天地（常州）自動化股份有限公司 殷久伯

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建及其網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)研究

天地（常州）自動化股份有限公司 殷久伯

本文探討了煤礦現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)特點及其問題，提出了一種煤礦綜合自動化控制平臺的概念，并針對與之對應(yīng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)展開分析，對所涉及的網(wǎng)路構(gòu)架、網(wǎng)絡(luò)冗余形式選擇等問題進(jìn)行了討論，最后論述了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接入方式問題。其結(jié)論可為煤礦的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供參考。

煤礦；監(jiān)控系統(tǒng)；綜合自動化控制平臺；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

1.煤礦現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)特點與問題分析

我國大中型煤礦生產(chǎn)已經(jīng)基本上實現(xiàn)了單機(jī)自動化，其他一些關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)也大多實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化。在煤礦自動化生產(chǎn)方面，總體趨勢上正朝著和發(fā)達(dá)國家相類似的綜合自動化采煤的方向發(fā)展，全礦井的綜合自動化已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)自動化的重要研究方向。

從現(xiàn)有的大中型煤礦的實施情況來看，主要有以下幾種主要的方式。某些實力雄厚的大型煤礦采用了直接引進(jìn)國外大型控制設(shè)備制造商所提供的地面通用產(chǎn)品來實現(xiàn)煤礦的綜合自動化控制，以及依賴這些設(shè)備來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控。這類設(shè)備中較為典型的布置方式是利用工業(yè)型PLC，結(jié)合現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來完成。這類控制方式的優(yōu)點是監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，但由于要依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的大型生產(chǎn)設(shè)備，因此投資相對較大，所建立起來的監(jiān)控系統(tǒng)和原有的監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的兼容性較差。另一類應(yīng)用相對較為廣泛的形式是利用現(xiàn)有的煤礦監(jiān)控子系統(tǒng)來進(jìn)行擴(kuò)展和升級，從而構(gòu)建出性能更優(yōu)異的綜合自動化系統(tǒng)。這種方式由于可以使用煤礦原有的子系統(tǒng)，并以一個主干監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，具有良好的橫向擴(kuò)展特性，投資相對較少，因此成為近年來主推的綜合監(jiān)控模式。但這類監(jiān)控系統(tǒng)也存在一些缺點，比如在各監(jiān)控子系統(tǒng)的整合過程中會遇到不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備之間的通信協(xié)議不協(xié)調(diào)的問題，造成設(shè)備間的并網(wǎng)受限。其次是現(xiàn)有的監(jiān)控子系統(tǒng)一般都只能實現(xiàn)對特定設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控，要實現(xiàn)對各類設(shè)備的綜合監(jiān)控還存在差距，子系統(tǒng)的運行受到設(shè)備資源配置的影響較大，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此從嚴(yán)格意義上講，我國的煤礦綜合自動化監(jiān)控信息系統(tǒng)和國外先進(jìn)水平存在著較大的差距，是值得深入研究的課題。

本文擬從煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入問題入手，針對煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵區(qū)域綜合監(jiān)控，重點研究煤礦監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。

2.網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架研究

我國大中型煤礦的系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)量上已經(jīng)很多，幾乎遍布監(jiān)控系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。但這些數(shù)量眾多的網(wǎng)絡(luò)一般都屬于專用網(wǎng)絡(luò)，在運行時設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)沿著各自的專用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和中央控制室的網(wǎng)絡(luò)通信。就煤礦的整個網(wǎng)絡(luò)而言，這些子網(wǎng)絡(luò)之間大都獨立，缺乏網(wǎng)絡(luò)分層配置，不同網(wǎng)絡(luò)之間的技術(shù)水平和維護(hù)費用差異較大。為了提高煤礦監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的可靠性，本中采用較為成熟的地面工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用工業(yè)以太網(wǎng)來整合煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，提高其整體的可靠性。

本文中提出綜合自動化控制平臺的概念，將網(wǎng)絡(luò)體系分為3個層級來進(jìn)行整合，這3個層次分別為管理層（第一層）、控制層（中間層）和設(shè)備層（底層）。其中利用硬件防火墻來隔離控制層和管理層，控制層的管控服務(wù)器配置雙機(jī)，通過標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)類型來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的存取操作及其處理，同時在控制層中為調(diào)度人員提供WEB瀏覽支持。各層級的配置設(shè)計如下：（1）管理層。管理層主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器、OA服務(wù)器、DNS服務(wù)器、代理服務(wù)器構(gòu)成，并通過路由器來實現(xiàn)和外部英特網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)，在管理層和控制層之間配置防火墻來實現(xiàn)隔離。（2）控制層?？刂茖佑筛黝悓I(yè)操控站、接入服務(wù)器以及專業(yè)服務(wù)器組成，該層與管理層的防火墻可與地面調(diào)度室的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)聯(lián)絡(luò)，控制層與設(shè)備層之間以環(huán)網(wǎng)交換機(jī)來實現(xiàn)隔離。（3）設(shè)備層。設(shè)備層的設(shè)備包括PLC、專用控制器等現(xiàn)場控制設(shè)備，設(shè)備間以現(xiàn)場總線方式來連接。和設(shè)備相連的中央變電所、采區(qū)變電所、水泵房、瓦斯抽放站等以工業(yè)控制光纖環(huán)網(wǎng)連接。

