基于煤礦數(shù)據(jù)模型的移動監(jiān)控系統(tǒng)

黃 威

(國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

神東大型煤炭基地生產(chǎn)發(fā)展多年，隨著煤礦生產(chǎn)中5G信號無線局域網(wǎng)的井下覆蓋，本安型移動終端設(shè)備的普及，對煤礦數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)的使用提出更高的要求，不但要隨時隨地了解和掌握各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，還要快速分析處理設(shè)備故障，從而優(yōu)化煤礦生產(chǎn)運行方案。

存在的主要問題有系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不規(guī)范，在生產(chǎn)過程中，設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)是系統(tǒng)配套使用的重要組成部分，煤礦SCADA系統(tǒng)涉及綜采、運輸、供配電和供排水等專業(yè)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)層是分開管理的，在監(jiān)控分析層才統(tǒng)一展示，數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一等，使得現(xiàn)有煤礦數(shù)據(jù)管理困難；監(jiān)控系統(tǒng)不統(tǒng)一，目前神東對煤礦監(jiān)控畫面并無統(tǒng)一標準，目前分別由各供應(yīng)商或煤礦運維，包括PSI[2]，RSView和視頻監(jiān)測等，具備部分統(tǒng)一的監(jiān)測控制或業(yè)務(wù)分析標準，導(dǎo)致各個工藝監(jiān)控界面不一致，給將來現(xiàn)場調(diào)試維護工作帶來了不便；無法移動監(jiān)測控制，煤礦管理人員對井下現(xiàn)場安全生產(chǎn)的各種設(shè)備信息、工業(yè)視頻情況等信息只能在PC端系統(tǒng)監(jiān)控查看。導(dǎo)致系統(tǒng)使用率低，限制人員發(fā)現(xiàn)解決問題，未充分發(fā)揮輔助生產(chǎn)和設(shè)備故障診斷的作用。

為了不斷改進生產(chǎn)工藝和提高生產(chǎn)效率，固化關(guān)鍵工藝流程，梳理規(guī)范生產(chǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一提高神東各煤礦的信息化水平。實施移動監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)揮生產(chǎn)輔助的作用，在信息有效利用和共享的基礎(chǔ)上，提高生產(chǎn)執(zhí)行效率，降低生產(chǎn)成本。

1 解決方案

移動生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)借鑒傳統(tǒng)SCADA軟件的功能，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測控制、報警統(tǒng)計和安全授權(quán)等各項功能為基礎(chǔ)，充分考慮煤礦設(shè)備數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)和機構(gòu)用戶之間在移動端監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，減少系統(tǒng)運維難度和工作量，縮短井下故障處理時間，及時準確掌握生產(chǎn)信息。通過本項目的實施幫助煤礦信息化建設(shè)邁上新的臺階。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為3層：數(shù)據(jù)管理層、監(jiān)控分析層和權(quán)限控制層，如圖1所示。其中，最底層部分為數(shù)據(jù)管理層，傳統(tǒng)OPC協(xié)議數(shù)據(jù)采集軟件只有分組和標簽2種數(shù)據(jù)管理方式，在此基礎(chǔ)上增加設(shè)備管理，建立數(shù)據(jù)模型，進一步規(guī)范采集數(shù)據(jù)管理方式。中間部分為監(jiān)控分析層，包括3部分：①生產(chǎn)工藝監(jiān)控規(guī)范工藝流程圖制圖，實時監(jiān)控各系統(tǒng)現(xiàn)場工作狀況，如規(guī)范所有主運輸系統(tǒng)的拓撲圖和膠帶機監(jiān)測控制畫面；②分析決策繼承了傳統(tǒng)SCADA軟件的報警、歷史曲線和統(tǒng)計分析功能輔助業(yè)務(wù)系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行；③第三方接入關(guān)聯(lián)視頻監(jiān)測、人員定位和安全監(jiān)測的功能或數(shù)據(jù)，當現(xiàn)有功能無法準確反應(yīng)現(xiàn)場狀況時，輔助工作人員決策。最上層為權(quán)限控制層，通過角色統(tǒng)一對煤礦機構(gòu)人員配置系統(tǒng)功能和設(shè)備訪問控制權(quán)限，保證移動端人員控制權(quán)限的安全精細化管理。

圖1 移動監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Mobile monitoring system architecture

