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        數(shù)字化礦山平臺規(guī)劃的分析

        2014-04-20 01:40:30
        中國煤炭 2014年7期
        關(guān)鍵詞:環(huán)網(wǎng)構(gòu)架數(shù)據(jù)中心

        田 心

        (中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司,北京市西城區(qū),100120)

        隨著我國煤礦自動化程度的逐漸提高,實現(xiàn)礦井的數(shù)字化生產(chǎn)與管理是確保煤礦安全生產(chǎn)、減員增效和綠色節(jié)能的重要舉措。由于目前我國煤礦數(shù)字化程度和所要完成的功能不同,自動化平臺構(gòu)架也不盡相同,提出一個相對完整又具有一定先進(jìn)性的平臺構(gòu)架作為實現(xiàn)數(shù)字化礦井的建設(shè)核心很有必要。本文以陜煤集團(tuán)小保當(dāng)煤礦礦井?dāng)?shù)字化規(guī)劃為例,重點介紹了 “4層+2個支撐系統(tǒng)”的數(shù)字化礦山平臺邏輯構(gòu)架體系、拓?fù)涮攸c及應(yīng)用情況。

        1 自動化平臺現(xiàn)狀及發(fā)展

        目前我國礦井單一自動化系統(tǒng)已經(jīng)基本實現(xiàn),絕大多數(shù)單系統(tǒng)例如主排水和主運輸?shù)榷家褜崿F(xiàn)了自動化控制與管理。但到目前為止,雖然高速網(wǎng)絡(luò)及軟件技術(shù)得到了飛速發(fā)展,但數(shù)字化礦山建設(shè)在絕大多數(shù)礦井仍然處于淺層次的綜合自動化水平,主要實現(xiàn)了地面的遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控。只有在單系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)上,通過高速網(wǎng)絡(luò)接入各單系統(tǒng)使數(shù)據(jù)得到充分的融合,建立合理的聯(lián)動機制才能完成從單系統(tǒng)自動化到綜合自動化的轉(zhuǎn)變。

        但是從綜合自動化向數(shù)字礦山發(fā)展,涉及到空間數(shù)字化及管理信息化兩方面的有機融合,再通過三維可視化平臺進(jìn)行展示,同時通過科學(xué)合理的管理制度和流程加以應(yīng)用,在合適的環(huán)節(jié)建立有效的決策分析系統(tǒng),才能夠為領(lǐng)導(dǎo)層提供生產(chǎn)經(jīng)營管理的決策依據(jù),自動化平臺發(fā)展見圖1。

        圖1 自動化平臺發(fā)展

        2 數(shù)字化平臺規(guī)劃

        目前我國煤炭行業(yè)自動化平臺構(gòu)架沒有一個相對固定的格式,國內(nèi)各個礦井根據(jù)規(guī)模的不同,其平臺構(gòu)架方式和使用功能也都不盡相同。通過對近

        年來一些礦井的自動化平臺進(jìn)行比較后,對陜煤集團(tuán)小保當(dāng)煤礦礦井?dāng)?shù)字化自動化平臺進(jìn)行規(guī)劃。

        2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

        礦井自動化平臺系統(tǒng)整體構(gòu)架可分為 “4個層次+2個支撐系統(tǒng)”,4 個層次分別代表設(shè)備執(zhí)行層、數(shù)據(jù)傳輸層、運營管控層和經(jīng)營管理層;2個支撐系統(tǒng)代表云計算數(shù)據(jù)中心、二維及三維可視化展示,平臺規(guī)劃構(gòu)架圖見圖2。

        圖2 平臺規(guī)劃構(gòu)架圖

        2.1.1 設(shè)備執(zhí)行層

        設(shè)備執(zhí)行層是自動化平臺構(gòu)架的基礎(chǔ),既是數(shù)據(jù)的采集者,也是決策信息的執(zhí)行者,包括以下3個層次的內(nèi)容:

