制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)

王琛琛， 鄒 濤， 王金波， 曹輝勇， 張 博

(北京瑞賽長城航空測控技術有限公司，北京 100176)

2020年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局、應急管理部、國家煤礦安全監(jiān)察局、工業(yè)和信息化部、財政部、科技部、教育部聯(lián)合印發(fā)的《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》[1]中明確指出要提高煤礦智能化技術與裝備水平，加快實現(xiàn)井下和露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監(jiān)控。實現(xiàn)礦用制氮裝置的本地自動化運行與遠程集中監(jiān)控將解決長久以來煤礦用制氮裝置手動操作煩瑣、啟動時間長、需要手動記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)等自動化程度較低和難以集中監(jiān)測的問題[2]，是推動煤礦安全保障的自動化、智能化進程中的重要環(huán)節(jié)。

當前，對礦用制氮裝置的自動化監(jiān)控系統(tǒng)的相關研究多是以PLC為核心實現(xiàn)對制氮裝置自動化控制和現(xiàn)場觸摸屏顯示[3]。在此基礎上，王選亮[4]提出了一種將PLC采集到的數(shù)據(jù)通過Modbus協(xié)議接入到煤礦多功能網(wǎng)絡交換機，多功能網(wǎng)絡交換機再將數(shù)據(jù)轉換為網(wǎng)絡信號上傳到地面服務器進行終端平臺監(jiān)控的方案。但是在煤礦遠距離通信的過程中，多協(xié)議轉換和串口傳輸速度的限制將會產(chǎn)生信號延時和指令響應速度的問題，同時其系統(tǒng)數(shù)據(jù)連續(xù)完整性缺乏冗余措施，對制氮裝置及其配套空壓機的運行現(xiàn)場環(huán)境也沒有直觀有效的視頻監(jiān)控手段。

為了提高對多套制氮裝置的集中監(jiān)控能力，需要進一步增強制氮裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性、直觀性和智能化水平。筆者在梳理制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，提出了一種基于iFIX組態(tài)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制平臺的制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結合工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡結構，利用PLC對制氮裝置運行狀態(tài)進行終端監(jiān)測和控制，通過集成工業(yè)以太網(wǎng)攝像機對設備運行現(xiàn)場進行視頻監(jiān)控。其中，PLC和工業(yè)以太網(wǎng)攝像機均通過制氮裝置控制箱內置的工業(yè)以太網(wǎng)交換機模塊直接并入TCP/IP光纖環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，可顯著提高制氮遠程監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦復雜電磁環(huán)境和遠距離通信狀態(tài)下的實時性和穩(wěn)定性；系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中采取了充分的冗余措施以確保其可靠性；考慮到煤礦智能化[5-6]發(fā)展趨勢，對軟件框架、系統(tǒng)組態(tài)、相關協(xié)議標準等方面進行設計，使系統(tǒng)網(wǎng)絡靈活，從而可實現(xiàn)多系統(tǒng)融合聯(lián)動；遠程監(jiān)控軟件工作界面簡潔易用且實現(xiàn)全要素可視化，具備設備遠程一鍵安全啟動、故障自診斷評估、動態(tài)實時報警等智能化操作功能。

1 系統(tǒng)總體設計

制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對多套礦用制氮裝置進行遠程聯(lián)合監(jiān)測控制。為保證制氮裝置穩(wěn)定自動運行和遠程監(jiān)控實時高效，本系統(tǒng)結合了計算機技術、工業(yè)以太網(wǎng)技術、現(xiàn)場總線技術、信息技術、組態(tài)技術和智能控制技術，設計了制氮裝置控制系統(tǒng)及其遠程監(jiān)控中心平臺，根據(jù)煤礦現(xiàn)場應用場景優(yōu)化設計了系統(tǒng)網(wǎng)絡結構，保障系統(tǒng)可穩(wěn)定高速運行。

