煤礦綜合自動(dòng)化數(shù)據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)

仝衛(wèi)兵

（大同煤礦集團(tuán)朔州煤電有限公司安全應(yīng)急防控中心 ，山西 懷仁 038300）

0 引言

煤礦綜合自動(dòng)化平臺(tái)是根據(jù)管控一體化思想，以三層物理結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合自動(dòng)化，信息、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊的新理論和技術(shù)，采用世界先進(jìn)的自動(dòng)化產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、控制軟件，將煤礦生產(chǎn)管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，統(tǒng)一在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，形成一個(gè)統(tǒng)一、完整的有機(jī)整體。煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化、信息化的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。通過(guò)新興物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，可提高煤礦企業(yè)生產(chǎn)能力和信息管理能力，充分實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化、生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化和智能化，提升企業(yè)整體安全生產(chǎn)水平。所以確保過(guò)程控制層數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?、?zhǔn)確性、可靠性、安全性是其關(guān)鍵[1]。

1 小峪煤礦綜合自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前小峪煤礦綜合自動(dòng)化平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)水平較低，只有井上/井下皮帶集控子系統(tǒng)、井下排水集控子系統(tǒng)、井下防爆絞車集控子系統(tǒng)采用了西門(mén)子PLC300控制器直接接入井上中央PLC控制器，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)等由井下PLC300通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)S7通信傳輸?shù)降孛嬷笓]中心中央PLC400內(nèi)，實(shí)現(xiàn)集中控制。而其他集控系統(tǒng)采用的是各廠家不同控制設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不統(tǒng)一，沒(méi)有全面加入自動(dòng)化平臺(tái)；控制器之間經(jīng)常出現(xiàn)通訊故障，導(dǎo)致程序運(yùn)行中斷，大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能由地面調(diào)度中心及時(shí)獲取，無(wú)法全面檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況且生產(chǎn)故障不能被發(fā)現(xiàn)并處理。因此非常有必要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

2 基于OPC技術(shù)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

2.1 OPC技術(shù)原理及應(yīng)用

針對(duì)使用不同設(shè)備采集數(shù)據(jù)的所有生產(chǎn)系統(tǒng)，不管是已經(jīng)接入還是沒(méi)有完全接入綜合自動(dòng)化平臺(tái)均可以統(tǒng)一使用OPC技術(shù)采用CLIENT/SERVER模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。這樣便于系統(tǒng)組態(tài)，簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)，縮短軟件開(kāi)發(fā)周期，提高軟件運(yùn)行能力，使系統(tǒng)的升級(jí)與維護(hù)更為方便。OPC技術(shù)基于OLE（對(duì)象連接和嵌入）技術(shù),OLE/COM為通信標(biāo)準(zhǔn)，采用Client/Server模式，具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序由硬件廠商完成并提供具有統(tǒng)一OPC接口的SERVER程序，軟件廠商按照OPC標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)SERVER程序，這樣即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與底層各種不同廠家控制設(shè)備的數(shù)據(jù)通信[2]。OPC技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 OPC技術(shù)原理圖

2.2 基于OPC技術(shù)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是井上/井下機(jī)電裝備自動(dòng)化子系統(tǒng)的集成，是對(duì)整個(gè)煤礦所有系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制、監(jiān)測(cè)和管理的系統(tǒng)。礦井建設(shè)的生產(chǎn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)都可以通過(guò)OPC技術(shù)接入到礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中。一套完整的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)包括控制執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和信息管理層?；贠PC技術(shù)的礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）控制執(zhí)行層?？刂茍?zhí)行層由各種傳感器、PLC現(xiàn)場(chǎng)控制分站、現(xiàn)場(chǎng)操作員站等組成。各子系統(tǒng)利用智能傳感器和執(zhí)行器通過(guò)與PLC或上位機(jī)硬件通信,建立基于TCP/IP的硬件通信機(jī)制,采用OPC通信標(biāo)準(zhǔn)建立通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的軟件通信機(jī)制[2]。以完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和趨勢(shì)分析等功能，用戶就能隨時(shí)通過(guò)執(zhí)行工作站查詢網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工況，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。將底層測(cè)控信息實(shí)時(shí)傳遞給網(wǎng)絡(luò)傳輸層和信息管理層以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制與監(jiān)測(cè)。

圖2 小峪煤礦改造后綜合自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層部分由網(wǎng)關(guān)設(shè)備、控制總線、以太環(huán)網(wǎng)等組成全礦井的綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，采用OPC技術(shù)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行傳輸。通過(guò)該層往下能對(duì)礦井內(nèi)各控制子系統(tǒng)發(fā)布控制命令，并能監(jiān)視各子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，收集所需的生產(chǎn)和安全參數(shù)；往上能夠聯(lián)接信息管理層，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、監(jiān)測(cè)與管理之間的信息交換。

