黃陵一號(hào)煤礦實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山的轉(zhuǎn)型實(shí)踐

朱元軍

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

2008年黃陵礦業(yè)公司一號(hào)煤礦啟動(dòng)了數(shù)字化礦山一期建設(shè)，一期建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)在調(diào)度指揮、井下各生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制、安全生產(chǎn)作業(yè)等方面的煤礦綜合自動(dòng)化管理模式，為井下生產(chǎn)無人值守提供可能。2012年黃陵一號(hào)煤礦又對(duì)數(shù)字化礦山進(jìn)行了升級(jí)，系統(tǒng)升級(jí)時(shí)黃陵礦業(yè)公司本著“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用”的原則，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為萬兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)增加皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、井下變電所、水泵房、洗煤廠遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一通信與協(xié)作、統(tǒng)一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取模式、統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)一編碼、統(tǒng)一安全、審計(jì)管理機(jī)制，達(dá)到數(shù)據(jù)接口開放的原則。2018年年底又啟動(dòng)了安全信息共享平臺(tái)建設(shè)，通過搭建安全信息共享平臺(tái)，統(tǒng)一礦井管理信息，生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控信息、地質(zhì)儲(chǔ)備信息的統(tǒng)一管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了黃陵一號(hào)煤礦“數(shù)字化礦山”轉(zhuǎn)向“智慧礦山”的步伐。

1 數(shù)字化礦山一期建設(shè)情況

一號(hào)煤礦建立了1 000 M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，并將綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)采用數(shù)字調(diào)度電話主機(jī)接入1 000 M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。按工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)分布設(shè)立IP語音網(wǎng)關(guān)將調(diào)度電話終端接入網(wǎng)絡(luò)，利用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建立，為控制、語音、視頻等信息三網(wǎng)合一提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，也為煤礦生產(chǎn)管理中實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)過程自動(dòng)化”“安全監(jiān)測數(shù)字化”“企業(yè)管理信息化”“信息管理集約化”的數(shù)字化礦井提供一個(gè)統(tǒng)一的開放型網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[1-3]。

1.1 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

采用環(huán)間耦合冗余兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在地面、井下各建立一個(gè)環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，地面、井下環(huán)網(wǎng)分別與監(jiān)控中心網(wǎng)關(guān)交換機(jī)連接，最終形成一個(gè)冗余工業(yè)千兆主干環(huán)形網(wǎng)、百兆接入的技術(shù)方案。而地面的兩臺(tái)工業(yè)核心交換機(jī)組成Hiper-Ring環(huán)網(wǎng)，兩個(gè)現(xiàn)場環(huán)網(wǎng)基于雙機(jī)Coupling冗余耦合技術(shù)接入兩臺(tái)工業(yè)網(wǎng)關(guān)交換機(jī)，組成全網(wǎng)一致的整體冗余網(wǎng)絡(luò)(任一單斷點(diǎn)自愈時(shí)間快于50 ms)[4-6]。方便了地面與井下各個(gè)子系統(tǒng)的接入，同時(shí)方便井上下的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展與升級(jí)；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、視頻、語音三網(wǎng)合一。同時(shí)工業(yè)電視系統(tǒng)也采用了本項(xiàng)目建立的環(huán)網(wǎng)進(jìn)行視頻傳輸，各監(jiān)控點(diǎn)將接入就近的環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)。服務(wù)器、操作站及單環(huán)網(wǎng)與核心交換機(jī)均采用千兆口連接，整個(gè)綜合自動(dòng)化層達(dá)到千兆網(wǎng)水平。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用了雙環(huán)網(wǎng)型設(shè)計(jì)，保證了數(shù)據(jù)傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

1.2 搭建一體化監(jiān)控軟件平臺(tái)系統(tǒng)