1.1 網(wǎng)絡拓撲結構

制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構包括作為接入層的制氮裝置控制系統(tǒng)網(wǎng)絡和核心層的中心站監(jiān)控網(wǎng)絡，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

中心站監(jiān)控網(wǎng)絡采用星狀千兆以太網(wǎng)，制氮監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡采用由多臺以太網(wǎng)交換機組建的工業(yè)以太網(wǎng)冗余環(huán)網(wǎng)[7-9]。由于煤礦現(xiàn)場環(huán)境復雜，制氮裝置控制箱內部均集成以太網(wǎng)交換機模塊，多套制氮機控制系統(tǒng)直接組建光纖環(huán)網(wǎng)，極大地提高了系統(tǒng)的通信速率和響應速度。

中心站監(jiān)控部署兩臺SCADA服務器(SCADA1和SCADA2)作為雙機熱備份[10]，一主一備，互為冗余。交換機配置如下。

① 制氮裝置控制箱交換機：采用工業(yè)以太網(wǎng)卡軌式網(wǎng)管型交換機，端口模塊化，支持4個100/1000 Mbit/s SFP接口，8個10/100 Mbit/s RJ45端口，滿足本質安全要求，支持多種拓撲冗余協(xié)議，以及遠程監(jiān)控和管理功能。

② 中心站核心網(wǎng)絡交換機：工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)管型機架式交換機，4個1000 Mbit/s SFP接口，16個100 Mbit/s RJ45接口，支持DT-Ring協(xié)議簇及RSTP等冗余組網(wǎng)機制。

1.2 系統(tǒng)結構

制氮裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構整體上可分為制氮裝置控制系統(tǒng)和遠程監(jiān)控中心平臺這兩個部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構示意圖

制氮裝置控制系統(tǒng)的控制單元以PLC為核心，配接關鍵節(jié)點的傳感器和執(zhí)行器，根據(jù)制氮工藝流程設計控制邏輯，實現(xiàn)制氮裝置全自動運行。另外，可實時獲取制氮機組入口溫度、管道溫度、空氣壓力、氮氣補償壓力、氮氣流量等關鍵數(shù)據(jù)，通過深化整機數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)機組自動運行、設備故障自診斷、緊急故障處理、性能趨勢等智能化運行。同時，制氮自動控制系統(tǒng)將采集的設備狀態(tài)信息、工藝流程參數(shù)和現(xiàn)場監(jiān)控視頻等通過以太網(wǎng)模塊傳輸?shù)较到y(tǒng)環(huán)網(wǎng)，再經(jīng)由中心站核心網(wǎng)絡交換機轉發(fā)至遠程監(jiān)控中心平臺。

遠程監(jiān)控中心平臺主要由工作站、服務器和相關外接設備組成。服務器負責采集制氮控制系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的存儲和處理功能，并交由工作站調用。工作站對數(shù)據(jù)進一步處理和顯示，監(jiān)管人員可通過客戶端軟件平臺對制氮裝置進行遠程控制，控制指令經(jīng)由以太網(wǎng)下發(fā)至制氮控制系統(tǒng)執(zhí)行。

2 制氮裝置控制系統(tǒng)

2.1 制氮裝置控制系統(tǒng)組成

制氮裝置控制系統(tǒng)的主要功能是對制氮工藝流程的全過程進行狀態(tài)監(jiān)測和控制，同時對現(xiàn)場運行環(huán)境進行視頻監(jiān)控。其既能夠執(zhí)行中心站軟件監(jiān)控平臺的指令以實現(xiàn)遠程控制，又能夠實現(xiàn)本地控制。當遠程控制出現(xiàn)故障時，工作人員仍可以通過本地控制就近保障制氮裝置正常運行。

制氮控制系統(tǒng)按功能可劃分為以下4個部分。

① 電氣控制。制氮控制系統(tǒng)的電氣控制部分是數(shù)據(jù)采集和終端控制的關鍵執(zhí)行部分。該部分采用西門子S7-1200系列PLC作為控制器[11]，組合I/O模塊和智能儀表(傳感器/變送器)、執(zhí)行器、空壓機控制器之間使用電纜進行一對一連接。通過現(xiàn)場總線協(xié)議完成對制氮裝置工藝流程的溫度、壓力、流量、氮氣純度等相關數(shù)據(jù)的實時采集，以及對空壓機、電磁閥等執(zhí)行器的精準控制。

