中煤科工集團重慶研究院有限公司 衛(wèi)文慧

礦井綜合自動化的研究

中煤科工集團重慶研究院有限公司 衛(wèi)文慧

針對國內(nèi)煤礦礦井生產(chǎn)和管理過程的現(xiàn)有特點，闡述礦井綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),詳細介紹各子系統(tǒng)接入綜合自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，在地面調(diào)度監(jiān)控中心對各子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)進行分析，達到管控和統(tǒng)一調(diào)度。

綜合自動化；管控；環(huán)網(wǎng)冗余；統(tǒng)一調(diào)度

1 系統(tǒng)概述

礦井綜合自動化系統(tǒng)是集礦井監(jiān)測、報警、生產(chǎn)操作一體化的系統(tǒng)。系統(tǒng)由應用層、網(wǎng)絡層、現(xiàn)場設備層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。應用層采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺和登錄界面,用戶可以進行各子系統(tǒng)間的互訪,網(wǎng)絡層主干網(wǎng)絡采用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),保證網(wǎng)絡通訊的高帶寬和可靠性,能接入工業(yè)控制、視頻、音頻、通訊等各種系統(tǒng),現(xiàn)場采用百兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和多種現(xiàn)場工業(yè)總線,確保用戶可兼容接入各種監(jiān)控系統(tǒng)和設備,現(xiàn)場設備層由各種監(jiān)控分站、無線通訊設備、裝置和各類傳感器等組成。

系統(tǒng)［1］建成后,實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)顯示、礦井生產(chǎn)設備狀態(tài)的實時顯示、電參數(shù)信息的實時顯示、開關(guān)量和模擬量的實時顯示、控制模式的信息顯示、系統(tǒng)故障的報警顯示查詢和各生產(chǎn)設備的報警信息顯示,將地面信息管理系統(tǒng)、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動控制子系統(tǒng)、礦井環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)及通信指揮調(diào)度子系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)和平臺軟件整合、實現(xiàn)全礦井的管控一體化。利用信息平臺建立指揮決策系統(tǒng),以提高礦井防災救災的響應速度,降低人員的傷害及財產(chǎn)損失。

本系統(tǒng)設計的基本功能：在任何一臺工作站上實現(xiàn)對井上、井下任何一臺設備的控制,協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的運行,當子系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,不影響整個網(wǎng)絡的傳輸,具有數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、報表打印、歷史曲線顯示、故障報警、數(shù)據(jù)系統(tǒng)分級管理、報警實時記錄、完整的事件記錄等功能,實現(xiàn)各子系統(tǒng)間聯(lián)控功能,具有強大的圖形組態(tài)功能、可組屏分屏顯示各子系統(tǒng)的實時動態(tài)圖形。

2 軟件平臺

軟件平臺由地面調(diào)度監(jiān)控中心、監(jiān)控分站、通信設備、傳感器等組成,礦井工業(yè)控制環(huán)網(wǎng)將接入的各子系統(tǒng)信息通過標準的數(shù)據(jù)交換方式與調(diào)度監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)存取,并將各子系統(tǒng)的信息進行綜合處理。以全礦井上、下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為信息傳輸網(wǎng)絡,本系統(tǒng)不僅僅是對所接入系統(tǒng)的信息綜合,把數(shù)據(jù)分類、共享,建立有效的管理系統(tǒng),為領導決策提供依據(jù),系統(tǒng)負責將實時、歷史數(shù)據(jù)信息進行分析綜合,然后對各系統(tǒng)進行規(guī)律總結(jié),并將信息在有效時間內(nèi)提供給系統(tǒng)中的相關(guān)用戶,為用戶進行設備檢修和采取必要措施提供決策依據(jù),要求網(wǎng)絡功能完全滿足需求,具有良好的可靠性、兼容性。軟件體系建立在組態(tài)軟件的基礎上,實現(xiàn)了對各礦子系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理,實現(xiàn)控制的權(quán)限管理、數(shù)據(jù)的分析與故障與報警顯示。軟件體系是集數(shù)據(jù)通信、處理、采集、協(xié)調(diào)、圖表顯示等為一體,能在各種情況下準確、可靠地做出反應,及時處理,協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)工作,達到實時監(jiān)測監(jiān)控的目的。具有“集中管理,分類控制,全面監(jiān)控”的特點。

3 數(shù)據(jù)傳輸平臺

因各子系統(tǒng)所用設備和通信技術(shù)不同,為達到系統(tǒng)的自動有效控制,將各個子系統(tǒng)的通信統(tǒng)一到標準的通信平臺上,為保證工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸不發(fā)生網(wǎng)絡堵塞現(xiàn)象和考慮冗余問題,礦井綜合自動化系統(tǒng)［2］采用現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)方式進行通信。

對井下現(xiàn)場總線有如下要求：

(1)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)：井下網(wǎng)絡以二級較為合適,即一級高速主干網(wǎng)下接一級低速現(xiàn)場總線,主干網(wǎng)采用光纖作為媒體,能同時傳輸多媒體信息,網(wǎng)絡拓撲以總線型為宜;

(2)傳輸距離：根據(jù)礦井巷道要求,主干網(wǎng)傳輸距離大于10km,設備級傳輸距離達(1-2)km;

(3)響應時間：對于安全監(jiān)控,響應時間在1秒以下,對于生產(chǎn)監(jiān)控應在數(shù)十毫秒數(shù)量級;

