基于DCS系統(tǒng)和PLC+SCADA結(jié)構(gòu)的煤礦工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的選擇與研究

羅天敏

在當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域，起主要作用的除了工業(yè)的主體控制計(jì)算機(jī)（IPC）之外，就是各類工業(yè)控制系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)或概念），如PLC、PAC、PCS、DCS，F(xiàn)CS、SCADA等。通過(guò)系統(tǒng)的緊密結(jié)合可以在極大程度上加快實(shí)現(xiàn)煤礦智能化的腳步。本文主要對(duì)煤礦建設(shè)預(yù)采用的工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，即，PLC+SCADA和DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)劣分析。

一、相關(guān)概念簡(jiǎn)介

PLC-Programmable Logic Controller：可編程邏輯控制器。是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，主要用于工廠自動(dòng)化（生產(chǎn)線）。單純的邏輯功能和控制，不提供人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)操作需要借助按鈕、指示燈、HMI、SCADA系統(tǒng)。

SCADA-Supervisory Control And Data Acquisition：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。重點(diǎn)用在監(jiān)視、控制，可以實(shí)現(xiàn)部分邏輯功能，基本用于上位機(jī)（WINCC）。

HMI-Human Machine Interface ：“人機(jī)接口”，也叫人機(jī)界面。HMI是SCADA的一部分。

DCS-Distributed Control System：分布式控制系統(tǒng)，是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則的新一代儀表控制系統(tǒng)，主要用于過(guò)程自動(dòng)化。DCS也可譯為“集散控制系統(tǒng)”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前DCS在電力、冶金、石化等各行各業(yè)都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。

DCS通常采用分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，每一級(jí)由若干子系統(tǒng)組成，每一個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)若干特定的有限目標(biāo)，形成金字塔結(jié)構(gòu)。可靠性是DCS發(fā)展的生命，要保證DCS的高可靠性主要有三種措施：一是廣泛應(yīng)用高可靠性的硬件設(shè)備和生產(chǎn)工藝;二是廣泛采用冗余技術(shù);三是在軟件設(shè)計(jì)上廣泛實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)、故障自診斷和自動(dòng)處理技術(shù)等。當(dāng)今大多數(shù)集散控制系統(tǒng)的MTBF（平均故障間隔時(shí)間）可達(dá)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)小時(shí)。

二、項(xiàng)目建設(shè)背景簡(jiǎn)介

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦開拓、采掘（剝）、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等過(guò)程的智能化運(yùn)行，對(duì)于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。

三、煤礦初設(shè)中PLC設(shè)計(jì)與DCS系統(tǒng)技術(shù)對(duì)比

1、DCS 與 PLC 的主要區(qū)別：

可以簡(jiǎn)單的理解，PLC是硬件設(shè)備，是一種產(chǎn)品。而DCS、SCADA是系統(tǒng)，是一種概念，其不具備可比性，簡(jiǎn)單的說(shuō)，PLC+SCADA類似于DCS。DCS體系結(jié)構(gòu)源自一種完整的系統(tǒng)方法，由控制器+I/O采集+網(wǎng)絡(luò)+軟件等組成的系統(tǒng)。其焦點(diǎn)在于基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布式控制，協(xié)助作業(yè)人員監(jiān)視并操控生產(chǎn)過(guò)程中的任何一個(gè)區(qū)域。通過(guò)高性能、確定性的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一致、同步并且完整的過(guò)程數(shù)據(jù)正是DCS體系結(jié)構(gòu)的核心。當(dāng)PLC和SCADA（或類似HMI軟件）集成在一起時(shí)，其最終形態(tài)看起來(lái)與DCS十分類似，但是這仍舊是一種自建（DIY）的實(shí)現(xiàn)方法，意味著工程師必須親力親為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于控制來(lái)說(shuō)這種方法更加靈活，但是DIY通常意味著在組網(wǎng)和性能上更大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，其導(dǎo)致的成本增加會(huì)在后期慢慢體現(xiàn)。

煤礦的自動(dòng)化控制系統(tǒng)通常分為四個(gè)層次：

L1設(shè)備層，包括控制器、各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制等，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和信息的傳遞;

L2控制層，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、工程師站、操作員站等構(gòu)成，完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視、控制策略的實(shí)現(xiàn)等;

L3生產(chǎn)管理層，是基于前兩層數(shù)據(jù)的積累和分析，為運(yùn)行人員和生產(chǎn)管理者提供控制和決策依據(jù);

L4企業(yè)管理層，其內(nèi)容主要是高層次的生產(chǎn)調(diào)度、物資供應(yīng)、設(shè)備管理、生產(chǎn)計(jì)劃、銷售等內(nèi)容。

PLC的功能是實(shí)現(xiàn)小范圍設(shè)備的自動(dòng)控制，對(duì)應(yīng)L1設(shè)備層中控制器的功能。而L2控制層，則需要依賴第三方組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。L1與L2之間通常用單環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

DCS在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上直接覆蓋了L1與L2的需求。在DCS系統(tǒng)架構(gòu)中，分為控制器（DPU）與上位機(jī)（MMI）兩個(gè)層次，分別對(duì)應(yīng)L1與L2的功能需求。中間采用高速冗余網(wǎng)絡(luò)連接，采用基于組播的實(shí)時(shí)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊。

