王 穎

(山西省交通信息通信公司，山西 太原 030003)

1 發(fā)展與現(xiàn)狀

近年來，煤礦行業(yè)的信息化，自動化技術應用范圍快速擴展，應用水平不斷提高，目前在用的各種管理、監(jiān)測監(jiān)控、自動化、通訊系統(tǒng)有30 多種。具有代表性的系統(tǒng)有:從管理層面看有MIS、辦公自動化系統(tǒng)等;從自動化層面看有綜采工作面自動化控制系統(tǒng)、主副井提升自動化控制系統(tǒng)、選煤廠自動化系統(tǒng)等;從監(jiān)測監(jiān)控層面看有瓦斯通風監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員跟蹤定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)等;從通訊的層面看有井上井下有線和無線通訊系統(tǒng)等;還有其他用途各異的一些系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的應用，一方面提高了煤礦的經(jīng)營、生產(chǎn)、安全、管理水平，另一方面，如此種類繁多，數(shù)目龐雜的計算機系統(tǒng)也給使用單位帶來很大的困擾，甚至麻煩。從投資的角度看，每個系統(tǒng)都要配備相當數(shù)量的計算機及配套設備，搭建自己的通訊網(wǎng)絡，設備資源不能共用共享，造成巨大的投資浪費;從信息的使用效率來看，各種系統(tǒng)反映的數(shù)據(jù)標準各異，很難交換共享，使用范圍窄，存在大量的“信息孤島”，形成新的“信息壁壘”。從操作使用的難易程度來看，不同的系統(tǒng)用戶界面各不相同，操作模式千差萬別，使用者不得不花費大量的時間和精力來學習每個系統(tǒng)的使用方法，這成為企業(yè)管理人員和操作人員相當?shù)呢摀?從后期的維護管理來看，如此數(shù)量龐大的設備、電纜，其管理維護難度可想而知。因此，建設一個統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺，將現(xiàn)有各種系統(tǒng)的功能整合到統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺中，刪繁就簡，實現(xiàn)最大限度的硬件、軟件、數(shù)據(jù)資源共享，既是當下煤礦行業(yè)迫切的需求，也是煤礦自動化、信息化、智能化未來的發(fā)展方向。

本文介紹全集成的數(shù)字化礦山管理信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，這個系統(tǒng)應用西門子公司先進的全集成(TIA)自動化技術，充分考慮礦井行業(yè)生產(chǎn)過程兼有離散性和連續(xù)性，安全可靠性要求極高，監(jiān)測監(jiān)控項目眾多，生產(chǎn)區(qū)域廣大，生產(chǎn)環(huán)境復雜的特點，根據(jù)“管控一體化”的思想，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，統(tǒng)一的網(wǎng)絡通訊平臺，統(tǒng)一的軟件組態(tài)編程，構架涵蓋“采、掘、運、風、水、電、安全”等生產(chǎn)安全環(huán)節(jié)的統(tǒng)一網(wǎng)絡信息平臺，充分利用千兆工業(yè)以太網(wǎng)資源，將企業(yè)管理、生產(chǎn)、安全涉及到的數(shù)據(jù)、語音、圖像三種基本信息同網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)“三網(wǎng)合一”，用一個系統(tǒng)完成原來由多種系統(tǒng)搭配完成的功能。

2 關鍵技術

本系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術為西門子的全集成(TIA)自動化技術和千兆工業(yè)以太網(wǎng)技術。西門子是全球自動化技術的領跑者，全集成自動化的概念由西門子公司率先提出，目前已經(jīng)成為業(yè)界公認的發(fā)展方向和行業(yè)宏觀標準。全集成自動化通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理、統(tǒng)一的通訊和統(tǒng)一的軟件組態(tài)編程三項核心技術，可以大大簡化系統(tǒng)的結構，減少了大量的接口部件，為用戶提供了統(tǒng)一、優(yōu)化、集成的產(chǎn)品和方案。

2.1 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理

全集成自動化采用全局統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，所有的系統(tǒng)信息都存儲于一個數(shù)據(jù)庫中而且只需輸入一次。數(shù)據(jù)一旦被輸入，在整個系統(tǒng)中都可以使用，保證了符號和變量在項目中取得一致性，不僅可以減少數(shù)據(jù)的重復輸入，節(jié)約人力、財力，更重要的是，它還可以降低出錯率，提高系統(tǒng)診斷效率，大大增強了系統(tǒng)的整體性和信息的準確性。

