wǎng)或者企業(yè)局域網(wǎng)傳輸至公司網(wǎng)絡(luò)處理中心的核心交換機，至此完成數(shù)據(jù)的采集功能及數(shù)據(jù)傳輸功能。“1+9”總控-分控自動化平臺主要采集的子系統(tǒng)如下：

(1)PLC自動化控制系統(tǒng)。采集自動化子系統(tǒng)中的開關(guān)量和模擬量等信息，數(shù)據(jù)采集使用標準OPC接口與控制系統(tǒng)對接，生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔到實時數(shù)據(jù)庫。

(2)智能供配電系統(tǒng)。采集所有供配電系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)并歸檔到實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)高低壓數(shù)據(jù)監(jiān)測，包括電流和電壓數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障報警、電量監(jiān)測、遠程安全控制、各種操作日志等信息。

(3)工業(yè)電視系統(tǒng)。使用通用視頻瀏覽插件連接工業(yè)電視系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)電視報警、實時畫面查看、歷史畫面回放。

(4)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測。采集設(shè)備靜態(tài)資料、動態(tài)運行參數(shù)如溫度和振動等信息，并將數(shù)據(jù)歸檔到實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)在線監(jiān)控設(shè)備的振動頻譜、溫度以及設(shè)備報警等。

3 “1+9”總控-分控自動化平臺的基本架構(gòu)

“1+9”總控-分控自動化平臺的意義在于通過對原有自動化系統(tǒng)的業(yè)務進行梳理劃分、技術(shù)升級改造以及網(wǎng)絡(luò)平臺的充分應用，打造一種新的自動化管理模式，并優(yōu)于目前的多系統(tǒng)離散化控制，從而在管理升級的基礎(chǔ)上，達到無人值守和減人提效的目的?！?+9”的劃分是以礦井實際運行重要程度為基礎(chǔ)的，在這個基礎(chǔ)下，調(diào)度室作為礦井安全生產(chǎn)、日常運行和調(diào)度指揮的核心場所，代表該模式的 “1”，也就是總控中心?！?”代表該模式有9個分控單位，也就是分控中心。“1+9”總控-分控自動化平臺基礎(chǔ)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 “1+9”總控-分控自動化平臺基礎(chǔ)架構(gòu)示意圖

3.1 總控中心

總控中心實時監(jiān)視全礦的生產(chǎn)運行狀況，包括所有分控中心下子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，設(shè)備的狀態(tài)、參數(shù)、故障、報警、實時曲線、操作記錄等；可以自動生成基于全礦或者具體到某個子系統(tǒng)的生產(chǎn)統(tǒng)計報表；可以方便地查詢歷史數(shù)據(jù)、報警、曲線、操作記錄，以方便生產(chǎn)調(diào)度人員和各級領(lǐng)導實時掌握全礦每個細節(jié)的生產(chǎn)狀況，從而做出及時地調(diào)度和決策。總控中心可以對分控中心進行遠程控制，且遠程控制總是處于三級管控模式(就地控制—分控控制—總控監(jiān)控)下的第三級，其中就地控制優(yōu)先級最高，可以在現(xiàn)場巡檢人員發(fā)現(xiàn)狀況的時候進行直接就地停止，分控控制作為主要操作手段，采用3班8 h制度，在分控中心內(nèi)設(shè)置專職人員進行監(jiān)控，總控中心作為一般的全礦全景監(jiān)控，負責指揮生產(chǎn)，安排調(diào)度，同時具有操作權(quán)限，但在一般的情況下不做操作，操作級別最小。

總控中心的大屏可以實現(xiàn)礦井所有監(jiān)測類系統(tǒng)的匯總展示，大屏幕可以實時觀看與監(jiān)控各種信息，包括三維一張圖、視頻監(jiān)控、管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)圖像以及電腦、電視、實物投影儀、DVD等信號源的信息和計算機網(wǎng)絡(luò)信息等多種信息，可隨時對各種現(xiàn)場信號和各類計算機圖文信號進行多畫面顯示和分析，及時做出判斷和處理，發(fā)布調(diào)度指令，實現(xiàn)實時監(jiān)控和集中調(diào)度的目的。