② 視頻監(jiān)控。控制系統(tǒng)采用?？低暩咔寰W(wǎng)絡攝像機對制氮裝置及現(xiàn)場進行視頻監(jiān)控，同時具備熱成像溫度監(jiān)測、煙火監(jiān)測報警等功能。

③ 人機交互界面(Human Machine Interface,HMI)?？刂葡到y(tǒng)人機交互功能通過威綸通MT8071IP觸摸屏和控制箱體按鈕實現(xiàn)。控制器PLC與顯示屏之間采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互,按鈕則直接接入PLC數(shù)字量輸入作為開關，實現(xiàn)相關功能選擇?，F(xiàn)場工作人員可通過HMI顯示的傳感器數(shù)據(jù)、參數(shù)設置、設備啟停等內容進行手動控制操作。

④ 通信單元。PLC和網(wǎng)絡攝像頭通過交換機模塊接入到制氮控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了制氮控制系統(tǒng)與中心站上位機實時、穩(wěn)定的遠程數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 制氮裝置自動控制邏輯

制氮裝置的工藝流程主要經(jīng)過了壓縮、凈化、分離3個階段。實際制氮裝置主要由空壓機組和制氮機組兩個部分組成，空壓機組壓縮空氣輸送到制氮機組，制氮機組完成對壓縮空氣的凈化和分離。制氮裝置自動控制流程圖如圖3所示。

圖3 制氮裝置自動控制流程圖

制氮裝置啟動運行后，控制系統(tǒng)首先進行初始化處理，即檢測裝置各設備狀態(tài)是否能夠正常運行，若有設備異常則系統(tǒng)會報警提示。初始化后各傳感器開始啟動工作，采集不同工藝節(jié)點的溫度、壓力、流量等動態(tài)數(shù)據(jù)，PLC對傳感器(控制器)采集的各項數(shù)據(jù)進行處理，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在問題，PLC會進入異常和故障處理程序控制聲光報警器發(fā)出聲音和燈光報警提醒，同時顯示屏和中心站監(jiān)控軟件也會彈窗提示。只有在裝置設備狀態(tài)和數(shù)據(jù)符合啟動條件的情況下，制氮控制系統(tǒng)才能完全啟動。同時，裝置在運行過程中如果出現(xiàn)狀態(tài)或者數(shù)據(jù)異常，PLC也會進入異常和故障處理程序，并根據(jù)不同的故障類型做分級報警和故障處理。

制氮控制系統(tǒng)完全啟動后，PLC與空壓機控制器通過Modbus-RTU協(xié)議進行通信，啟動空壓機。系統(tǒng)進入制氮控制程序，排污閥進行自動定時排污(每15 min開啟3 s)，并將結果上傳到中心站。空壓機正常啟動后為制氮機組的入口注入壓縮空氣，通過管道入口的壓力傳感器和溫度傳感器檢測入口空氣壓力和溫度。如果空氣壓力超過1.2 MPa，系統(tǒng)開啟卸壓閥并進行超壓報警提示檢查空壓機組，PLC同步控制空壓機組停機。如果入口溫度超過40 ℃，系統(tǒng)給出超溫報警提示并檢查入口冷卻器，同時緊急停車處理。當入口空氣壓力0.4 MPa≤P≤1.2 MPa時，系統(tǒng)閥開啟，壓縮空氣進入氮氣分離處理流程。

