基于Ethernet的煤礦井下SCADA系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉明昌

(神東煤炭集團信息管理中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

遠程監(jiān)控是礦山井下安全生產(chǎn)的重要保障系統(tǒng)之一，機電設(shè)備或系統(tǒng)能否安全、有效、經(jīng)濟地自動運行不僅影響井下崗位的數(shù)量，而且關(guān)系到整個礦井的生產(chǎn)與安全。

目前，大部分煤礦綜合自動化系統(tǒng)屬于二級SCADA，直接在生成流程中對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)測和控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及報警等。這種系統(tǒng)側(cè)重于單一設(shè)備或系統(tǒng)的監(jiān)測與管理，數(shù)據(jù)量較小，各個系統(tǒng)自成體系，各自為政，造成信息平臺不能綜合使用，重復(fù)建設(shè)，系統(tǒng)維護量大等一系列問題。如哈拉溝煤礦原有綜合自動化系統(tǒng)即是主要針對PLC單元控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。

神東煤炭集團公司的LCS礦井監(jiān)控系統(tǒng)在哈拉溝煤礦上線使用，目的在于搭建一個平臺，建立一套綜合的井下SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)井下多種設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控以及信息共享，提供多方位井下設(shè)備和系統(tǒng)的上位監(jiān)控集成途徑，對整個煤礦的設(shè)備進行整體管控。

哈拉溝煤礦井下有2臺順槽膠帶機保護器、5個自動排水點、多臺移動變電站和智能開關(guān)正在自動運行卻并沒有實現(xiàn)在線監(jiān)控，如何針對這些零散設(shè)備進行整合，對于建立綜合SCADA系統(tǒng)具有重要意義。文中主要分析了哈拉溝煤礦SCADA系統(tǒng)的實踐應(yīng)用與研究過程，對提高礦井生產(chǎn)安全性和生產(chǎn)效率發(fā)揮了重要的作用。

1 系統(tǒng)功能及設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)上傳與共享：機電設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳與共享，通過以太網(wǎng)交換機、串口服務(wù)器采集各設(shè)備或系統(tǒng)參數(shù)，由OPC服務(wù)器對外共享。

實時遠程監(jiān)控：調(diào)度室監(jiān)控系統(tǒng)通過和OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，達到遠程監(jiān)控的目的，并且能夠在確保系統(tǒng)安全運行的前提下有效地減少勞動崗位。

數(shù)據(jù)存儲和分析：通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、歷史曲線調(diào)用、故障記錄查看等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多元化分析設(shè)備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障，提升設(shè)備檢修效率和使用壽命的目的。

1.2 SCADA系統(tǒng)整體設(shè)計

哈拉溝煤礦SCADA系統(tǒng)采用多元結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)上傳單元、數(shù)據(jù)驅(qū)動單元，上位監(jiān)控單元組成?，F(xiàn)場執(zhí)行單元為現(xiàn)場自動化設(shè)備，其自身采集各項參數(shù)，具有RS 485或者以太網(wǎng)通信功能，可完成數(shù)據(jù)采集、通信控制等多重功能，是系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)上傳單元為具備RS 485串口通訊和以太網(wǎng)通訊功能的通信設(shè)備，負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備與地面間的遠距離數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)驅(qū)動單元完成不同設(shè)備通訊的驅(qū)動環(huán)節(jié)，通過解析ModBus等協(xié)議采集設(shè)備參數(shù)并標(biāo)準(zhǔn)化為OPC協(xié)議供上位監(jiān)控單元使用，上位監(jiān)控單元完成系統(tǒng)組態(tài)、人機交互界面，數(shù)據(jù)存儲、展示分析等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SCADA 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.3 SCADA 系統(tǒng)硬件設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

SCADA 控制系統(tǒng)硬件主要由調(diào)度室監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)備，工控機、井下網(wǎng)絡(luò)交換機、井下現(xiàn)場設(shè)備組成，構(gòu)成原理如圖2所示。