3.2 分控中心

分控中心的劃分依據(jù)主要是按照礦井生產(chǎn)環(huán)節(jié)中涉及到的重要職能單位來劃分的，將張家峁公司的子系統(tǒng)按照業(yè)務需求劃分為9個分控單元，分別是機電分控中心、水電暖分控中心、機運分控中心、洗選分控中心、銷售分控中心、綜采分控中心、通風分控中心、安防分控中心以及掘進分控中心?！?+9”總控-分控自動化平臺子系統(tǒng)隸屬劃分見表2。

表2 “1+9”總控-分控自動化平臺子系統(tǒng)隸屬劃分

由表2可以看出，自動化系統(tǒng)和監(jiān)測類系統(tǒng)進行了隸屬劃分，而信息化辦公系統(tǒng)作為張家峁公司辦公平臺上的獨立辦公業(yè)務系統(tǒng)，也根據(jù)不同的分控中心業(yè)務在數(shù)據(jù)中心給予了賦權(quán)處理，各分控中心經(jīng)過劃分，在各自所屬的區(qū)域建設(shè)集控室，采用IFIX5.8作為上位機系統(tǒng)，利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)技術(shù)將所含子系統(tǒng)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中心調(diào)出，從而進行采集、存儲、查詢和統(tǒng)計分析，并在上位機系統(tǒng)中進行融合。每一個分控中心可以實現(xiàn)以下功能：

(1)實時監(jiān)控功能。分控中心通過視頻實現(xiàn)實時監(jiān)控各個子系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備情況。

(2)保護功能。分控中心實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的故障預警，并及時判斷后急停。

(3)控制功能。分控中心控制模式可選擇自動控制、半自動控制、手動控制、遠程控制，具備遠程/就地切換功能。

(4)操作模式轉(zhuǎn)換。分控中心控制下的子系統(tǒng)分為遠程和本地操作狀態(tài)以及自動、手動、半自動幾種操作模式，其優(yōu)先級控制方案為手動控制→遠程控制→自動控制。

(5)動態(tài)顯示功能。分控中心能夠?qū)崿F(xiàn)圖形動態(tài)顯示設(shè)備的運行狀態(tài)及參數(shù)。

4 “1+9”總控-分控自動化平臺的多樣化融合

在“1+9”總控-分控自動化平臺的建立過程中，對相關(guān)分控中心的非自動化業(yè)務也進行了梳理和融合，在前期基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集過程中，對視頻信息也進行了采集和匯總，根據(jù)隸屬的范圍不同，將所屬各個分控中心業(yè)務下的視頻信息進行調(diào)出，并在自動化操作系統(tǒng)的上位機操作畫面里進行視頻嵌入功能的實現(xiàn)，將自動化上位機的所處網(wǎng)段與視頻系統(tǒng)的網(wǎng)段聯(lián)通，同時開發(fā)視頻插件，通過與視頻源的連接及調(diào)用原攝像頭的流媒體資源(不直接調(diào)用攝像頭資源)，從而達到節(jié)省費用、充分利用資源、實時監(jiān)控重要場所以及形成集控人員新的操作習慣的目的。此外還有人員定位系統(tǒng)的嵌入等等，諸如此類，讓業(yè)務歸屬單位實時了解所轄范圍內(nèi)的設(shè)備、人員以及生產(chǎn)等動態(tài)。

5 “1+9”總控-分控自動化平臺的虛擬化應用

在“1+9”總控-分控自動化平臺的建設(shè)過程中，需要利用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，前期的網(wǎng)絡(luò)資源及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃已經(jīng)遠遠不能滿足需求，為此需要購置大量的核心交換機及網(wǎng)絡(luò)交換機，基于此次建設(shè)機遇，在思考網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的同時引入了虛擬化應用，并對張家峁公司的網(wǎng)絡(luò)進行了基于VLAN劃分的重新規(guī)劃。虛擬化應用的建設(shè)使用兩臺虛擬化核心交換機替換了原有的28臺交換機，在更新?lián)Q代的同時大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投入，這種思路的引入基于充分利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、計算機管理、虛擬化手段實現(xiàn)張家峁公司信息服務化和企業(yè)數(shù)字化，在張家峁公司數(shù)據(jù)中心建設(shè) “私有云”服務平臺，開發(fā)接口設(shè)計、數(shù)據(jù)管理、應用系統(tǒng)等，發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的按需服務的新型網(wǎng)絡(luò)服務模式，并通過虛擬化平臺的建設(shè)建立一體化管控系統(tǒng)，將生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備遠程診斷等相關(guān)傳感器和智能設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，利用信息技術(shù)將相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集存入數(shù)據(jù)庫進行綜合自動化控制與數(shù)據(jù)分析。張家峁公司虛擬化建設(shè)架構(gòu)示意圖如圖2所示。