經(jīng)過多級過濾器“凈化”預處理的壓縮空氣，根據(jù)不同工藝要求通過不同分離材料，實現(xiàn)氮氣和其他空氣組分的分離。系統(tǒng)經(jīng)制氮機組出口管道處的氮氣濃度傳感器檢測分離后富集的氮氣濃度，當?shù)獨鉂舛取?7%時，控制切換閥開啟，輸出合格的高純度氮氣，通過電動執(zhí)行器控制氮氣輸出流量，瞬時流量和累計流量經(jīng)氮氣流量傳感器進行檢測。當檢測到氮氣濃度<97%時，系統(tǒng)控制切換閥關閉，將不合格的氮氣排空。至此，制氮裝置可實現(xiàn)自動運行控制，具體工藝安全參數(shù)設定需要結合煤礦現(xiàn)場環(huán)境進一步調整，以保證制氮控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

3 制氮遠程監(jiān)控軟件設計

3.1 制氮遠程監(jiān)控軟件結構

制氮遠程監(jiān)控軟件是基于iFIX5.8系列工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)的過程監(jiān)測控制軟件，支持Windows操作系統(tǒng)，同時具有易用性、實時性、通用性和安全性。該軟件采用C/S架構設計，使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行處理、歸檔。SCADA服務器作為iFIXServer,部署兩臺數(shù)據(jù)服務互為冗余，配置NVR服務器存儲設備運行環(huán)境現(xiàn)場可視化視頻。

iFIX5.8組態(tài)軟件無法直接與PLC、DCS等過程控制硬件直接連接，必須通過配置相應的驅動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，I/O驅動器將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻IT(驅動器映像表)，然后經(jīng)過SAC(掃描報警控制)存儲到PDB(過程數(shù)據(jù)庫)完成數(shù)據(jù)存儲、報警、生成報表等過程。利用iFIX軟件的人機交互功能，客戶端通過調用數(shù)據(jù)庫的相關數(shù)據(jù)最終以圖表、動畫等形式顯示到工作界面上。iFIX軟件數(shù)據(jù)流向圖如圖4所示。

圖4 iFIX軟件數(shù)據(jù)流向圖

軟件開發(fā)主要分為數(shù)據(jù)庫和客戶端兩個部分。在SCADA服務器上創(chuàng)建SQL Server數(shù)據(jù)庫，采用4級標簽命名法，明確系統(tǒng)、設備、部件和參數(shù)之間的聯(lián)系，減少了實時數(shù)據(jù)庫重復標簽出現(xiàn)的概率，同時提高了數(shù)據(jù)庫的檢索速度?？蛻舳瞬糠指鶕?jù)設備屬性和用戶需求主要完成了制氮裝置工藝流程和設備狀態(tài)參數(shù)顯示統(tǒng)計、遠程操控、實時預測報警、數(shù)據(jù)報表曲線統(tǒng)計、現(xiàn)場視頻監(jiān)控、裝置維護保養(yǎng)記錄和用戶權限管理等功能。其中，遠程控制功能可實現(xiàn)遠程全自動控制、遠程單機控制、遠程聯(lián)控等多種控制方式。制氮遠程監(jiān)控軟件結構圖如圖5所示。

圖5 制氮遠程監(jiān)控軟件結構圖

3.2 工作圖形界面設計

制氮監(jiān)控軟件圖形界面的主要功能是集中顯示多套制氮裝置的設備運行情況以及對現(xiàn)場設備進行調節(jié)、控制，當有異?；蚬收习l(fā)生時，工作界面將進行報警提示并記錄報警信息和異常故障內容。系統(tǒng)采用服務器-HMI的形式，HMI內不加載PDB直接調用SCADA服務器數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)。圖形界面利用iFIX集成的Active控件和VBA腳本制作。

制氮裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)畫面布局主要分為4個部分：頂部標志區(qū)、中部顯示區(qū)、底部日志區(qū)和左側導航區(qū)，詳細設計內容如下。