2.2 統(tǒng)一的通訊

全集成自動化實現(xiàn)了從現(xiàn)場級、控制級到管理級協(xié)調(diào)一致的通訊，所有的部件之間的數(shù)據(jù)交換可以暢通無阻。因為PROFIBUS和PROFINET 工業(yè)以太網(wǎng)提供了通用的數(shù)據(jù)通道，在系統(tǒng)各個部件中，無論是控制器、人機界面、還是工業(yè)PC 中都集成了通訊接口，通訊連接非常方便。由于符合開放的標準，即使是第三方設備也可順利地接入系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡。

2.3 統(tǒng)一的編程和組態(tài)

全集成自動化基于WinCC的HMI/SCADA 系統(tǒng)軟件在功能上，滿足了一個自動化項目從設計、硬件組態(tài)、編程、測試、開車到操作診斷和遠程維護的全部需求。所有的部件都使用WINCC 軟件進行組態(tài)，統(tǒng)一化的用戶圖形界面和面向?qū)ο蟮脑O計，使用起來輕松自如。

3 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)大型煤礦自動化系統(tǒng)建設的要求以及“管控一體化”的思想，運用西門子全集成自動化技術，整個系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡結構，將煤炭生產(chǎn)、安全、管理的各個環(huán)節(jié)，統(tǒng)一在一個網(wǎng)絡平臺上，形成統(tǒng)一、完整的有機整體。系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸平臺采用工業(yè)級光纖以太環(huán)網(wǎng)技術，即:主干網(wǎng)采用千兆以太光纖環(huán)網(wǎng)，子網(wǎng)采用百兆光纖環(huán)網(wǎng)，確保系統(tǒng)的先進性、可靠性，并充分利用千兆以太網(wǎng)資源，實現(xiàn)三網(wǎng)合一(數(shù)據(jù)、圖像、語音同網(wǎng)傳輸)。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

3.1 信息層

涵蓋了公司層、二級單位管理層、作業(yè)層。公司輸出管理理念和管理規(guī)則，所有二級單位管理及作業(yè)層面根據(jù)公司的管理要求嚴格執(zhí)行，通過信息反饋和信息共享，實現(xiàn)目標管理和考核。

3.2 MES 層

在經(jīng)營管理系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)企業(yè)管理信息系統(tǒng)與工業(yè)控制現(xiàn)場的無縫連接。各種圖形、圖像、報表信息都可以通過Web的方式在任何一臺終端統(tǒng)一瀏覽，統(tǒng)一界面，從而建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，在集成化的數(shù)據(jù)管理中，數(shù)據(jù)一旦被輸入，在整個系統(tǒng)中都可以使用。

3.3 控制層(本設計的重點)

生產(chǎn)控制層將不同廠家生產(chǎn)、采用各種不同技術方式、用于不同生產(chǎn)過程的監(jiān)控子系統(tǒng)或單元所產(chǎn)生的各類不同標準的信息進行匯總、加工，使其可以共享，改變目前通訊不暢，信息不能共享的狀況。同時，通過各專業(yè)子系統(tǒng)對各生產(chǎn)過程進行監(jiān)控和調(diào)度操作。

3.4 設備層

生產(chǎn)過程監(jiān)測監(jiān)控層是由各個專業(yè)的生產(chǎn)過程監(jiān)測、監(jiān)控子系統(tǒng)構成，完成煤炭生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的過程監(jiān)測及自動化控制。這些子系統(tǒng)采用的技術和結構形式可以多種多樣，例如，可以是基于PC的分布式系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)，也可以是智能化的機電一體化的設備，通過總線方式接入綜合自動化信息監(jiān)控層網(wǎng)絡節(jié)點聯(lián)網(wǎng)。

4 全集成網(wǎng)絡傳輸平臺設計

根據(jù)煤礦信息化建設的需求，系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸平臺采用工業(yè)級光纖以太環(huán)網(wǎng)技術，在西門子PROFINET 1000M 工業(yè)以太網(wǎng)的基礎之上實現(xiàn)視頻、監(jiān)控數(shù)據(jù)和話音通信的三網(wǎng)合一。