        (1)安全生產(chǎn)井上和井下動態(tài)實時在線信息的采集。這里主要包括生產(chǎn)環(huán)境在線檢測系統(tǒng) (如水、火、瓦斯、頂板和人員定位等)、綜合自動化系統(tǒng) (如綜采工作面控制系統(tǒng)主帶式輸送機集控系統(tǒng)等)、其它生產(chǎn)指揮信息采集系統(tǒng) (井下工業(yè)電視系統(tǒng)等)。

        (2)生產(chǎn)技術(shù)和運營管理數(shù)據(jù)的采集。這里主要包括鉆孔、地震、機電設(shè)備和通風(fēng)阻力測定成果等非實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及財務(wù)管理、運銷管理和人力資源管理等運營管理的數(shù)據(jù)。

        (3)執(zhí)行控制層或管理決策層信息。通過管理決策層的分析和處理,其結(jié)果通過控制層和傳輸層達(dá)到執(zhí)行層,完成對設(shè)備的控制、礦體的空間形態(tài)和屬性的動態(tài)修正。

        2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

        數(shù)據(jù)傳輸層采用以太網(wǎng)技術(shù),由工業(yè)環(huán)網(wǎng)與信息網(wǎng)組成,采用網(wǎng)閘加防火墻技術(shù)進(jìn)行安全隔離。其中工業(yè)環(huán)網(wǎng)包括安全、控制和視頻等獨立的環(huán)節(jié),整個礦井采用有線和無線結(jié)合的方式實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

        2.1.3 運營管控層

        運營管控層通過對綜采工作面、主煤流運輸、輔助運輸、供配電、安全保障、生產(chǎn)輔控和調(diào)度通信等環(huán)節(jié)協(xié)同控制,完成生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備及人員等管理,并提供礦井安全的通風(fēng)、防瓦斯、防火災(zāi)、防水害、防頂板災(zāi)害以及防游離煤塵等決策。運營管控層主要包括以下8個部分:

        (1)綜采工作面分控中心。實現(xiàn)對工作面采煤機、三機、支架電液控、泵站和采面供電設(shè)備等的自動化控制。

        (2)主煤流運輸分控中心。實現(xiàn)對主運輸系統(tǒng)的控制,包括采面膠帶工作面、盤區(qū)大巷膠帶、主斜井膠帶等一系列原煤生產(chǎn)流程相關(guān)的子系統(tǒng)集中遠(yuǎn)程控制。

        (3)供配電系統(tǒng)分控中心。實現(xiàn)對地面及井下各變電所集中遠(yuǎn)程控制。

        (4)安全保障分控中心。實現(xiàn)對人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下光纖測溫系統(tǒng)、頂板壓力安全監(jiān)測系統(tǒng)、礦燈房信息管理系統(tǒng)等與通風(fēng)管理相關(guān)的系統(tǒng)集中控制和監(jiān)測。

        (5)生產(chǎn)輔助分控中心。實現(xiàn)對主通風(fēng)系統(tǒng)、主排水系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、計量稱重系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng)、機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、機房門禁系統(tǒng)以及工業(yè)電視系統(tǒng)等各類輔助監(jiān)測系統(tǒng)的集中監(jiān)測和控制。

        (6)輔助運輸分控中心。實現(xiàn)對地面及井下各類輔助運輸車輛管理監(jiān)測與控制。

        (7)調(diào)度中心。實現(xiàn)對地面及井下通信調(diào)度系統(tǒng)及動目標(biāo)運維系統(tǒng)的綜合管理及監(jiān)控。

        (8)決策中心系統(tǒng)。基于在線檢測系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、知識庫和模型庫等,建立水、火、瓦斯和頂板重大危險源預(yù)測預(yù)警系統(tǒng),應(yīng)用GIS 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對重大危險源進(jìn)行檢測、識別及預(yù)測預(yù)警,將煤礦井下各類危險源數(shù)據(jù)集成于同一平臺,基于WebGIS統(tǒng)一展示,實現(xiàn)重大危險的早期預(yù)測預(yù)警,以提高煤礦重大危險源預(yù)警能力,降低重大危險源事故發(fā)生率。

        2.1.4 經(jīng)營管理層

        (1)運營管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)平臺和數(shù)據(jù)倉庫,實現(xiàn)對人力資源、財務(wù)、物資、設(shè)備、生產(chǎn)計劃、成本管理、安全管理、運銷管理和協(xié)作平臺等數(shù)字化管理。