① 標志區(qū)：顯示系統(tǒng)名稱、當前時間和軟件版本號。

② 顯示區(qū)：軟件的功能顯示區(qū)。根據(jù)導航菜單的不同功能，將在顯示區(qū)切換顯示對應的具體內容，默認顯示制氮工藝流程實時動態(tài)。

③ 日志區(qū)：顯示系統(tǒng)運行過程中不同事件標志發(fā)生事件和簡要內容(包括異常報警事件)。

④ 導航區(qū)：軟件主要功能導航區(qū)。主要包括工藝流程組態(tài)實時顯示、制氮機和空壓機狀態(tài)參數(shù)實時顯示、控制參數(shù)和量程參數(shù)的設置、視頻監(jiān)控畫面、報警歷史、歷史曲線、保養(yǎng)記錄、登錄注銷等功能。

軟件利用vxDATA數(shù)據(jù)控件通過ODBC協(xié)議從SQL數(shù)據(jù)庫調用各套制氮裝置的空氣壓力、氮氣壓力、氮氣流量、氮氣濃度、濾芯耗時、管道溫度、加熱器溫度、閥門狀態(tài)、運行時間、空壓機狀態(tài)等參數(shù)，從NVR監(jiān)控服務器獲取制氮裝置現(xiàn)場狀態(tài)視頻，通過對相關數(shù)據(jù)進行分析處理、統(tǒng)計存儲，實現(xiàn)制氮裝置的動態(tài)預測報警、歷史數(shù)據(jù)報表、實時趨勢曲線、狀態(tài)趨勢圖和制氮量統(tǒng)計表等功能。而且，系統(tǒng)預留豐富的軟件接口，可與現(xiàn)有主流安全監(jiān)控系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)中心平臺等進行深度融合聯(lián)動。工作人員可通過監(jiān)控軟件實現(xiàn)控制參數(shù)設置、量程參數(shù)修改和制氮裝置遠程一鍵啟停，從而完成對制氮裝置的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對制氮裝置的監(jiān)、管、控平臺一體化。

4 工業(yè)試驗應用

完成系統(tǒng)整體搭建后，進行系統(tǒng)初步檢驗聯(lián)調，確保產(chǎn)品各項性能指標符合相關標準要求。在系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)過相關防爆及安全認證合格后進行工業(yè)現(xiàn)場試驗，監(jiān)控軟件工作界面如圖6和圖7所示，部分試驗數(shù)據(jù)如8和圖9所示。結果表明，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，安全保障機制完備。系統(tǒng)的動態(tài)實時監(jiān)測、遠程控制啟停、視頻實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表等多項功能均滿足預期需求。同時，系統(tǒng)能實時監(jiān)測關鍵參數(shù)的異常情況，當相關設定值超過預期或者短時間內的變化趨勢接近風險預測狀態(tài)時，會自動進入緊急安全模式，同時給出報警提示，提醒工作人員進行處理，從而有效防范了風險。

圖6 制氮監(jiān)控軟件工作主界面

圖7 制氮監(jiān)控軟件視頻監(jiān)控界面

圖8 制氮裝置部分運行記錄

圖9 氮氣含量曲線圖

5 結束語

針對礦用制氮裝置自動化程度較低和缺乏有效的統(tǒng)一監(jiān)管措施的現(xiàn)狀，設計了一種以PLC、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)組態(tài)軟件為基礎的制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控解決方案。制氮裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)集數(shù)據(jù)(視頻)采集、設備控制、信息傳輸為一體，綜合考慮了制氮工藝流程、煤礦應用安全性、系統(tǒng)總體穩(wěn)定性和響應速度，以及各制氮裝置的部署位置，實現(xiàn)對礦用制氮裝置及其運行環(huán)境實時全方位智能化監(jiān)管，具有較高的可靠性、時效性和擴展性，既提高了煤礦安全生產(chǎn)的保障水平，又完成了固定崗位減人增效的目標，卓有成效地推動了煤礦智能化的發(fā)展。與此同時，后續(xù)研究將對組態(tài)軟件采集的數(shù)據(jù)進行深入挖掘分析，借助大數(shù)據(jù)相關算法，為系統(tǒng)智能決策提供更可靠的依據(jù)。