中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 衛(wèi)文慧

基于礦井綜合自動(dòng)化信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 衛(wèi)文慧

針對(duì)煤礦礦井生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)的綜合自動(dòng)化信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將煤礦井上、井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工況信息進(jìn)行有效集成、實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀態(tài)，達(dá)到“及時(shí)管控、及時(shí)調(diào)度、及時(shí)指揮、及時(shí)決策”的目標(biāo)。

綜合自動(dòng)化信息化系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線；工業(yè)以太網(wǎng)；接入方式

1 系統(tǒng)概述

礦井綜合自動(dòng)化信息化系統(tǒng)[1]是在安全監(jiān)控、生產(chǎn)過(guò)程控制等各環(huán)節(jié),利用工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、監(jiān)視、控制、聯(lián)動(dòng)和信息的綜合分析,達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程中的無(wú)人化或少人化,以提高礦井的生產(chǎn)效率和安全系數(shù)。它將自動(dòng)控制技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代化管理技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行、控制和管理。

根據(jù)某煤礦的地理環(huán)境、氣候條件、人為、經(jīng)濟(jì)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)固有原則(安全性、成熟性、規(guī)范化、擴(kuò)展化和可管理性原則)等因素,本文研究設(shè)計(jì)了一套符合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求的綜合自動(dòng)化信息化系統(tǒng)。系統(tǒng)建成后,可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井各生產(chǎn)部門(mén)每一個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化控制,打破傳統(tǒng)煤礦“只監(jiān)視不控制”的概念,將礦井的各監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及系統(tǒng)組成傳感器、監(jiān)控分站、通信系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、工作面狀態(tài)系統(tǒng)、交換機(jī)等各系統(tǒng)接入,集成到上位機(jī)的軟件平臺(tái)進(jìn)行處理,并通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、超限報(bào)警提示等信息,并實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)程監(jiān)控和控制處理。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、各生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、全局概要顯示、報(bào)警設(shè)備狀態(tài)顯示、在線組態(tài)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)綜合分析、能夠?qū)Ω髯酉到y(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析與處理,各子系統(tǒng)以通用的接口和協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,定期提示影響煤礦生產(chǎn)的因素和時(shí)間,為監(jiān)控人員提供參考依據(jù),通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制功能模塊實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息共享及聯(lián)動(dòng),從而使各個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)緊密的聯(lián)系在一起。分析礦井生產(chǎn)過(guò)程中能耗與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)信息,指導(dǎo)管理人員對(duì)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化控制,節(jié)約能耗,提高產(chǎn)量,并建立數(shù)據(jù)庫(kù),方便查詢。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖,整個(gè)系統(tǒng)分為硬、軟件兩個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

硬件體系結(jié)構(gòu)分為管理層、控制層和設(shè)備層三層結(jié)構(gòu),各層結(jié)構(gòu)分別集成到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸管理監(jiān)控平臺(tái)。管理層由環(huán)網(wǎng)構(gòu)成,管理人員在軟件集中平臺(tái)查看各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息,并將信息公布,方便全礦的信息化管理,管理層主要設(shè)備包括服務(wù)器、信息層、核心交換機(jī)等。

控制層在工業(yè)以太網(wǎng)上接入的工作站上,通過(guò)軟件集中平臺(tái)向設(shè)備層發(fā)送指令,并實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)設(shè)備的集中控制,或?qū)λ性O(shè)備和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)?？刂茖釉O(shè)備主要由操作站、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成。

設(shè)備層控制礦井各子系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)控各子系統(tǒng)的狀態(tài),并保證各子系統(tǒng)的可靠性,設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線的接入,易于與信息層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,具有良好的擴(kuò)展性,實(shí)現(xiàn)管控一體化,設(shè)備層是具體的執(zhí)行者。

2.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

軟件體系結(jié)構(gòu)包含集成平臺(tái)軟件、組態(tài)軟件、信息交流軟件和組網(wǎng)軟件等,能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行集成控制、實(shí)時(shí)監(jiān)視和信息共享,自動(dòng)化軟件由定制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)信息集成處理,以確保對(duì)PLC類(lèi)系統(tǒng)和非PLC類(lèi)系統(tǒng)的全面支持。利用交換機(jī)傳送的數(shù)據(jù),將各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息集中處理,為管理人員提供依據(jù),并提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)支持,形成環(huán)網(wǎng)綜合分析處理決策系統(tǒng),將所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息集中在上位機(jī)顯示。圖2為軟件體系結(jié)構(gòu)。

圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)

3 數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于各個(gè)子系統(tǒng)所用設(shè)備和通信技術(shù)不同,為達(dá)到全系統(tǒng)自動(dòng)控制、信息交互,需選擇一個(gè)開(kāi)放的通信平臺(tái),將各個(gè)子系統(tǒng)的通信統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)的通信平臺(tái)上。本方案選擇工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP技術(shù)作為整個(gè)系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)[2],其他總線結(jié)構(gòu)方式均通過(guò)總線端口轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)信息包,以滿足系統(tǒng)良好的兼容性和擴(kuò)展性。

為保證工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸不發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象和考慮冗余問(wèn)題,本文選擇建設(shè)1000Mbit/s以太網(wǎng)作為傳輸平臺(tái)。另外,為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性[3],各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式通信,各個(gè)子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)絇LC或其控制站,然后通過(guò)以太網(wǎng)接口上傳到工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。因此,整個(gè)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線方式進(jìn)行通信。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)要求

(1)地面主干網(wǎng)速率:1000Mbps;

