基于控制安全的東林煤礦主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造

程玉龍

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

隨著數(shù)字化礦山建設(shè)技術(shù)的不斷成熟發(fā)展，礦山對(duì)自動(dòng)化子系統(tǒng)的建設(shè)，有了新的需求與變化。單獨(dú)建設(shè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的場(chǎng)景逐步轉(zhuǎn)化為綜合自動(dòng)化平臺(tái)的建設(shè)。從生產(chǎn)實(shí)踐看，建設(shè)一般涉及多個(gè)廠商：自動(dòng)化子系統(tǒng)的建設(shè)廠家、綜合平臺(tái)的廠家。如何在多個(gè)廠家，不同系統(tǒng)之間保障數(shù)據(jù)的安全可靠的傳輸、子系統(tǒng)控制命令的安全有效的下發(fā)，成為新的課題。通過合理配置子系統(tǒng)與平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)及控制方式，可以使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、工作可靠，進(jìn)而提高生產(chǎn)監(jiān)控的安全性[1-4]。

1 礦井主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制方式

東林煤礦位于重慶市萬(wàn)盛經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，其主要通風(fēng)機(jī)站配置對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)，采用地下翻板式風(fēng)門，串電抗器直啟電控柜。需要建設(shè)主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無人值守的控制功能。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需要多種控制方式，大體可分為4 種工作模式，控制模式需求如圖1。

圖1 控制模式需求Fig.1 Requirement of control mode

1）就地控制。需要提供途徑，在風(fēng)機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)主要通風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)施進(jìn)行控制操作。就地控制需要具有最高的優(yōu)先級(jí)。

2）現(xiàn)場(chǎng)的集中控制?，F(xiàn)場(chǎng)的PLC 監(jiān)控柜需要提供人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的集中控制功能。

3）上位機(jī)操作。系統(tǒng)需要提供上位機(jī)的人機(jī)接口。數(shù)據(jù)經(jīng)過環(huán)網(wǎng)傳輸，操作員可通過上位機(jī)完成對(duì)主要通風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)施的控制工作。

4）自動(dòng)化平臺(tái)操作。后期計(jì)劃建設(shè)綜合自動(dòng)化管控平臺(tái)，系統(tǒng)需要為第三方軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供接口[5-6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制模式

系統(tǒng)的控制功能采取分級(jí)設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體需要，設(shè)置有3 種控制模式[7-10]：①就地控制模式：PLC 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)閉控制功能，僅提供監(jiān)測(cè)功能，PLC開放的控制點(diǎn)位清除外部發(fā)來的任何命令，不執(zhí)行動(dòng)作；②集中控制模式：操作集中在現(xiàn)場(chǎng)PLC 監(jiān)控柜的觸摸屏上，現(xiàn)場(chǎng)的值班員通過操作觸摸屏，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制；③遠(yuǎn)程控制模式：系統(tǒng)接受調(diào)度室上位機(jī)下發(fā)的命令，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。

因?yàn)樯婕翱刂乒δ?，而且是多個(gè)位置如本地、遠(yuǎn)程、第三方平臺(tái)都可以控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，必須對(duì)各控制接口進(jìn)行有效的監(jiān)督，理清控制來源的脈絡(luò)，確保主通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，安全，穩(wěn)定。也就是需要在各人機(jī)接口進(jìn)行閉鎖邏輯設(shè)計(jì)。

閉鎖邏輯設(shè)計(jì)主要包括2 方面：①系統(tǒng)內(nèi)部的閉鎖：包括觸摸屏、上位機(jī)之間的閉鎖邏輯；②主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)第三方平臺(tái)處理數(shù)據(jù)的操作方式進(jìn)行管理，納入閉鎖管理范圍。