3）信息管理層。信息管理部分由WEB服務(wù)器、病毒服務(wù)器工控以太網(wǎng)設(shè)備、個(gè)人計(jì)算機(jī)及相關(guān)的軟件通過(guò)基于TCP/IP的Ethernet組成，利用控制執(zhí)行層提供的大量生產(chǎn)信息使企業(yè)各個(gè)實(shí)體將能夠不受地域的限制進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制煤礦井上下的各種設(shè)備，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和整理，為相關(guān)的各種管理、經(jīng)營(yíng)決策提供支持，實(shí)現(xiàn)管控一體化。

3 小峪煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)方案

3.1 對(duì)底層控制設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，將其接入以太環(huán)網(wǎng)

1）對(duì)于采用PLC控制的子系統(tǒng)，本身具有以太網(wǎng)通訊模塊，應(yīng)通過(guò)各組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，設(shè)定各PLC的IP地址和子網(wǎng)掩碼后將其下載到PLC內(nèi)然后通過(guò)PLC的以太網(wǎng)接口與以太環(huán)網(wǎng)相連，利用OPC Server實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成。

2）對(duì)于不能添加以太網(wǎng)模塊的PLC控制單元，考慮是用串行通訊轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)與OPC服務(wù)器的連接，也可以改造為帶工業(yè)以太網(wǎng)連接口的PLC主機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中控制。

3）對(duì)于無(wú)法進(jìn)行底層傳輸整合的子系統(tǒng)，OPC服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)及DDE/ODBC/FTP等接口協(xié)議與該類型的子系統(tǒng)主機(jī)相聯(lián)。

3.2 利用網(wǎng)絡(luò)傳輸層網(wǎng)絡(luò)管理軟件對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理

在小峪煤礦環(huán)網(wǎng)中使用的赫斯曼防爆交換機(jī)其網(wǎng)絡(luò)管理軟件Hidiscovery可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。赫斯曼交換機(jī)支持OPC服務(wù)可以與工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,從而使網(wǎng)絡(luò)管理集成到SCADA系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一管理[3]。通過(guò)登錄交換機(jī)的IP地址在Web界面可對(duì)交換機(jī)樹(shù)形菜單下連的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。網(wǎng)絡(luò)管理軟件可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并顯示所有支持SNMP的設(shè)備，顯示網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)和IP地址與MAC地址；可觀察網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置并可使用端口管理器對(duì)任意聯(lián)接進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置；可診斷設(shè)備故障，減少停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備利用率。對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸層高效、順暢地傳輸數(shù)起到了關(guān)鍵作用，為煤礦可靠、安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)提供有效服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)管理軟件登錄設(shè)置如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)管理軟件登錄與設(shè)置

表1 各子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息

3.3 信息層服務(wù)器、客戶端及各監(jiān)控設(shè)備的設(shè)置

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸層將底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒐芾韺覱PC服務(wù)器后，可通過(guò)服務(wù)器的測(cè)試軟件檢查OPC服務(wù)器與井下PLC等設(shè)備的通信狀況。然后對(duì)各臺(tái)服務(wù)器及客戶端的用戶名、密碼、IP地址、防火墻、安全策略等進(jìn)行設(shè)置，重點(diǎn)要對(duì)服務(wù)器及客戶端電腦進(jìn)行DOCM配置。這樣現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)等由各類型PLC控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸層傳至地面指揮中心OPC服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行分析處理后，將所有的數(shù)據(jù)傳輸至上一級(jí)上位機(jī)組態(tài)軟件，上位機(jī)組態(tài)軟件wincc以文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖像實(shí)時(shí)地反映各系統(tǒng)工作狀態(tài)以及各變量和參數(shù)，為工作人員提供有效的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及預(yù)警能力[4]。實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的本地控制和遠(yuǎn)程控制入網(wǎng)。

4 小峪煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用效果

小峪煤礦現(xiàn)在將副井提升監(jiān)控子系統(tǒng)、地面壓風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)、主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)、架空人車監(jiān)控子系統(tǒng)、防跑車監(jiān)控子系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、井下人員定位子系統(tǒng)機(jī)等多個(gè)系統(tǒng)利用OPC技術(shù)成功接入煤礦綜合自動(dòng)化平臺(tái)中。以皮帶系統(tǒng)為例系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)后可實(shí)現(xiàn)以下功能：基本監(jiān)測(cè)信息：帶式輸送機(jī)及其關(guān)聯(lián)設(shè)備開(kāi)停，連鎖、閉鎖狀態(tài)，輸送機(jī)帶速、運(yùn)煤量和煤倉(cāng)煤位等。基本控制功能：帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)具有聯(lián)動(dòng)和連鎖功能；根據(jù)需要具備逆煤流啟動(dòng)、順煤流停車起停方式，遠(yuǎn)程控制可實(shí)現(xiàn)一鍵啟停一臺(tái)或一組設(shè)備。具備現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守功能，減少現(xiàn)場(chǎng)崗位操作人員。

實(shí)際應(yīng)用表明小峪煤礦利用OPC技術(shù)將井下各個(gè)子系統(tǒng)接入煤礦綜合自動(dòng)化平臺(tái)的改造方案成功可行。實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化、生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化和智能化，提高了煤礦安全生產(chǎn)水平。