        (2)生產(chǎn)技術(shù)綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)對“采、掘、機、運、通”整個生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程中地質(zhì)、測量、水文、儲量、“一通三防”、采礦輔助設(shè)計、機電設(shè)計、設(shè)備選型等的完全信息化和網(wǎng)絡(luò)化管理。該系統(tǒng)包括安全生產(chǎn)信息調(diào)度報表系統(tǒng)、機電設(shè)備管理系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、地測管理信息系統(tǒng)以及任務(wù)閉環(huán)管理系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)。

        2.1.5 云計算數(shù)據(jù)中心

        建立運營管控云計算數(shù)據(jù)中心和經(jīng)營管理云計算數(shù)據(jù)中心,云計算數(shù)據(jù)中心包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和災(zāi)備處理等,該中心主要針對于構(gòu)架中運營管控層和經(jīng)營管理層兩個區(qū)域。管控層和管理層各建立一個虛擬化云計算數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心采用存儲不同建筑物異地容災(zāi)備份,兩個數(shù)據(jù)中心采用網(wǎng)閘+防火墻的方式進(jìn)行隔離。

        2.1.6 二維及三維可視化展示

        基于三維GIS或三維可視化系統(tǒng)或虛擬礦井平臺,利用實測數(shù)據(jù)構(gòu)建井上和井下的虛擬環(huán)境,并能夠通過與其它系統(tǒng)的接口 (如瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)等),顯示監(jiān)測和供電等實時數(shù)據(jù),瀏覽和查詢井下設(shè)備的各種參數(shù)和實時狀態(tài)信息,實現(xiàn)數(shù)字礦山主要管控過程的可視化展示、分析和操作。

        2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        礦井綜合自動化系統(tǒng)所需覆蓋的范圍廣、規(guī)模大、控制距離長、涉及工藝多和信息量大,點對點的控制無法實現(xiàn)現(xiàn)場的實際要求,為了最大限度地保證系統(tǒng)的可靠性和實時性,就必須采用多級異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。根據(jù)自動化各組成部分的不同需求,礦井工業(yè)場地和風(fēng)井工業(yè)場地各設(shè)置獨立的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),目前主流的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下3種:

        (1)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。這種方案是將全礦井的控制系統(tǒng)都通過控制網(wǎng)總線連接,結(jié)構(gòu)簡單,通過網(wǎng)關(guān)連接至自動化環(huán)網(wǎng)。

        (2)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。這種方案是目前主流技術(shù),各交換節(jié)點通過EtherNet連接,提供高速數(shù)據(jù)交換,具有很高的可靠性。

        (3)GEPON 網(wǎng)絡(luò)。GEPON 是一種無源光纖傳輸網(wǎng)絡(luò),可在一根光纖中同時雙向傳輸各種信息,井下設(shè)備簡單,分光器無源;系統(tǒng)帶寬利用率高,適合相對占用帶寬的視頻傳輸。

        圖3 系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        在上述3種網(wǎng)絡(luò)中,現(xiàn)場總線網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于絕大部分自動化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架,標(biāo)準(zhǔn)開放且支持的廠家多。GEPON 可提供全套設(shè)備的廠家較少,且受最遠(yuǎn)交換節(jié)點距離限制。工業(yè)環(huán)網(wǎng)平臺根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用不同,分別設(shè)置控制通信環(huán)網(wǎng)、視頻環(huán)網(wǎng)和安全環(huán)網(wǎng),在井上和井下分別設(shè)置獨立的冗余環(huán)。井下自動化線纜在敷設(shè)中可事先埋入,系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

        2.3 平臺軟件系統(tǒng)

        2.3.1 平臺軟件的特點及選型

        煤炭行業(yè)有著其特殊性,與其他制造業(yè)不同,在信息集成和控制方面,不僅僅是生產(chǎn)過程,還要協(xié)調(diào)生產(chǎn)和組織安全。目前主要數(shù)字化礦山建設(shè)基礎(chǔ)軟件平臺一般有3種技術(shù)。