2 數(shù)據(jù)管理層

神東煤炭基地采集數(shù)據(jù)未建立覆蓋各煤礦的標準，為了更好地對所有數(shù)據(jù)進行管理和應(yīng)用，統(tǒng)一建立數(shù)據(jù)模型，規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和名稱，移動監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)模型樹管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模型樹根據(jù)設(shè)備和業(yè)務(wù)系統(tǒng)分組，采用樹型結(jié)構(gòu)化方式統(tǒng)一管理采集數(shù)據(jù)，對各煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行歸類和整合，建立了神東生產(chǎn)數(shù)據(jù)標準。數(shù)據(jù)模型樹分為分組、設(shè)備、標簽3類數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)模型樹Fig.2 Data model tree

分組(Group)用于描述虛擬或者概括性的井下位置(例：2-2煤、三盤區(qū)等)，對設(shè)備和標簽的分類管理。分組樹節(jié)點僅能下掛分組和設(shè)備，如水泵房下掛設(shè)備液位傳感器或分組泵組。

設(shè)備(Device)用于表示煤礦具體位置中存在的實際設(shè)備(例：膠帶機、水泵)，設(shè)備樹節(jié)點能下掛設(shè)備和標簽，如設(shè)備破碎機下掛設(shè)備電機，也可下掛標簽啟動，設(shè)備根據(jù)標簽的不同劃分為不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)下的設(shè)備類。

設(shè)備類(Device class)用于定義業(yè)務(wù)系統(tǒng)下具有相同標簽在不同分組下的設(shè)備。如供排水系統(tǒng)的電動閥設(shè)備，不論在水泵房、水倉，還是泵組下都有相同的標簽。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)(System)用于區(qū)分井下不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的設(shè)備類，分為綜采、主運、供配電和供排水等系統(tǒng)。不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)下相同設(shè)備歸為設(shè)備類，包含相同標簽，如供排水系統(tǒng)包含電動閥和液位傳感器。電動閥具有開關(guān)閥、開關(guān)到位和故障等相同標簽。相同設(shè)備類在不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)下所包含標簽不同，如供排水系統(tǒng)和綜采系統(tǒng)的電機包含標簽不同。

標簽(Tag)用于描述設(shè)備監(jiān)測、控制、報警和故障的屬性變量(例：跑偏、采高)，兼容了常用的通信協(xié)議，如OPC協(xié)議的標簽定義屬性，如下圖中的破碎機的冷卻水流量標簽，讀寫屬性是只讀，工程單位是m3/h(每小時立方米)，標簽類是模擬量。

數(shù)據(jù)模型樹輔助用戶以統(tǒng)一格式定義采集數(shù)據(jù)，通過樹形結(jié)構(gòu)建立起所有系統(tǒng)設(shè)備標簽的命名規(guī)范，實現(xiàn)所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。如圖3所示。

圖3 標簽屬性Fig.3 Label properties

3 監(jiān)控分析層

監(jiān)控分析層包括3大功能，生產(chǎn)工藝監(jiān)控采用一套完備的設(shè)備模型圖形規(guī)范各業(yè)務(wù)系統(tǒng)監(jiān)控現(xiàn)場狀況。分析決策通過報警、歷史趨勢和圖表統(tǒng)計分析方式輔助決策。第三方系統(tǒng)接入通過接口訪問攝像頭或人員定位的功能和數(shù)據(jù)。

3.1 生產(chǎn)工藝監(jiān)控

系統(tǒng)已實現(xiàn)了所有煤礦綜采、主運、供配電、供排水、通風(fēng)和壓風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)控。設(shè)計了各系統(tǒng)的工藝流程圖規(guī)范和設(shè)備圖形模型近百個，實現(xiàn)圖形模型統(tǒng)一關(guān)聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)模型的功能，避免運維人員重復(fù)組態(tài)，大大節(jié)省了工作量。

各系統(tǒng)的工藝流程圖分為工藝流程圖、系統(tǒng)拓撲圖和設(shè)備細節(jié)圖，各系統(tǒng)默認打開工藝流程圖或系統(tǒng)拓撲圖，展示整個系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝或拓撲關(guān)系，并能索引到設(shè)備細節(jié)圖。如圖4所示供配電系統(tǒng)拓撲圖中，顯示該礦變電站、變電所和配電點的供電關(guān)系，通過變電所名字能夠索引到變電所細節(jié)圖中。圖中使用高壓柜模型規(guī)范展示各高壓柜分合閘、遠近控和手車位置等設(shè)備運行狀態(tài)。通過高壓柜打開到高壓柜詳細信息頁，如圖5所示。高壓柜詳細信息頁顯示高壓柜詳細參數(shù)、定值設(shè)置和軟壓板設(shè)置，以及啟動、停止和遠近控切換等控制功能。