一體化集控平臺(tái)是集數(shù)據(jù)通信、處理、采集、控制、協(xié)調(diào)、綜合智能判斷、圖文顯示為一體的綜合數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件平臺(tái)，平臺(tái)能夠在各種情況下準(zhǔn)確、可靠、迅捷地作出反應(yīng)，及時(shí)處理，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)工作，達(dá)到實(shí)時(shí)、合理監(jiān)控的目的[7-10]。其數(shù)據(jù)接口采用通用接口發(fā)布數(shù)據(jù)(HTML/XML/COM/DCOM)，提供與其他系統(tǒng)的集成接口。其次一體化的綜合數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)操作及事件記錄做到記性記錄，故障報(bào)警做到統(tǒng)計(jì)分析，所有的歷史數(shù)據(jù)做到綜合查詢、趨勢(shì)圖與歷史曲線查看。平臺(tái)本身具有用戶管理子系統(tǒng)，資源管理子系統(tǒng)，身份驗(yàn)證和權(quán)限驗(yàn)證子系統(tǒng)，報(bào)警聯(lián)動(dòng)預(yù)案系統(tǒng)，應(yīng)急信息管理，Web瀏覽、數(shù)據(jù)管理以及畫面數(shù)據(jù)系統(tǒng)分級(jí)管理，工業(yè)電視及大屏顯示系統(tǒng)，是一個(gè)礦井全面綜合信息的管理操控平臺(tái)。其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 框架結(jié)構(gòu)圖

1.3 礦井各類自動(dòng)化系統(tǒng)接入

自動(dòng)化系統(tǒng)接入充分考慮了主皮帶及煤流、井下供電、副井提升、水泵房、洗煤廠、綜采面頂板壓力監(jiān)測、安全監(jiān)測、主扇風(fēng)機(jī)、人員定位等礦井輔助生產(chǎn)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)。生產(chǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制要綜合利用系統(tǒng)中已有的PLC控制系統(tǒng)，就近接入環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集中控制。其次在遠(yuǎn)程控制建設(shè)時(shí)要充分考慮各個(gè)設(shè)備的遠(yuǎn)程/就地的單機(jī)啟?？刂?、遠(yuǎn)程閉鎖聯(lián)動(dòng)啟停控制、整個(gè)系統(tǒng)的急?？刂啤＠?，膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)可對(duì)各種煤流流程進(jìn)行編程和選擇，對(duì)給煤機(jī)等單機(jī)設(shè)備可聯(lián)機(jī)啟動(dòng)，也可單機(jī)啟動(dòng)，在煤流選擇上要具有閉鎖保護(hù)功能，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程逆啟順停時(shí)，也要將所有設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)(電機(jī)電流、速度、保護(hù)動(dòng)作)都進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和查詢，實(shí)現(xiàn)所有報(bào)警信息的提示、儲(chǔ)存，相應(yīng)報(bào)表的統(tǒng)計(jì)輸出，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)傳送到礦調(diào)度室，實(shí)現(xiàn)信息的共享，及相關(guān)數(shù)據(jù)的Web發(fā)布，達(dá)到數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查詢和管理功能。在各類安全監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)上安裝以太網(wǎng)卡，直接接到地面千兆以太環(huán)網(wǎng)中，通過編寫程序協(xié)議轉(zhuǎn)換，讀取系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測系統(tǒng)與其他生產(chǎn)相關(guān)系統(tǒng)相結(jié)合，使設(shè)備的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)全監(jiān)控安全生產(chǎn)的目的。

2 數(shù)字化礦山二期完善情況

2.1 網(wǎng)絡(luò)框架升級(jí)

原有腳本：黃陵一號(hào)煤礦一體化監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)始于2008年，一體化監(jiān)控平臺(tái)軟件采用IFIX+iCV的模式，大部分自動(dòng)化系統(tǒng)在IFIX平臺(tái)下集成，部分應(yīng)用功能在iCV下開發(fā)，平臺(tái)軟件采用腳本語言互相調(diào)用的模式。對(duì)于Web發(fā)布系統(tǒng)采用PORTAL軟件，該軟件雖然功能強(qiáng)大，但因?yàn)槊旱V系統(tǒng)多、變量多、每個(gè)系統(tǒng)組態(tài)畫面動(dòng)態(tài)效果多，這樣通過遠(yuǎn)程電腦登陸Web發(fā)布系統(tǒng)的話，響應(yīng)速度就相對(duì)較慢。針對(duì)目前存在的以上問題，二期建設(shè)將平臺(tái)控制程序的腳本升級(jí)為iCV5.X。