虛擬化應用的建設(shè)夯實了“1+9”總控-分控自動化平臺的建設(shè)理念及建設(shè)成果，張家峁公司通過虛擬化平臺的建設(shè)將現(xiàn)場自動化系統(tǒng)及其它信息化系統(tǒng)融合在了一個整體的平臺上，應用更加直觀便捷，虛擬化平臺集成示意圖如圖3所示。

虛擬化應用可以滿足工作人員將文件上傳至辦公平臺的個人網(wǎng)盤，支持隨時隨地上傳下載，用戶文檔由張家峁公司網(wǎng)絡(luò)機房統(tǒng)一存儲管理保障資料存儲安全。同時支持外網(wǎng)辦公，張家峁公司人員可以實時登錄手機、pad等客戶端對張家峁公司虛擬化應用進行業(yè)務瀏覽，不受辦公地點、場合以及時間限制，同時還能夠減少系統(tǒng)管理員對數(shù)據(jù)中心及業(yè)務系統(tǒng)的維護工作量。

圖2 張家峁公司虛擬化建設(shè)架構(gòu)示意圖

圖3 虛擬化平臺集成示意圖

6 效益分析

張家峁公司通過“1+9”總控-分控自動化平臺的運行，實現(xiàn)了固定機房、硐室設(shè)備、主煤流運輸?shù)茸酉到y(tǒng)的集中遠程控制和管理，達到了“無人值守、有人巡檢”的運行模式，極大地提高了礦井生產(chǎn)效率。同時，多系統(tǒng)融合、礦井三維可視化、虛擬化平臺的應用等手段，集成了視頻、定位等信息在分控中心的交互實現(xiàn)，達到了設(shè)備、人員、車輛等虛擬現(xiàn)實交互和三維可視化綜合管理。張家峁公司“1+9”總控-分控自動化平臺的效益分析如下：

6.1 減人提效

(1)機運分控中心。機運隊員工總數(shù)共計119人，進行無人值守升級改造后將固定崗位變成巡檢工，減員人數(shù)為30人。

(2)水電暖分控中心。水電隊員工總數(shù)共計53人，本次升級只增加了部分設(shè)備的遠程控制，減員人數(shù)為5人。

(3)安防分控中心。安保及消防人員共計30人，通過安防分控建設(shè)，減員人數(shù)為10人。

(4)銷售分控中心。銷售分控通過建設(shè)達到的減員人數(shù)為12人。

(5)洗選分控中心。洗選分控通過建設(shè)達到的減員人數(shù)為15人。

以上合計減員103人，按照張家峁公司系統(tǒng)維護費用約為30萬元/a、人均收入10萬元/a計算，張家峁公司節(jié)約工資成本約為1000萬元/a?！?+9”總控-分控自動化平臺建設(shè)總投資約為500萬元，回報周期為6個月，回報率為200% 。

6.2 提高生產(chǎn)效率

采用“1+9”總控-分控自動化平臺進行集中控制管理后，按照故障停機恢復縮短0.5 h/次計算，故障次數(shù)按照50次/a計算，系統(tǒng)出煤量按照2000 t/h計算，可以提高產(chǎn)能為6萬t/a。原煤均價按照500元/t計算，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為3000萬元/a。

綜上可得，該自動化平臺帶來的經(jīng)濟效益為4000萬元/a。2017年9月，“1+9”總控-分控自動化平臺被中國煤炭工業(yè)協(xié)會授予全國“煤炭工業(yè)兩化深度融合示范項目”的榮譽稱號。