圖4 供配電系統(tǒng)拓撲Fig.4 Power supply and distribution system topology

圖5 高壓柜詳細Fig.5 Detailed drawing of high voltage cabinet

監(jiān)控工藝流程圖開發(fā)過程中使用大量監(jiān)控畫面，傳統(tǒng)SCADA軟件監(jiān)控畫面關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)時，需要逐個配置標簽，這樣造成大量的重復(fù)工作。移動監(jiān)控系統(tǒng)中通過圖形模型關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型中的分組或設(shè)備避免了重復(fù)配置關(guān)聯(lián)標簽操作。圖形模型配置分組后，迭代查詢到分組或設(shè)備下的具體標簽名稱，再將標簽值關(guān)聯(lián)到細節(jié)監(jiān)控畫面中具體圖形的動畫，參數(shù)、控制操作。如圖5所示，變電所高壓柜模型關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型中的設(shè)備：供配電系統(tǒng)—1-2煤中央變電所—高壓柜1107，高壓柜詳細圖中會自動關(guān)聯(lián)顯示數(shù)據(jù)模型中高壓柜1107下所有標簽，包括監(jiān)控數(shù)據(jù)、定值和軟壓板設(shè)置等。

3.2 分析決策

移動監(jiān)控系統(tǒng)中支持了SCADA軟件的報警和事件功能，通過查詢獲得數(shù)據(jù)模型的分組和設(shè)備下的標簽，關(guān)聯(lián)顯示系統(tǒng)和設(shè)備的報警和操作事件。當設(shè)備數(shù)據(jù)超出正常范圍時，系統(tǒng)通過報警通知系統(tǒng)操作人員，操作人員接收到報警信息后會對報警及時處理。事件功能記錄用戶啟停設(shè)備等相關(guān)操作的時間、操作人員和控制設(shè)備信息。

歷史趨勢能夠訪問標簽的歷史值。通過實時數(shù)據(jù)庫存儲管理訪問數(shù)十萬個采集點的長時間(數(shù)年)、高密度(毫秒級分辨率)真實數(shù)據(jù)，提供清晰、精確的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，既便于用戶瀏覽當前狀況，對現(xiàn)場進行及時的反饋調(diào)節(jié)，也可回顧歷史的生產(chǎn)情況。便于系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化、設(shè)備故障診斷、故障過程記錄以及事后不斷深入分析故障等。

統(tǒng)計分析按周期或變化保存聚合等函數(shù)計算周期內(nèi)變量的最小值、最大值和平均值等，進行數(shù)據(jù)可視化展示。如能耗分析計算16點至次日16點時間區(qū)間內(nèi)膠帶機的耗電量，可以通過額定功率乘以膠帶機的運轉(zhuǎn)時長，也可以通過次日16點的電度值減去16點的電度值獲得，實現(xiàn)電力消耗的碎片化數(shù)據(jù)集中管理，為開展節(jié)能形勢分析及預(yù)測、預(yù)警、提高節(jié)能調(diào)控能力提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.3 第三方接入

為保證煤礦的安全生產(chǎn)，移動監(jiān)控系統(tǒng)集成礦井第三方數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。目前主流的SCADA系統(tǒng)，包括SCADA軟件和現(xiàn)場采集RTU設(shè)備，都具有很好的開放性和互連性。移動監(jiān)控系統(tǒng)通過SCADA監(jiān)控軟件提供的ODBC等數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與人員車輛定位數(shù)據(jù)集成。

移動監(jiān)控系統(tǒng)通過Restful接口技術(shù)集成安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)。使用服務(wù)者注冊機制，只有成功注冊才可訪問接口服務(wù)。其傳輸數(shù)據(jù)采用二進制格式JSON格式，具有數(shù)據(jù)校驗機制，可防止數(shù)據(jù)篡改、數(shù)據(jù)不完整問題。對數(shù)據(jù)進行加密(加解密算法由雙方約定)，可避免數(shù)據(jù)泄露。每次訪問首先通過身份認證獲取Token，在此會話期間每次訪問服務(wù)均攜帶Token信息，本項目數(shù)據(jù)服務(wù)判定Token有效后，響應(yīng)服務(wù)請求。保證了數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定傳輸。