控制模式層次如圖2。

圖2 控制模式層次Fig.2 levels of control mode

系統(tǒng)采用分級(jí)管理方式。分為4 個(gè)控制級(jí)別：現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏集中控制、上位機(jī)遠(yuǎn)程控制、第三方平臺(tái)遠(yuǎn)程控制。其中現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作具有最高權(quán)限，現(xiàn)場(chǎng)集中控制通過觸摸屏操作執(zhí)行，權(quán)限次之。而第三方平臺(tái)則應(yīng)分配最低的控制權(quán)限，不能直接連接PLC，必須通過上位機(jī)提供的通道進(jìn)行控制。之所以不采用第三方平臺(tái)直接連接PLC 的點(diǎn)位進(jìn)行控制的方式，是因?yàn)橐坏╅_放PLC 的接口給第三方平臺(tái)，PLC 內(nèi)部所有的點(diǎn)，均暴露于外，這樣有2 個(gè)重大的安全隱患：①無法有效的監(jiān)管控制命令來自何方，現(xiàn)場(chǎng)的控制點(diǎn)動(dòng)作，在PLC 中無法分辨控制命令的來源，對(duì)控制操作的記錄無從談起；②外部程序下發(fā)的控制命令可以直接動(dòng)作于輸出繼電器點(diǎn)位，繞過PLC 的工藝邏輯流程，完全不受系統(tǒng)的閉鎖、保護(hù)，勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來極大的隱患。

具體設(shè)計(jì)如下：

1）根據(jù)就地優(yōu)先原則，操作模式的設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏上進(jìn)行操作。現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)人機(jī)接口，就是觸摸屏，其使用條件是現(xiàn)場(chǎng)人員在值班、執(zhí)行檢修等流程操作，而且現(xiàn)場(chǎng)正常狀態(tài)只有值班操作人員方可進(jìn)入，使用環(huán)境較為單一，操作安全有保障。因此，將現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏設(shè)計(jì)為控制核心，擁有高于遠(yuǎn)程控制、第三方平臺(tái)的控制權(quán)限是比較合理的。只有觸摸屏中才允許更改系統(tǒng)的控制模式，上位機(jī)軟件、第三方平臺(tái)中不允許更改控制模式，只能檢測(cè)到控制模式狀態(tài)。

2）在上位機(jī)的人機(jī)界面中，只有當(dāng)檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)PLC 監(jiān)控柜工作于遠(yuǎn)程控制模式時(shí)，才使能控制按鈕，而且，使用控制按鈕必須先登錄用戶名及密碼獲得對(duì)應(yīng)的控制權(quán)限才可以下發(fā)控制命令，系統(tǒng)同時(shí)記錄當(dāng)前下發(fā)的操作命令、操作時(shí)間、用戶名，便于系統(tǒng)的安全管理。

3）在就地控制模式，PLC 監(jiān)控柜僅提供監(jiān)測(cè)功能，執(zhí)行對(duì)各工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，顯示，存儲(chǔ)。由于前述的閉鎖設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的人機(jī)接口：觸摸屏和上位機(jī)均不提供操作途徑。

4）對(duì)于其他信息系統(tǒng)集成平臺(tái)等接入，由于無法控制、預(yù)知第三方的人機(jī)接口，PLC 系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)了邏輯閉鎖：當(dāng)操作模式不正確時(shí)，即使第三方平臺(tái)向PLC 提供的控制點(diǎn)位下發(fā)了控制命令，PLC 內(nèi)部的邏輯也會(huì)直接清除控制命令，不執(zhí)行動(dòng)作。從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 PLC 的安全級(jí)別