井下設(shè)備有華寧KTC150膠帶機保護器，常州聯(lián)立KJ15組合開關(guān)，北京朗威達移動變電站綜合保護器，南京雙京智能30 A開關(guān)、濟寧同創(chuàng)自動排水控制器等多種設(shè)備，井下網(wǎng)絡(luò)交換機選用重慶煤科院的KJJ-15A型網(wǎng)絡(luò)交換機，該交換機具有4個RS 485串口服務(wù)器模塊和6個網(wǎng)絡(luò)接口，串口服務(wù)器模塊提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)S 485串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)RS 485串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，使得移動變電站、膠帶機保護器、聯(lián)立組合開關(guān)和智能30A開關(guān)等串口設(shè)備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能，連接網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信，極大地擴展串口設(shè)備的通信距離。網(wǎng)絡(luò)接口可以連接自動排水開關(guān)PLC的TCP/IP接口，并且完成與地面網(wǎng)絡(luò)交換機通訊，OPC服務(wù)器工控機選用研華6110L型，通過以太網(wǎng)和井下設(shè)備或串口服務(wù)器通訊，調(diào)度室監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)備為神東煤炭集團公司的LCS礦井監(jiān)控系統(tǒng)，包括OPC客戶端主機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、接口服務(wù)器、工控服務(wù)器、終端監(jiān)控主機和一系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，系統(tǒng)通過以太網(wǎng)和OPC服務(wù)器通訊。

圖2 系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖

1.4 SCADA 系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備和執(zhí)行流程

SCADA控制現(xiàn)場設(shè)備以濟寧同創(chuàng)工礦設(shè)備有限公司的KXJ-2X400/1140(660)S 型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型自動排水控制器為例介紹，該控制器核心部件采用西門子PLC，集檢測、控制、保護與一體?？刂乒δ芴攸c為：①雙電源雙回路一用一備；根據(jù)水量大小，一臺泵正常工作，出現(xiàn)故障能自動切換；水量大時可控制2臺水泵同時工作；②控制器具有過載、短路、缺相、過壓、欠壓，漏電閉鎖、風(fēng)電閉鎖，高、低水位故障報警，自動排水雙保護等各種保護功能；③通信方式—RS485或以太網(wǎng)通信直接接入井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，進行數(shù)據(jù)交換；④所組成的系統(tǒng)具備自動控制、手動控制，遠控、報警與故障上傳功能；⑤控制器可以通過上位機進行遠方控制，并監(jiān)控實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)進行管理。

控制器的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行流程

當(dāng)高位檢測探頭動作后，主回路工作(各電磁球閥、電動砸閥按順序工作)。如果水位繼續(xù)上升到超高位檢測探頭動作后，副回路工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)。此時2臺水泵同時工作當(dāng)水位下降到低位檢測探頭后，主副2個回路停止工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)，如此循環(huán)。當(dāng)高位檢測探頭動作后，主回路工作(各電磁球閥，電動閘閥按順序工作)。當(dāng)主回路出現(xiàn)故障后主回路停止工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)。自動切換到副回路工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)。當(dāng)水位下降到低位檢測探頭后，副回路停止工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)，如此循環(huán)。

2 SCADA 系統(tǒng)軟件與上位組態(tài)開發(fā)

2.1 SCADA 系統(tǒng)軟件應(yīng)用方案

SCADA 系統(tǒng)的軟件使用包括串口服務(wù)器管理軟件，OPC服務(wù)器軟件、LCS監(jiān)控系統(tǒng)軟件。其軟件應(yīng)用與數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)框圖如圖4所示。

圖4 SCADA 系統(tǒng)軟件應(yīng)用與數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)框圖

串口服務(wù)器管理軟件與串口服務(wù)器結(jié)合使用可實現(xiàn)工控機與井下設(shè)備的RS485通訊，串口服務(wù)器將RS485信號轉(zhuǎn)換TCP/IP協(xié)議進行發(fā)送，由串口服務(wù)器管理軟件讀取串口服務(wù)器端口數(shù)據(jù)，將內(nèi)容映射到虛擬串口供OPC服務(wù)器采集；OPC服務(wù)器軟件使用Kepware，該軟件可以驅(qū)動ModBus-TCP、ModBus-RTU協(xié)議的通訊模塊和多種PLC以及其他通訊設(shè)備，對于RS485類數(shù)據(jù)信號由虛擬串口讀取井下串口服務(wù)器上接入的信號，對于TCP/IP類信號直接通過以太網(wǎng)訪問井下設(shè)備的以太網(wǎng)通訊模塊，軟件讀取設(shè)備參數(shù)并標(biāo)準(zhǔn)化為OPC協(xié)議供調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)使用，調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件為神東煤炭集團公司的LCS礦井監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)通過與OPC服務(wù)器交互讀寫井下現(xiàn)場設(shè)備的寄存器，達到數(shù)據(jù)交互的目的，另外操作人員通過系統(tǒng)組態(tài)頁面的操作控件、數(shù)據(jù)曲線可以達到數(shù)據(jù)監(jiān)測、控制與分析等目的。