在網(wǎng)絡(luò)配置方面，對井下重要工作場所統(tǒng)一配置環(huán)網(wǎng)接入器，各環(huán)網(wǎng)接入器之間采用光纖相連從而構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，對于監(jiān)控設(shè)備采用本安以太網(wǎng)的方式接入環(huán)網(wǎng)計入器。主干網(wǎng)絡(luò)的速率方面，可根據(jù)實際需要的控制要求來選擇。在設(shè)計管理層、控制層和設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時需要考慮到不同的網(wǎng)絡(luò)冗余，這是保障網(wǎng)絡(luò)暢通的關(guān)鍵步驟之一。管理層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以相對簡單的設(shè)計為星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)備層就需要進(jìn)行討論后決定?？晒┻x擇的網(wǎng)絡(luò)冗余方式有兩種：雙網(wǎng)冗余和環(huán)網(wǎng)冗余。對于井下設(shè)備而言，如果采用雙網(wǎng)冗余方式，意味著在某一線路故障時系統(tǒng)會自動切換至另一條線路上，從而保障通訊的正常。但煤礦井下空間較小，各類線纜都是從狹窄的巷道內(nèi)引出，因此從距離上一般不能滿足雙網(wǎng)冗余線路間的空間距離要求，加之采用雙網(wǎng)冗余要求兩套網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，目前多數(shù)的監(jiān)控子系統(tǒng)也不支持雙網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)冗余方式能夠方便主機(jī)接入，對接入設(shè)備的要求也較低，對于故障的檢測也更方便。因此相比之下位于設(shè)備層的井下設(shè)備采用環(huán)網(wǎng)冗余是較為合理的方式。

3.網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)

煤礦的綜合自動化控制所涉及的環(huán)節(jié)多，設(shè)備類型多樣，技術(shù)水平也存在較大的差異，要將這些要素整合在一起，關(guān)鍵問題就是系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入問題。研究網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)其實是給不同子系統(tǒng)以協(xié)調(diào)的機(jī)會，避免出現(xiàn)接入技術(shù)選擇不當(dāng)而造成的子系統(tǒng)無法支持或降低系統(tǒng)整體的性能的問題。這里涉及到硬件和軟件兩個方面的網(wǎng)絡(luò)接入，現(xiàn)分別討論如下。

在硬件接入方面，在考慮網(wǎng)絡(luò)接入時最主要的問題是某些子系統(tǒng)控制器并不支持以太網(wǎng)接口，因此需要考慮其他的接入方式。一般而言，應(yīng)選擇在實踐中常用且易于向以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換的硬件接入接口，筆者推薦采用RS232或者是RS485作為硬件接入接口。

在軟件的接入方面，由于目前煤礦各類子系統(tǒng)中心站的形式主要是具備監(jiān)控軟件、嵌入式PC或主控器PLC。因此在軟件的接入設(shè)計時，需要開發(fā)接入組件，使之可以把子系統(tǒng)的信息匯集到平臺上。從功能上看，接入組件應(yīng)當(dāng)具備標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口和在線自動匹配機(jī)制，并具備對不同類型數(shù)據(jù)的自動識別能力。煤礦子系統(tǒng)常涉及到的軟件接口類型是OPC接口、DDE/NetDDE接口、ODBC接口和FTP接口四類。其中OPC接口是當(dāng)前異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)中較為安全和快捷的接口方式，并被多數(shù)的廠商所支持。在考慮煤礦子系統(tǒng)這類較為復(fù)雜的問題時，選用OPC接口從技術(shù)上講是最佳的選擇。

結(jié)合第2節(jié)中對整體網(wǎng)路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在選擇了OPC接口的前提下，設(shè)備層接入控制層共有三種方式可供選擇——與子系統(tǒng)控制器聯(lián)接、與子系統(tǒng)主機(jī)聯(lián)接、與基于PC的嵌入式子系統(tǒng)聯(lián)接三種，具體選用哪一種方式可根據(jù)具體情況來作出選擇。筆者認(rèn)為，對采用PLC控制的煤礦子系統(tǒng)，且PLC具備以太網(wǎng)通訊模塊，并且邏輯控制位于PLC時，建議采用與子系統(tǒng)控制器聯(lián)接的計入形式。對煤礦專業(yè)性較強(qiáng)的子系統(tǒng)管控服務(wù)器，宜采用通過以太環(huán)網(wǎng)及OPC/DDE/FTP接口協(xié)議與該類型的子系統(tǒng)主機(jī)相聯(lián)。對于基于PC的嵌入式子系統(tǒng)（如膠帶機(jī)控制子系統(tǒng)、工作面順槽控制系統(tǒng)等），管控服務(wù)器宜通過以太環(huán)網(wǎng)及OPC/DDE/FTP接口協(xié)議與該類型的嵌入PC相聯(lián)。

[1]朱金華.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用[M].中國鐵道出版社,2008.

[2]孫曉云.接口與通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M].中國電力出版社,2007.

[3]榮妍.基于無線網(wǎng)絡(luò)的礦井安全系統(tǒng)設(shè)計[D].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫,2007.

[4]周曉兵,費敏銳.以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].自動化儀表,2011(10).