(4)本安特性和供電,抗干擾能力和對惡劣環(huán)境的適應能力,硬軟件支持。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸平臺要求

(1)使用環(huán)境條件：溫度：0℃～40℃,濕度：不大于95%(+25℃);

(2)地面主干網(wǎng)速率：1000Mbps; (3)傳輸介質(zhì)：單模光纖;

(4)支持全雙工/半雙工運轉(zhuǎn)環(huán);

(5)支持WEB的網(wǎng)絡管理系統(tǒng),支持SNMP協(xié)議;

(6)支持單冗余鏈路,網(wǎng)絡重構(gòu)時間：＞50ms;

(7)整個系統(tǒng)控制網(wǎng)采用工業(yè)級設備;

(8)專用的網(wǎng)關(guān)軟件對交換機進行管理和控制;

(9)交換機配置不少于6個千兆光接口。

3.2 環(huán)網(wǎng)冗余方式

采用光纖環(huán)網(wǎng)冗余方式,設計在井下和地面各組建一個環(huán)網(wǎng),兼顧到傳輸信道、管控服務器、調(diào)度主機、供電電源的冗余,核心交換機采用雙冗余方式。在整個網(wǎng)絡中,當其中一段工作中的光纖線路被破壞或網(wǎng)絡設備發(fā)生故障時,整個網(wǎng)絡能夠快速自愈,恢復正常的通信。

3.3 網(wǎng)絡安全

(1)VLAN劃分：利用交換機的三層交換功能,采用基于端口的VLAN劃分,把辦公網(wǎng)絡和自動化監(jiān)控網(wǎng)絡通過合理VLAN劃分進行邏輯隔離,并給予它們各自不同的授權(quán)權(quán)限;

(2)區(qū)域防護-入侵防御系統(tǒng),網(wǎng)絡防病毒;

(3)邊界防護-防火墻：在外網(wǎng)Internet入口處部署一臺千兆防火墻,分別連接Internet及核心交換機,在防火墻的DMZ區(qū)部署Web、Mail、DB等服務器;

(4)采用UPS不間斷電源來保證網(wǎng)絡節(jié)點設備的供電安全性;

(5)邊界防護-互聯(lián)網(wǎng)安全審計：按照旁路監(jiān)聽方式在互聯(lián)網(wǎng)出口處部署1套用于對上網(wǎng)用戶進行系統(tǒng)管理和審計的互聯(lián)網(wǎng)安全審計系統(tǒng);

(6)構(gòu)建內(nèi)外網(wǎng)之間的安全地帶,即DMZ區(qū),來放置一些公共服務器。

3.4 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

在地面調(diào)度監(jiān)控中心布置兩臺支持三層動態(tài)路由功能的核心交換機。整個環(huán)網(wǎng)平臺通過核心交換機的環(huán)間耦合技術(shù)、雙鏈路冗余連接互為備份的整體。圖1為系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

4 子系統(tǒng)集成設計

各子系統(tǒng)進入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場總線并集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸平臺［3］,其集成接入的方式將根據(jù)各子系統(tǒng)的具體情況,通常采取以下三種方式在物理上進行連接,并且需要原廠家提供以太網(wǎng)接口和軟件通訊協(xié)議：

(1)對于在地面己具有上位機的子系統(tǒng),采用以太網(wǎng)通訊模式就近直接接入環(huán)網(wǎng)平臺;

(2)對于通訊為RS485、RS232、CAN等總線協(xié)議的子系統(tǒng),采用增加網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換器就近接入環(huán)網(wǎng)平臺;

(3)己具有以太網(wǎng)通訊模式的子系統(tǒng)設備,以其上位機就近直接接入環(huán)網(wǎng)平臺。

在各子系統(tǒng)與綜合自動化的千兆以太網(wǎng)進行物理上硬件網(wǎng)絡聯(lián)接以后,下一步通過軟件進行數(shù)據(jù)通訊將各子系統(tǒng)接入綜合自動化系統(tǒng),其接入方式如表1。

表1 系統(tǒng)各子系統(tǒng)接入方式

5 總結(jié)

實踐證明,礦井綜合自動化系統(tǒng)可以全面實現(xiàn)礦井各生產(chǎn)過程自動化,并在地面調(diào)度監(jiān)控中心對各環(huán)節(jié)進行監(jiān)測監(jiān)控,達到提高效率的目的,實現(xiàn)礦井安全、生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的集成,實現(xiàn)生產(chǎn)、管理數(shù)據(jù)共享,實現(xiàn)煤炭企業(yè)“管控一體化”,并為煤礦井下設備的維護保養(yǎng)提供技術(shù)手段,能夠及時的發(fā)現(xiàn)故障、排除故障。

[1]梁敬敬,丁繼存,于秀磊．基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦綜合自動化系統(tǒng)[J]．煤礦機械,2012(03):243-244．

[2]錢建生,馬姍姍,孫彥景．基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦綜合自動化系統(tǒng)設計[J]．煤炭科學技術(shù),2011,39(02):73-76．

[3]黃嶺松．礦井綜合信息自動化系統(tǒng)原理及應用[J]．煤礦機械,2004(10):117-119．

衛(wèi)文慧（1983—），男，安徽無為人，大學本科，工程師，2005年畢業(yè)于安徽理工大學，主要從事礦用安全儀器儀表、監(jiān)控系統(tǒng)、有線/無線通信、救生艙的研究和檢驗工作。