2.2 SCADA 系統(tǒng)上位組態(tài)開發(fā)

在串口管理軟件中配置設(shè)備連接：設(shè)置串口IP地址、串口端口號、設(shè)備地址、波特率、校驗位和虛擬串口號等參數(shù)。

在Kepware中配置設(shè)備連接：創(chuàng)建對應(yīng)串口或IP的連接通道，安裝對應(yīng)設(shè)備協(xié)議的驅(qū)動，創(chuàng)建OPCItem讀取設(shè)備寄存器，啟動運行KepServer。

配置LCS系統(tǒng)與KepServer的連接：首先配置KepServer所在工控機的分布式計算機訪問權(quán)限，其中包含OPCEnum和Kepware的訪問權(quán)限，然后在LCS系統(tǒng)中創(chuàng)建訪問該KepServer的相關(guān)配置。

在LCS系統(tǒng)中創(chuàng)建組態(tài)畫面：對顯示、操作控件鏈接相關(guān)OPCItem，并且設(shè)置狀態(tài)事件和報警觸發(fā)等內(nèi)容，達到在組態(tài)畫面中實時監(jiān)控的目的。LCS系統(tǒng)自動排水系統(tǒng)上位監(jiān)控界面如圖5所示，通過監(jiān)控界面中的當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示可以了解到系統(tǒng)目前為高水位，主泵回路正在運行，電流參數(shù)正常。通過界面中操作控件使用，可以完成設(shè)備啟停、復(fù)位和手/自動切換等操作。

圖5 SCADA 系統(tǒng)中自動排水系統(tǒng)上位監(jiān)控界面

在LCS系統(tǒng)中創(chuàng)建重要數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)存檔，達到可以調(diào)用歷史數(shù)據(jù)曲線、查看故障記錄、多元化分析設(shè)備故障的目的。SCADA系統(tǒng)自動排水系統(tǒng)水倉歷史曲線如圖6所示。另外從水倉水位歷史曲線中可以及時發(fā)現(xiàn)液位長期保持不變，明顯與實際情況不一致，可判斷為液位傳感器故障，需要檢修維護。通過圖7能夠同時查詢多路開關(guān)的多路電流歷史曲線，很好地分析歷史負(fù)荷情況，判斷多驅(qū)動設(shè)備各電機之間的功率電流匹配關(guān)系是否合理，達到有效利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的目的。

圖6 SCADA系統(tǒng)自動排水系統(tǒng)水倉歷史曲線

圖7 SCADA系統(tǒng)中聯(lián)立組合開關(guān)電流歷史曲線

3 系統(tǒng)的收益

(1)隨著零散設(shè)備和系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能實現(xiàn)，現(xiàn)場工作崗位也會隨之減少，必將大大地提高礦井設(shè)備的自動化水平，對企業(yè)的高產(chǎn)、高效、安全、優(yōu)質(zhì)、減人、增效發(fā)揮更大的促進作用。

(2)通過將各個零散系統(tǒng)整合到一套綜合SCA-DA 系統(tǒng)中，可以綜合分析利用各種數(shù)據(jù)資源，從系統(tǒng)工程的角度對礦山設(shè)備進行統(tǒng)一管理，解決各種意義上的“自動化孤島”和“信息孤島”現(xiàn)象，發(fā)揮自動化集成的最大收益。

4 結(jié)語

通過SCADA系統(tǒng)的設(shè)計與實施，實現(xiàn)了井下自動化設(shè)備與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、互聯(lián)互通、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等目的。本文將SCADA系統(tǒng)應(yīng)用于井下各個離散系統(tǒng)中，避免了企業(yè)重復(fù)建設(shè)各子系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，通過建立一套綜合SCADA系統(tǒng)，整合了系統(tǒng)中各種資源，大幅提高了礦山的數(shù)字化水平與設(shè)備的自動化水平，為數(shù)字礦山、智能礦山的建設(shè)發(fā)揮了重要作用。