網(wǎng)絡(luò)升級(jí)：黃陵一號(hào)煤礦工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以TCP/IP技術(shù)作為整個(gè)系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)帶寬采用1 000 M，其主要設(shè)備采用赫斯曼MACH 4002-24G-L3E和MS4128-L3E。其次控制設(shè)備的數(shù)據(jù)量與礦井監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量不斷提升，網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率已經(jīng)達(dá)到了70%左右，出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸擁堵，數(shù)據(jù)丟包與數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。針對(duì)以上情況，一號(hào)煤礦對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了完善，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬擴(kuò)展至萬兆，其次通過增加大功率的礦用隔爆型備用電源，為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)提供了可靠的穩(wěn)壓供電及后備供電。

2.2 礦井各類自動(dòng)化系統(tǒng)完善

原系統(tǒng)存在的問題：一期建設(shè)期間由于黃陵一號(hào)煤礦自動(dòng)化子系統(tǒng)的自動(dòng)化程度參差不齊，比如二號(hào)風(fēng)井提升系統(tǒng)、三號(hào)風(fēng)井提升系統(tǒng)，子系統(tǒng)廠商設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)采用的PLC型號(hào)過于陳舊，通訊速率低，CPU處理速度慢，沒有通訊接口，監(jiān)測的參數(shù)也不是很全面。針對(duì)存在的問題，二期完善階段對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，逐步地實(shí)現(xiàn)井下主要生產(chǎn)系統(tǒng)的無人或者少人化職守。

改造內(nèi)容：①提升PLC控制系統(tǒng)應(yīng)配置以太網(wǎng)通訊模塊，以便可以接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能;②監(jiān)控系統(tǒng)和提升監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全方位采集。通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)包含瓦斯含量、風(fēng)壓、風(fēng)速、風(fēng)機(jī)電流、電壓、電機(jī)振動(dòng)、定子溫度、軸承溫度等參數(shù)；提升系統(tǒng)應(yīng)采集提升速度、電機(jī)電流、提升勾數(shù)、提升高度、安全回路信息、保護(hù)信息等參數(shù)；③井下高爆開關(guān)的微機(jī)保護(hù)裝置更換了具備以太網(wǎng)接口的微機(jī)保護(hù)裝置，則遠(yuǎn)程控制基本上可以減少延遲到1～3 s，如果采用RS485接口的微機(jī)保護(hù)裝置，遠(yuǎn)程控制的延時(shí)一般都在3～6 s。

3 數(shù)字化礦山升級(jí)轉(zhuǎn)型

3.1 礦井安全信息共享平臺(tái)

平臺(tái)建設(shè)過程：近年來，陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司一號(hào)煤礦在“智慧平安新礦山”的規(guī)劃下，總體取得了明顯的進(jìn)展和成效。2018年輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的各類信息化、自動(dòng)化體系基礎(chǔ)建設(shè)日趨完善，設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也呈現(xiàn)立體化，有效保護(hù)了各系統(tǒng)的日常運(yùn)行。2019年建立的礦井安全信息共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦井基礎(chǔ)設(shè)施完善到各類信息的集中應(yīng)用分析的跨越，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 安全信息共享平臺(tái)

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能：平臺(tái)采用了地理信息系統(tǒng)、云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，將礦井遙感影像導(dǎo)航、圖件疊加顯示、基礎(chǔ)信息等直觀地展現(xiàn)在GIS一張圖上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井采掘工程、地質(zhì)測量、防治水、一通三防、機(jī)電運(yùn)輸、監(jiān)測監(jiān)控、應(yīng)急救援、安全風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)測預(yù)警、氣象信息等數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和提醒功能，杜絕了礦井“空間數(shù)據(jù)”和“業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)”的不規(guī)范、不統(tǒng)一、不科學(xué)等管理漏洞，為管理層決策提供了依據(jù)。