圖2 礦井千兆工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)圖

整個網(wǎng)絡系統(tǒng)分為三層，其基本情況如下:煤礦地面綜合調(diào)度控制中心建立以監(jiān)測與控制為主的管理以太網(wǎng)，有獨立的網(wǎng)關、防火墻，并可以向集團公司局域網(wǎng)(INTERNET)提供煤礦全礦安全、生產(chǎn)等信息，并支持授權的遠程訪問。

煤礦地面控制系統(tǒng)即井上部分，建立1000M 西門子工業(yè)以太網(wǎng)作為全礦主干網(wǎng)，主干網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)技術，通過西門子工業(yè)級交換機SCALANCE X－400為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口，包括洗煤廠、電廠和地面變電所等都可以通過工業(yè)以太網(wǎng)接口接入到工業(yè)以太網(wǎng)中。

井下控制子系統(tǒng)同樣以1000M 西門子環(huán)型冗余光纖工業(yè)以太網(wǎng)為主干網(wǎng)，實現(xiàn)井下安全生產(chǎn)過程控制自動化。

另外根據(jù)需要搭建基于西門子SCALANCEX－200 系列工業(yè)級百兆以太網(wǎng)交換機的井下百兆光纖子網(wǎng)和井上百兆光纖子網(wǎng)，分別負責井下輔助運輸系統(tǒng)、采煤工作自動化系統(tǒng)、洗煤廠監(jiān)控系統(tǒng)、地面消防系統(tǒng)等工作。井上、井下各子網(wǎng)分布設計，獨立運行，均采用冗余雙環(huán)網(wǎng)布局，每個100M子網(wǎng)絡分別通過兩臺OSM 光纖交換機與1000M 光纖主干網(wǎng)建立雙冗余通訊連接，完全避免了主干網(wǎng)絡中心節(jié)點癱瘓導致整個系統(tǒng)通訊中斷的風險，大大增強了網(wǎng)絡的故障容錯能力。

現(xiàn)場設備采用PROFIBUS 總線技術接入。PROFIBUS是當今世界上應用最廣泛的現(xiàn)場總線，其全球市場占有率達到50%以上，排名第一，總安裝節(jié)點數(shù)已超過1000 萬個，來自270 多個生產(chǎn)廠商的2100 多種設備支持PROFIBUS 總線，擁有極好的開放性和兼容性，且支持本質(zhì)安全和總線供電，在我國煤礦井下已經(jīng)有大量應用。

本網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)具有以下特點:

(1)快速冗余技術 網(wǎng)絡發(fā)生故障后的高速重構時間對工業(yè)應用是至關重要的，否則網(wǎng)絡上連接的終端設備會將通信連接清除，這可能引起工廠生產(chǎn)過程的失控或緊急停車。為了達到所要求的高速響應時間，SIMENS 工業(yè)網(wǎng)絡交換機(SCALANCE X－400)自帶冗余管理器(RM)，通過冗余管理器的邏輯斷點的自愈，保證重新配置網(wǎng)絡，建立通訊僅需短短的零點幾秒。

(2)冗余雙環(huán)網(wǎng)技術 使用SCALANCE X－ 400 構成1000Mbit/s的光纖冗余環(huán)網(wǎng)，其網(wǎng)絡重構時間嚴格小于300ms。采用交換機產(chǎn)品集成的Standby 熱備端口，增強了在多點故障出現(xiàn)時的系統(tǒng)容錯能力，大大增強了系統(tǒng)通訊的可靠性。

(3)千兆光纖傳輸技術1000Mbit/s 通訊速率滿足了日趨龐大以及三網(wǎng)合一(控制網(wǎng)、視頻網(wǎng)、音頻網(wǎng))的通訊需求。光纖工業(yè)以太網(wǎng)通過光纖來構建，具有極高的抗干擾能力，對電磁場不敏感。光纖通訊大大擴展了網(wǎng)絡的傳輸和通信距離，可以達到150km的范圍。