PLC 的訪問安全，主要是保障只有觸摸屏能控制PLC，組態(tài)軟件必須通過密碼訪問PLC，從而使得對(duì)PLC 的控制始終處于監(jiān)管之下。

西門子1200 系列PLC 的CPU 中提供了4 種安全級(jí)別：

1）完全訪問。組態(tài)軟件和編程軟件可以任意訪問PLC，不需要任何密碼。

2）讀訪問。編程軟件需要密碼才可以讀取PLC，人機(jī)界面可以任意訪問。

3）HMI 訪問。只有人機(jī)界面可以訪問PLC，編程軟件，組態(tài)軟件不能訪問PLC。

4）不能訪問。組態(tài)軟件、編程軟件、人機(jī)界面，都不能訪問PLC，必須輸入對(duì)應(yīng)級(jí)別密碼才能訪問PLC。

本系統(tǒng)中，需要將PLC 的CPU 安全級(jí)別選擇為HMI 訪問，即現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏可以訪問PLC，而組態(tài)軟件需要密碼登錄PLC 才能訪問。但也不能選擇“不能訪問”級(jí)別，因?yàn)椴糠钟|摸屏的編輯軟件不支持輸入密碼連接PLC。

此外，許多組態(tài)軟件可以通過CPU 模塊中的PUT/GET 通信機(jī)制訪問PLC，因此亦需將其關(guān)閉。

2.3 PLC 流程

主要通風(fēng)機(jī)控制流程如圖3。

圖3 主要通風(fēng)機(jī)控制流程Fig.3 Main fan control logic

與常見的雙絞車控制風(fēng)門不同，現(xiàn)場(chǎng)的2 個(gè)地下翻板風(fēng)門由1 臺(tái)風(fēng)門絞車控制，鋼絲繩兩端分別接在2 個(gè)翻板風(fēng)門上，絞車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，張緊端將風(fēng)門向上拉開，松弛端的風(fēng)門則受重力自然下垂，關(guān)閉風(fēng)硐。按礦方控制邏輯，一鍵啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)，一鍵停止通風(fēng)機(jī)，是檢修時(shí)操作，因此設(shè)計(jì)中不納入風(fēng)門的控制，在一鍵倒機(jī)流程中，則對(duì)風(fēng)門進(jìn)行控制。

程序設(shè)計(jì)需要遵循3 個(gè)原則：

1）流程模塊化。所有的流程，應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各設(shè)備的流程如電機(jī)分合閘、風(fēng)門切換等集中于各子模塊中，復(fù)雜的流程中，不斷調(diào)用下一級(jí)的模塊，而不可將所有條件都在復(fù)雜流程中排列執(zhí)行。

2）不同控制點(diǎn)方式。對(duì)上位機(jī)控制、觸摸屏控制，分為不同的控制點(diǎn)位，以備上位機(jī)記錄。

3）控制點(diǎn)位閉鎖。對(duì)不同設(shè)備下發(fā)的控制命令點(diǎn)位進(jìn)行緩存，閉鎖，對(duì)正常的控制命令，自動(dòng)清除控制點(diǎn)位，上位機(jī)只下發(fā)1 次控制點(diǎn)位的置位即可，無需上位機(jī)對(duì)控制點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)位，避免發(fā)生時(shí)序不同導(dǎo)致誤動(dòng)作的隱患。同時(shí)不符合控制流程的控制點(diǎn)位會(huì)自動(dòng)清除復(fù)位，而不執(zhí)行動(dòng)作。

2.4 上位機(jī)程序

上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)按如下原則設(shè)計(jì)：

1）人機(jī)訪問閉鎖。除了人員分級(jí)使用密碼登錄外，對(duì)不同的工況中，軟件界面上的按鈕，應(yīng)具有閉鎖功能，在工況不允許執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能的條件下，應(yīng)該使按鈕失效，從而減小誤操作的概率。

2）三方平臺(tái)的閉鎖。上位機(jī)為三方平臺(tái)提供接口，將三方平臺(tái)發(fā)來的控制點(diǎn)，進(jìn)行判別，緩存，閉鎖，自動(dòng)清除控制點(diǎn)位，三方平臺(tái)只發(fā)送1 次置位命令即可。不符合控制流程的控制命令直接復(fù)位，不向PLC 下發(fā)。

3）操作記錄功能。不僅記錄軟件界面上各按鈕的操作動(dòng)作，同時(shí)記錄PLC 中，不同的控制點(diǎn)位狀態(tài)。只有完善記錄，才能有效確定控制命令的來源，便于監(jiān)管。