在實(shí)際DCS工程應(yīng)用中， L1、L2兩個(gè)層次由一個(gè)DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，做到了深度融合，省去兩個(gè)層次之間的調(diào)試工作，同時(shí)確保兩個(gè)層次之間的高效通訊和實(shí)時(shí)交互，可以為高層次的L3生產(chǎn)管理和L4企業(yè)管理提供更加及時(shí)、豐富、準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

綜上所述，DCS可完全覆蓋PLC的功能，并在性能上、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)上優(yōu)于PLC。

2、DCS的高系統(tǒng)集成特性

DCS體系結(jié)構(gòu)源自一種完整的系統(tǒng)方法，其焦點(diǎn)在于基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布式控制，協(xié)助作業(yè)人員監(jiān)視并操控工廠中的任何一個(gè)區(qū)域。通過(guò)高性能的確定性網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一致、同步并且完整的過(guò)程數(shù)據(jù)正是DCS體系結(jié)構(gòu)的核心。PLC體系結(jié)構(gòu)聚焦于靈活快速的本地控制，PLC技術(shù)最近的發(fā)展為其增加了過(guò)程控制能力。當(dāng)PLC和HMI軟件集成在一起時(shí)，其最終形態(tài)看起來(lái)與DCS十分類似。

3、 DCS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主可控

PLC系統(tǒng)目前主流設(shè)備均為國(guó)外產(chǎn)品。DCS產(chǎn)品在近些年的發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)國(guó)有化，可以給客戶提供安全、穩(wěn)定、可靠的產(chǎn)品和服務(wù)，徹底解決國(guó)外產(chǎn)品安全隱患問題。

四、煤礦工業(yè)控制系統(tǒng)選型存在的問題。

根據(jù)近年煤礦生產(chǎn)控制系統(tǒng)的一般性設(shè)計(jì)和描述，礦井生產(chǎn)控制系統(tǒng)一般是基于PLC+工業(yè)以太網(wǎng)模式（PLC+SCADA結(jié)構(gòu)，傳輸協(xié)議采用TCP/IP），在礦井提升絞車系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)系統(tǒng)、水處理監(jiān)控子系統(tǒng)、地面生產(chǎn)系統(tǒng)等區(qū)域建立。各生產(chǎn)、安全子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，技術(shù)成熟，相關(guān)的解決方案和集成方案完備，完全可以滿足礦井正常生產(chǎn)的要求。但是存在兩個(gè)問題：

一是存在安全生產(chǎn)隱患：目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的PLC基本上都是國(guó)外產(chǎn)品和技術(shù)，隨著企業(yè)生產(chǎn)和管理信息化技術(shù)的不斷應(yīng)用，信息安全風(fēng)險(xiǎn)也日趨突出。特別是涉及到國(guó)家戰(zhàn)略安全的能源領(lǐng)域，更應(yīng)該高度重視。伊朗鈾濃縮機(jī)飛車事故和委內(nèi)瑞拉電網(wǎng)停電事故就是典型的例證。

二是不能滿足智慧礦山建設(shè)要求：

根據(jù)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》及其它相關(guān)文件精神，多系統(tǒng)融合、集控管控是構(gòu)建智慧礦山基礎(chǔ)的一個(gè)重要步驟。通過(guò)PLC+SCADA結(jié)構(gòu)組網(wǎng)形成的系統(tǒng)，依舊是相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)不能完全共享，不能深度挖掘各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的潛在意義，不能整合、統(tǒng)計(jì)和分析各子系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)，不能建立統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)綜合管控平臺(tái)，無(wú)法滿足將來(lái)智慧礦山建設(shè)需求。而DCS憑借其大規(guī)模、大容量、高實(shí)時(shí)性、高兼容性等優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)將煤礦井上、井下各生產(chǎn)子系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)搭建在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，為真正實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管控、智慧礦山建設(shè)提供堅(jiān)強(qiáng)的支撐。如礦井安全六大系統(tǒng)、膠帶機(jī)控制系統(tǒng)、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、變電所監(jiān)控系統(tǒng)、礦井風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控、瓦斯抽放系統(tǒng)、火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、主副（斜）井提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等，形成一個(gè)統(tǒng)一的、數(shù)據(jù)共享的管控平臺(tái)。

五、煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化的特點(diǎn)

隨著工業(yè)革命的持續(xù)發(fā)展，煤礦行業(yè)發(fā)展的主要方向是信息化、自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。先關(guān)技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了煤炭業(yè)的生產(chǎn)效率，促進(jìn)了企業(yè)的發(fā)展，改變煤炭業(yè)工作環(huán)境，提高行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還提高了行業(yè)的社會(huì)效益。其生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、場(chǎng)所分散、移動(dòng)頻繁，部分系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性較低，相互制約情況較小等是礦井自動(dòng)化生產(chǎn)的主要特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。

主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)：采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、提升、洗選、計(jì)量等;

輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)：通風(fēng)、排水、壓風(fēng)、供電、礦壓、火災(zāi)束管等;

其他環(huán)節(jié)：“六大系統(tǒng)”、供熱、日用消防及給排水、水處理等。

如：采煤工作面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，需監(jiān)控的主要設(shè)備有：采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶機(jī);其他還有乳化液泵、清水泵、液壓支架、除鐵器等。

監(jiān)控的主要內(nèi)容有：采煤機(jī)的牽引速度、方向、位置、電機(jī)電流、電壓、電機(jī)溫度、缺水監(jiān)測(cè)和控制;液壓支架的工作狀況及連鎖控制;監(jiān)控泵站的工作狀態(tài)、參數(shù)、故障信息;監(jiān)控刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù);監(jiān)控被控電機(jī)工作電壓，電流，溫度，運(yùn)行狀態(tài)，故障狀態(tài);移動(dòng)變電站電力參數(shù)等。并監(jiān)測(cè)各保護(hù)妥投狀況及連鎖、報(bào)警、執(zhí)行情況。工業(yè)電視系統(tǒng)監(jiān)視等。

并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送至中心調(diào)度室。

整體結(jié)構(gòu)基本基于邏輯控制。

六、DCS（或類似）工控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在煤礦中的應(yīng)用情況

2019年年末，神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦“多系統(tǒng)融合的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)”第一階段成果順利通過(guò)專家組驗(yàn)收，整體系統(tǒng)于2019年8月6日取得煤安認(rèn)證證書，該系統(tǒng)成功引入了DCS理念及技術(shù)，打造了以“井下分布式智能控制單元”實(shí)施井下融合的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，為行業(yè)發(fā)展引入了一種新模式。

七、結(jié)論

DCS系統(tǒng)和PLC+SCADA結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點(diǎn)，從技術(shù)上考慮均可行。DCS體系需要構(gòu)建一套完整的生產(chǎn)體系，支撐其業(yè)務(wù)，在系統(tǒng)組網(wǎng)、集成化、協(xié)同化上要優(yōu)于PLC。而PLC體系結(jié)構(gòu)靈活快速，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要優(yōu)于DCS，適合單一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯執(zhí)行，在部署SCADA上層結(jié)構(gòu)后，同樣能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行信息。

考慮煤礦與電力、化工行業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中各系統(tǒng)的生產(chǎn)連貫性、協(xié)同作業(yè)程度以及管控要點(diǎn)的差異，建議系統(tǒng)構(gòu)建中，可以以SCADA作為生產(chǎn)管理級(jí)監(jiān)控，即上位系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái);DCS實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制和系統(tǒng)集成;PLC實(shí)現(xiàn)區(qū)域、單機(jī)及簡(jiǎn)單控制。形成完全自主的多系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)作的工業(yè)控制體系架構(gòu)，而不單一指定某一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即構(gòu)建SCADA+DCS+PLC的多系統(tǒng)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

在系統(tǒng)構(gòu)建和研究中，應(yīng)明確主要研究?jī)?nèi)容與要求：

（1）煤礦建設(shè)需遵循高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)，采用新技術(shù)和國(guó)產(chǎn)化的控制系統(tǒng)替代進(jìn)口，打破國(guó)外壟斷，防止“卡脖子”現(xiàn)象發(fā)生，解決信息安全問題，奠定智慧礦山建設(shè)基礎(chǔ)。

（2）開發(fā)煤礦相關(guān)工業(yè)控制系統(tǒng)需要一定的時(shí)間周期，要與煤礦建設(shè)或技改周期吻合，不影響礦井設(shè)備安裝和正常生產(chǎn)。

（3）以建設(shè)智慧礦山為目標(biāo)，構(gòu)建基于全礦井的一體化控制系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“核心+邊緣”的多級(jí)數(shù)據(jù)計(jì)算中心模式、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。并且充分考慮煤礦生產(chǎn)與電廠、化工企業(yè)在生產(chǎn)連續(xù)性、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性上的區(qū)別，構(gòu)建完全適用于煤礦的工業(yè)控制系統(tǒng)。

（4）在煤礦全面實(shí)現(xiàn)井上、下生產(chǎn)系統(tǒng)的融合、統(tǒng)一。在井下生產(chǎn)子系統(tǒng)（主運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、井下供電系統(tǒng)等）、地面生產(chǎn)系統(tǒng)開展集散控制應(yīng)用。并且要兼顧綜采工作面系統(tǒng)、掘進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、無(wú)極繩絞車、架空乘人裝置、水文監(jiān)測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)等相關(guān)系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)建設(shè)、使用。特別是在能夠全面兼容智能化工作面的建設(shè)。實(shí)現(xiàn)礦井智能化系統(tǒng)全覆蓋。

（5）對(duì)煤礦安全生產(chǎn)“六大系統(tǒng)”（監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位、緊急避險(xiǎn)、壓風(fēng)自救、供水施救和通信聯(lián)絡(luò)）深度融合進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)、水管路的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)同控制，提高煤礦安全預(yù)測(cè)預(yù)警水平，構(gòu)筑礦井災(zāi)害預(yù)防和多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)體系。