(4)模塊化交換機技術SCALANCE X－400 一改以往普通交換機端口數(shù)固定的缺點，提供模塊化的設計，用戶可以根據(jù)需要靈活地選擇所需要的交換機的端口數(shù)量，最多可提供26個端口。極大地方便了系統(tǒng)的擴容和重構，非常適合煤礦的實際需求?；灸０迮浜瞎饫w接口模塊，可提供2×1000Mbit/s ST 光纖接口+4×100Mbit/s SC/BFOC 光纖接口;使用擴展模板，可獲得額外8×100Mbit/s RJ45 接口;或者配合使用光纖接口模塊，可獲得額外8×100Mbit/s SC/BFOC 光纖接口。

(5)網(wǎng)絡管理及實時故障診斷技術SCALANCE X－400支持SNMP 協(xié)議，可實現(xiàn)遠程實時在線故障診斷，因此，用戶可實現(xiàn)對全廠網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控，當故障發(fā)生時，用戶可在第一時間實現(xiàn)故障的診斷和定位。

(6)冗余24V 供電、模塊可熱插拔。

圖3 冗余環(huán)網(wǎng)拓撲示意圖

5 軟件編程組態(tài)設計

上位機軟件統(tǒng)一使用西門子的組態(tài)軟件WinCC。WinCC 即WINDOWS_CONTROL_CENTER(視窗控制中心)是一個強大的全面開放的系統(tǒng)，最多可管理64k個外部標簽。在任何情況下WinCC 都可以生成漂亮而便捷的人機對話接口。其獨特的優(yōu)勢特別適合于自動化系統(tǒng)的編程組態(tài):

(1)與自動化系統(tǒng)的無縫集成:WinCC 與PLC 系統(tǒng)緊密結合，通過統(tǒng)一的組態(tài)和編程、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)一的通訊，極大地降低了用戶軟硬件組態(tài)的工程量，實現(xiàn)了整個產(chǎn)品范圍內(nèi)的高度集成。

(2)與自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)的集成:從現(xiàn)場總線PROFIBUS到工業(yè)以太網(wǎng)，再到PROFINET 技術和基于組件的自動化技術CBA，以及無線通訊解決方案，由于WinCC 內(nèi)置了基于S5/S7 協(xié)議的通訊系統(tǒng)，并提供了大量面向這些系統(tǒng)和技術的組件，從而為WinCC和這些系統(tǒng)的最優(yōu)化通訊和良好的互操作性提供了保證。

(3)與MES 系統(tǒng)的集成:MES 作為連接企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的橋梁，包含了生產(chǎn)訂單管理、原材料管理、生產(chǎn)運營記錄、設備管理、生產(chǎn)規(guī)范管理系統(tǒng)等，通過適配系統(tǒng)，WinCC 可以輕松地集成在該系統(tǒng)下。換言之，實施了基于WinCC的HMI/SCADA 系統(tǒng)，就為實施MES 系統(tǒng)打下了堅實的基礎。

本系統(tǒng)使用西門子的SIMATIC WinCC 作為其SCADA服務器，配置兩臺WinCC 服務器，兩臺服務器進行冗余配置，當一臺主WinCC 服務器出現(xiàn)故障后，備用服務器可以立即接管對過程數(shù)據(jù)的采集，主服務器恢復正常后，備用服務還可填充主服務器被丟失的數(shù)據(jù)。

6 結束語

本系統(tǒng)的設計充分考慮了礦井行業(yè)生產(chǎn)管理特點，應用西門子公司先進的全集成(TIA)自動化技術，實現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，統(tǒng)一的網(wǎng)絡通訊平臺，統(tǒng)一的圖形化界面;充分利用千兆工業(yè)以太網(wǎng)資源，將企業(yè)管理、生產(chǎn)、安全涉及到的數(shù)據(jù)、語音、圖像三種基本信息同網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)“三網(wǎng)合一”;用一個系統(tǒng)完成原來由多種系統(tǒng)搭配完成的功能，代表和引領了數(shù)字化礦山的發(fā)展方向。本設計方案的第一個成功實施案例是山西潞安集團的漳村煤礦，此獲得煤炭行業(yè)的高度認可和贊同，此后迅速推廣到全國各大煤炭企業(yè)，取得了極好的社會經(jīng)濟效益。