4）二次確認(rèn)。對(duì)軟件界面上的每一個(gè)按鈕，都設(shè)置二次確認(rèn)功能，提示操作人員是否確認(rèn)，確認(rèn)則執(zhí)行命令；不確認(rèn)，則不予下發(fā)命令。

2.5 觸摸屏控制

觸摸屏作為系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)界面，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的集中控制，更改系統(tǒng)的操作模式，是現(xiàn)場(chǎng)的核心控制器。觸摸屏控制邏輯如圖4。

圖4 觸摸屏控制邏輯Fig.4 HMI control logic

觸摸屏的邏輯功能如下：

1）就地模式。觸摸屏只提供監(jiān)測(cè)功能，屏蔽所有控制按鈕，不提供執(zhí)行控制操作的接口。

2）集中模式。觸摸屏提供對(duì)應(yīng)的控制菜單，操作人員可以執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的單點(diǎn)控制、一鍵啟停、一鍵切換等操作，各操作按鈕之間，需要設(shè)置閉鎖關(guān)系，在流程控制執(zhí)行時(shí)，單點(diǎn)控制失效。

3）遠(yuǎn)程模式。屏蔽除操作模式更換外所有控制按鈕，觸摸屏不提供執(zhí)行控制操作的接口，只能由遠(yuǎn)端上位機(jī)執(zhí)行控制。

4）防呆設(shè)計(jì)。在操作觸摸屏執(zhí)行控制操作前，需要輸入1 次控制代碼解鎖控制界面，方可使用控制功能?？刂平缑娼怄i后，所有控制按鈕不再提供二次確認(rèn)。因?yàn)橛|摸屏操作的工作場(chǎng)景設(shè)定為檢修等情況，人員均位于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操控。若增加按鈕二次確認(rèn)，對(duì)緊急時(shí)刻的操作過于繁瑣，反而不利于現(xiàn)場(chǎng)的處理，因此，不宜設(shè)置二次確認(rèn)。同理，切換操作模式亦無需輸入控制代碼。

2.6 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各設(shè)備進(jìn)行改造、布線、施工，按設(shè)計(jì)原則依次進(jìn)行PLC 固件程序設(shè)計(jì)、觸摸屏固件程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)參數(shù)正常，響應(yīng)時(shí)間短，控制可靠，操作方式符合預(yù)期設(shè)計(jì)。試運(yùn)行期間運(yùn)行可靠，預(yù)留的第三方平臺(tái)接口測(cè)試穩(wěn)定。已交付現(xiàn)場(chǎng)正常生產(chǎn)使用。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）智慧礦山的建設(shè)發(fā)展中，自動(dòng)化子系統(tǒng)不再是一個(gè)個(gè)封閉系統(tǒng)，而是在局域網(wǎng)中互通互聯(lián)，控制的安全性凸顯，沒有合理的數(shù)據(jù)以及控制的安全保障設(shè)計(jì)機(jī)制，會(huì)使各系統(tǒng)相互影響，形成安全隱患，因此在設(shè)計(jì)中必須對(duì)安全機(jī)制予以充分的考慮。

2）自動(dòng)化子系統(tǒng)的控制安全不僅表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)、外部接口的數(shù)據(jù)交換中，同時(shí)還表現(xiàn)在具體的操作方式中。礦山生產(chǎn)實(shí)際環(huán)境中，生產(chǎn)自動(dòng)化子系統(tǒng)的操作對(duì)人員有一定的要求，各人機(jī)接口采用防呆策略、閉鎖設(shè)計(jì)可以有效減少人為因素造成的故障。

3）目前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)PLC 的訪問安全通過不同的權(quán)限密碼實(shí)現(xiàn)，面對(duì)今后各系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的發(fā)展趨勢(shì)，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)訪問的控制做進(jìn)一步加強(qiáng)的研究。