3.2 信息共享平臺(tái)數(shù)據(jù)接入

平臺(tái)通過安全生產(chǎn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入：實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)險(xiǎn)管控、隱患治理、三違管理、安全專項(xiàng)管理、職業(yè)健康、安全綜合管理數(shù)據(jù)的多維度展示與應(yīng)用，解決了隱患排查治理過程中責(zé)任落實(shí)不到位、問題剖析不全面、現(xiàn)場難預(yù)防等問題，堵塞了礦井不安全因素未解決、遲解決的管理漏洞，達(dá)到了隱患雙重防御機(jī)制，健康監(jiān)護(hù)自動(dòng)提醒模式。

平臺(tái)通過經(jīng)營銷售網(wǎng)數(shù)據(jù)接入：對(duì)礦井總產(chǎn)量、總進(jìn)尺、開拓進(jìn)尺、銷售庫存、排水用電、煤炭價(jià)格行情進(jìn)行展示，為管理層準(zhǔn)確把握市場動(dòng)向，制定適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)的生產(chǎn)模式提供了科學(xué)依據(jù)，避免了“信息孤島”經(jīng)營管理漏洞，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、市場核心競爭力的提升、地區(qū)價(jià)格風(fēng)向標(biāo)隨時(shí)掌握的良好管理趨勢(shì)。

平臺(tái)通過物流供應(yīng)數(shù)據(jù)的接入：對(duì)供應(yīng)鏈庫存、礦井物資庫存進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，借助礦井自身的物資超市，達(dá)到物資數(shù)據(jù)集中共享、代儲(chǔ)代銷，有效降低庫存資金占用率的良好效果。

3.3 下階段智能化建設(shè)思路

建設(shè)方向及原則：下階段煤礦輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化建設(shè)，將是建立礦井生產(chǎn)系統(tǒng)大型數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行狀況的第三方深度融合分析、挖掘，形成數(shù)據(jù)的深層次利用，形成獨(dú)立的“互動(dòng)”型分析預(yù)警體系，使系統(tǒng)控制程序更加智能化。生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的建立則要充分考慮綜采、掘進(jìn)、供電、運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測、排水等監(jiān)測信息的梳理和統(tǒng)一收集，形成一個(gè)統(tǒng)一、完整、立體的數(shù)據(jù)庫。

建設(shè)重點(diǎn)：要深度研究和尋找礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行、報(bào)警、故障之間的相互關(guān)系，挖掘各系統(tǒng)運(yùn)行的深度線性規(guī)律，并根據(jù)線性規(guī)律與參數(shù)變化之間的相互關(guān)系，挖掘和整理礦井生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中能夠產(chǎn)生“蝴蝶效應(yīng)”的數(shù)據(jù)源。根據(jù)“數(shù)據(jù)源”制定生產(chǎn)系統(tǒng)立體式預(yù)警、智能診斷體系，使系統(tǒng)能夠針對(duì)“異常變化”做好超前預(yù)判、預(yù)報(bào)。例如，形成煤礦安全監(jiān)控在線分析預(yù)警系統(tǒng)，礦井安全供電專家管理系統(tǒng)，礦井三維通風(fēng)、生產(chǎn)、管理的仿真系統(tǒng)等智能系統(tǒng)。最后通過開發(fā)智能手機(jī)APP，使礦井管理掌上化。

4 結(jié)語

在煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息化、自動(dòng)化、集成化的不斷提高，數(shù)字化與自動(dòng)化建設(shè)不斷完善的情況下，礦井的自動(dòng)化、集成化發(fā)展不僅提高了煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)的管理水平，并且達(dá)到了安全、高效、環(huán)保、健康運(yùn)行。然而現(xiàn)階段多數(shù)輔助生產(chǎn)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程操控后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀況全部依靠監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并且當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)提示報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)不能夠自我分析、預(yù)警、診斷故障類型，集控系統(tǒng)仍需現(xiàn)場巡視或遠(yuǎn)程人工干預(yù)。