移動監(jiān)控系統(tǒng)通過攝像頭輔助設(shè)備故障決策，通過無插件的HTML 5視頻直播技術(shù)集成視頻監(jiān)測攝像頭，配置標準視頻協(xié)議RTSP、RTMP和ONVIF等訪問單通道視頻源，或通過各視頻監(jiān)測廠家設(shè)備SDK添加設(shè)備，添加設(shè)備后會自動檢索顯示1個或多個攝像頭源。

4 認證授權(quán)層

傳統(tǒng)的SCADA軟件通過優(yōu)先級和安全區(qū)控制對設(shè)備控制和報警進行訪問保護，只有用戶的優(yōu)先級大于等于設(shè)備圖形模型的優(yōu)先級時，或者用戶擁有的安全區(qū)包含設(shè)備圖形模型所屬安全區(qū)時，才可以對該對象進行操作。這種權(quán)限控制在設(shè)備數(shù)據(jù)和監(jiān)控用戶不多的情況下充分發(fā)揮作用。但在移動監(jiān)控系統(tǒng)中，煤礦區(qū)隊監(jiān)控不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)使得權(quán)限管理相當復(fù)雜。因此該系統(tǒng)改進了基于角色的訪問控制(RBAC)功能[4]，滿足系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)模型進行權(quán)限差異化管理的需求，有效避免跨系統(tǒng)和設(shè)備誤操作，如圖6所示。

圖6 用戶授權(quán)Fig.6 User authorization

機構(gòu)是煤礦中的重要組成單元，一個機構(gòu)下面可以包括多個子機構(gòu)，如煤礦機構(gòu)下轄調(diào)度室、綜采隊、連采隊、運轉(zhuǎn)隊、機電隊等。機構(gòu)與員工是一對多的關(guān)系，一個機構(gòu)可以擁有多個員工，機構(gòu)根據(jù)職能授予權(quán)限，而員工根據(jù)崗位授予不同權(quán)限。

在RBAC中，權(quán)限與角色相關(guān)聯(lián)，角色是擁有相同權(quán)限的機構(gòu)員工集合。煤礦機構(gòu)和員工通過成為適當角色的成員而得到這些角色的權(quán)限。監(jiān)控系統(tǒng)中，角色可配置數(shù)據(jù)模型樹中的分組和設(shè)備，員工則依據(jù)它的崗位或職責(zé)授予相應(yīng)的角色，員工可以很容易地從一個角色被指派到另一個角色。角色可依新的需求和系統(tǒng)的合并而賦予新的權(quán)限，而權(quán)限也可根據(jù)需要從某角色中回收。煤礦角色包括：礦領(lǐng)導(dǎo)、調(diào)度員、機電隊值班員工、機電隊班長等。

移動監(jiān)控系統(tǒng)中權(quán)限操作對象，設(shè)備控制和報警事件操作通過角色配置數(shù)據(jù)模型樹實現(xiàn)，圖6中，如果機電隊生產(chǎn)二班的張三用戶授予機電隊崗位工的角色，而角色機電隊崗位工配置操作排水系統(tǒng)1號水泵房的分組設(shè)備權(quán)限，則張三就可以啟停到1號水泵房下設(shè)備，如控制1號離心泵組下泵啟動標簽。但是生產(chǎn)一班下的李四因為沒有配置機電隊崗位工角色，所以無法啟停設(shè)備。同理，張三可以確認或刪除1號離心泵組下泵的合閘失敗報警，而李四無法操作。

5 結(jié)語

根據(jù)煤礦對SCADA的移動端的應(yīng)用需求，基于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、授權(quán)功能，建立移動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一管理采集數(shù)據(jù)；監(jiān)控分析減少維護人員工作量，結(jié)合報警和歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，集成了視頻監(jiān)測，人員安全監(jiān)測系統(tǒng)輔助決策；認證授權(quán)提供高強度安全認證手段。實現(xiàn)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范化、移動化和安全性，促進礦井信息共享、有效利用和礦井生產(chǎn)過程的整體優(yōu)化。