(2)井下主干網(wǎng)速率:1000Mbps;

(3)環(huán)網(wǎng)重構(gòu)時(shí)間:〉50ms;

(4)支持基于WEB的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng);

(5)支持全雙工,半雙工運(yùn)轉(zhuǎn);

(6)整個(gè)系統(tǒng)控制網(wǎng)采用工業(yè)級(jí)設(shè)備;

(7)系統(tǒng)支持光纖冗余環(huán)網(wǎng)工作模式,節(jié)點(diǎn)故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,自恢復(fù)時(shí)間短;

(8)多主井并發(fā)模式,支持組態(tài)軟件,組建監(jiān)控軟件平臺(tái)。

3.2 環(huán)網(wǎng)冗余方式

采用單節(jié)點(diǎn)環(huán)網(wǎng)冗余方式,允許出現(xiàn)一處光線斷點(diǎn),設(shè)計(jì)在井下和地面各組建一個(gè)環(huán)網(wǎng),核心交換機(jī)采用雙冗余方式。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)式在指揮調(diào)度臺(tái)設(shè)置交換機(jī),交換機(jī)采用環(huán)網(wǎng)光纖數(shù)據(jù)通訊技術(shù),形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。環(huán)網(wǎng)覆蓋范圍如下:

(1)機(jī)房核心交換機(jī):在調(diào)度中心機(jī)房配置2臺(tái)三層核心交換機(jī);

(2)地面環(huán)網(wǎng):在110KV變電站,通風(fēng)機(jī)房,主、副井提升機(jī)房等7個(gè)節(jié)點(diǎn),設(shè)7臺(tái)1000M三層環(huán)網(wǎng)交換機(jī),組成地面環(huán)網(wǎng),并配置1臺(tái)擴(kuò)展設(shè)備;

(3)井下環(huán)網(wǎng):在上倉(cāng)膠帶機(jī)頭,各采區(qū)變電所,井下中央變電站等6個(gè)節(jié)點(diǎn),設(shè)6臺(tái)1000M三層環(huán)網(wǎng)交換機(jī),組成井下環(huán)網(wǎng),并配置1臺(tái)擴(kuò)展設(shè)備。

4 子系統(tǒng)接入設(shè)計(jì)

礦井綜合自動(dòng)化信息化系統(tǒng)的建設(shè)[4],要保證系統(tǒng)硬軟件平臺(tái)與各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行可靠、實(shí)時(shí)和高效的信息交互,就必須滿足兩個(gè)基本條件:(1)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)設(shè)備與軟件處理平臺(tái)之間形成有效的數(shù)據(jù)連接,并對(duì)需要采集的數(shù)據(jù)信息、設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行定義;(2)提供有效的交流平臺(tái),方便數(shù)據(jù)的互訪模式。

4.1 硬件接入方式

根據(jù)各系統(tǒng)的特點(diǎn),考慮礦井設(shè)備位置的分布和接入技術(shù)的特點(diǎn),可考慮以下四種接入方式。

(1)上位機(jī)接入方式:實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與交換機(jī)進(jìn)行物理上的網(wǎng)絡(luò)連接,上位機(jī)獲取信息,多采用此接入方式。

(2)PLC接入方式:支持OPC標(biāo)準(zhǔn),使硬、軟件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個(gè)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn),分布式I/O連接,通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的鏈接。

(3)嵌入式控制器接入方式:通過(guò)網(wǎng)口與交換機(jī)之間連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)的互訪。

(4)擴(kuò)展接入方式:支持RS485通訊方式、現(xiàn)場(chǎng)總線,通過(guò)轉(zhuǎn)換器,擴(kuò)展接口與交換機(jī)進(jìn)行通訊,進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。

4.2 軟件接入方式

采用以下四種通訊方式:

(1)DDE:動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換通訊形式,它使用共享的內(nèi)存在應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,它能夠及時(shí)更新數(shù)據(jù),在兩個(gè)應(yīng)用程序之間自動(dòng)更新信息,無(wú)須用戶參與,服務(wù)器應(yīng)用程序根據(jù)該信息作出應(yīng)答,從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)程序之間的數(shù)據(jù)交換。

(2)FTP:客戶端與數(shù)據(jù)端之間使用單獨(dú)的數(shù)據(jù)交換機(jī)制。

(3)OPC∶基于腳本編程語(yǔ)言而定義的標(biāo)準(zhǔn)接口。

(4)IE連接:通過(guò)IE瀏覽器與網(wǎng)站的服務(wù)器建立的地址鏈接。

5 總結(jié)

率、降低故障災(zāi)害有著重要的作用,通過(guò)各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)和資源共享,實(shí)現(xiàn)了礦井各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集共享,對(duì)礦井設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理,達(dá)到了管控一體化的礦井生產(chǎn)要求。

［1］梁敬敬,丁繼存,于秀磊.基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械,2012(03):242-244.

［2］張杰,于含.煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的解決方案的研究［J］.煤礦機(jī)械,2012 (10):254-255.

［3］錢(qián)建生,馬姍姍,孫彥景.基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(02):73-76.

［4］羅驅(qū)波,孫彥景,錢(qián)建生.煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保,2008,35(03):4-6.

實(shí)踐證明,綜合自動(dòng)化信息化系統(tǒng)對(duì)提高生產(chǎn)效

衛(wèi)文慧（1983—），男，安徽無(wú)為人，工程師，主要從事礦用安全儀器儀表、監(jiān)控系統(tǒng)、有線/無(wú)線通信、救生艙的研究和檢驗(yàn)工作。