        (1)各類組態(tài)+定制。采用組態(tài)SCADA 采集支持的通訊協(xié)議豐富,對底層設(shè)備接入的實時性和兼容性較好;除了遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控外,如進(jìn)行一些優(yōu)化功能應(yīng)用,需從底層進(jìn)行二次開發(fā),沒有專門的建模工具,開發(fā)難度大,一致性和可復(fù)制性差。

        (2)PSI mining。基于SUN 公司的Solaris操作系統(tǒng)是一套SCADA 系統(tǒng),不是一套自動化系統(tǒng)平臺,適合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和展現(xiàn)。該系統(tǒng)開發(fā)了一些針對煤礦的應(yīng)用功能,但易用性 (客戶體驗)、實用性和可靠性需要進(jìn)一步考量。

        (3)ABB 800XA。先進(jìn)的協(xié)同過程自動化系統(tǒng),其基于協(xié)同過程自動化 (CPAS)的思路:人員、系統(tǒng)、設(shè)備的協(xié)同;Aspect Object技術(shù),易于集成,提高集成效率、規(guī)模及集成度;Video 集成;電氣集成;信息管理及數(shù)據(jù)決策分析;電力和自動化集成;支持通訊協(xié)議豐富。

        2.3.2 平臺軟件系統(tǒng)內(nèi)容

        數(shù)字化礦山平臺軟件支撐主要包括安全生產(chǎn)運營管控基礎(chǔ)平臺、煤礦企業(yè)經(jīng)營管理基礎(chǔ)平臺、三維可視化平臺三大部分。

        3 平臺構(gòu)架特點

        綜上所述,平臺構(gòu)架有以下幾個特點:

        (1)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心、統(tǒng)一的二維和三維展示。根據(jù)礦井管理分工的不同,整個應(yīng)用平臺根據(jù)運營和經(jīng)營,分為偏向于控制的運營管控平臺和偏向于管理的經(jīng)營管理平臺,符合煤礦的管理特點。

        (2)管控平臺根據(jù)應(yīng)用對象的不同,以實際生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)為紐帶,劃分成三大中心和八大環(huán)節(jié),平臺兼顧集中與分布控制特點,改變了原有煤礦自動化常規(guī)子系統(tǒng)的設(shè)計及劃分方法。

        (3)采用控制和管理分開的兩個云計算數(shù)據(jù)中心設(shè)計,包括存儲移動災(zāi)備設(shè)計,所有的應(yīng)用部署于私有云中,保障整個信息化應(yīng)用平臺的穩(wěn)定和彈性擴(kuò)展。

        (4)工業(yè)環(huán)網(wǎng)按業(yè)務(wù)應(yīng)用采用多環(huán)設(shè)計,包括控制、視頻和安全等完全硬件獨立的環(huán)網(wǎng),并且配置了環(huán)網(wǎng)交換機光纖斷電續(xù)接功能,保障光網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性。

        4 結(jié)語

        上述平臺構(gòu)架已應(yīng)用于煤炭工業(yè)建設(shè) “十二五”示范礦井——陜煤集團(tuán)小保當(dāng)煤礦數(shù)字化礦山的規(guī)劃方案,目前煤礦數(shù)字化平臺還有許多問題有待解決,隨著信息化的不斷發(fā)展,一些更新的技術(shù)會融入其中,這需要一個不斷完善提高、不斷深化發(fā)展的過程,最終達(dá)到安全運行、高效生產(chǎn)、科學(xué)管理和減人提效的目的。

        [1] 馮強,劉相軍等.陜煤小保當(dāng)數(shù)字化礦山規(guī)劃[R].榆林:小保當(dāng)數(shù)字化礦山規(guī)劃組,2013

        [2] 臧朝偉等 .自動化信息系統(tǒng)在平煤十三礦的應(yīng)用[J].中國煤炭,2012 (1)

        [3] 譚得健.我國煤礦自動化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].工礦自動化,2010 (9)

        [4] 孫繼平.礦井通信技術(shù)與系統(tǒng) [J] .煤炭科學(xué)技術(shù),2010 (12)

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