張大勇

【摘要】本文針對國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)通訊協(xié)議和信息交換標準不統(tǒng)一、與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)困難、無法做到數(shù)據(jù)共享的缺點，提出一種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)集中監(jiān)測監(jiān)控管理系統(tǒng)方案，構(gòu)建一個具有分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性特點，符合礦井安全要求的生產(chǎn)與管理信息傳輸平臺。

【關(guān)鍵詞】安全生產(chǎn)；工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)；集中監(jiān)測監(jiān)控管理系統(tǒng)；核心交換機；網(wǎng)絡安全

一、引言

目前我國大部分煤礦均已不同程度地建立或準備建立安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，但從系統(tǒng)集成的角度來看，有關(guān)生產(chǎn)、管理的自動化與信息化水平相對較低，特別是煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)尚沒有行業(yè)標準，各廠家都是自行制定傳輸協(xié)議和接口標準，各分（子）系統(tǒng)之間不能互通和兼容，存在著信息孤島現(xiàn)象，信息資源難于共享，監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)不能實現(xiàn)聯(lián)動；從產(chǎn)業(yè)的角度看，目前煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)軟硬件研發(fā)和服務保障系統(tǒng)相對落后，研發(fā)力量薄弱，適合煤礦行業(yè)特點和需求的軟硬件和電子專用設備、儀器目前仍比較缺乏，還難以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求和技術(shù)升級的需要。

本文結(jié)合山西潞安溫莊煤業(yè)有限責任公司礦井生產(chǎn)和安全監(jiān)控系統(tǒng)集成工程建設，采用最新的計算機網(wǎng)絡、光纖通信和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進行安全生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)的設計，構(gòu)建一個符合礦井安全要求的礦井生產(chǎn)與管理信息綜合系統(tǒng)的傳輸平臺。

二、設計原則

根據(jù)該礦目前的實際情況，煤礦的生產(chǎn)與管理信息綜合集成系統(tǒng)包括井下煤炭安全生產(chǎn)自動監(jiān)控監(jiān)視系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)兩大方面。本系統(tǒng)是為煤炭行業(yè)、大中型煤礦企業(yè)實現(xiàn)管理科學化而設計開發(fā)的，旨在為煤礦生產(chǎn)節(jié)約成本、強化生產(chǎn)安全管理、提高工作效率，能確保安全監(jiān)察業(yè)務準確、實時、快速的運行，保證搶險救災、安全救護的高效運作，對煤炭開采各生產(chǎn)成本指標作出科學、全面的統(tǒng)計分析，并提供全面系統(tǒng)的決策資料，是對煤礦管理做出科學決策的最佳助手。

系統(tǒng)設計本著先進性、開放性、可擴充性、可維護性的原則，根據(jù)目前業(yè)務實際，并充分考慮今后業(yè)務發(fā)展需要，采用瀏覽器/服務器體系結(jié)構(gòu)與客戶機/服務器體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合的多層應用結(jié)構(gòu)，使用當前先進的系統(tǒng)平臺、面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法、可視化的開發(fā)工具，設計出一套較為完善的適用于煤礦實際的管理科學化、安全生產(chǎn)自動化的綜合信息化解決方案。本方案設計主要注重：先進性和成熟性：采用目前比較成熟的先進技術(shù)和產(chǎn)品，以國內(nèi)現(xiàn)有的綜合信息集成系統(tǒng)軟件為基礎，不必重新開發(fā)綜合系統(tǒng)。開放性和標準性：采用有關(guān)的國際標準、國家標準和行業(yè)規(guī)范。實效性和共享性：能夠及時、準確、動態(tài)地更新煤礦信息。并提供信息資源高度共享。傳遞性和安全性：實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫三層結(jié)構(gòu)安全管理，支持多級權(quán)限管理，使系統(tǒng)安全性有穩(wěn)固的保障；從操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應用軟件等多層次設置安全屏障，有效保證數(shù)據(jù)安全，保證了客戶數(shù)據(jù)不被篡改，保證網(wǎng)絡信息的安全性、完整性。

三、設計目標

1、建立煤礦安全生產(chǎn)所必須的測控系統(tǒng)，覆蓋企業(yè)安全生產(chǎn)所涉及的各個環(huán)節(jié)。要設計或改造的生產(chǎn)自動監(jiān)控系統(tǒng)包括：

（1）井下通風監(jiān)控子系統(tǒng)（2）皮帶運輸監(jiān)控子系統(tǒng)（3）自動排水監(jiān)控子系統(tǒng)（4）電網(wǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)（5）環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)（6）人員定位與考勤子系統(tǒng)（7）提升監(jiān)控子系統(tǒng)（8）自動乘人子系統(tǒng)（9）工業(yè)電視監(jiān)控子系統(tǒng)其中工業(yè)電視監(jiān)控子系統(tǒng)將上述8個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行全程電視監(jiān)控，并做到在內(nèi)部網(wǎng)上瀏覽所關(guān)心的畫面，并可實時錄相。以上子系統(tǒng)可根據(jù)煤礦輕重緩急的要求，分步實施，每上一個子系統(tǒng)即將其與管理信息系統(tǒng)集成在一起。

2、建立對生產(chǎn)設備運行的管理子系統(tǒng)。

通過對有關(guān)生產(chǎn)、設備運行的原始數(shù)據(jù)的準確性、實時性和設備參數(shù)、生產(chǎn)過程參數(shù)的分析，提高生產(chǎn)調(diào)度、管理的準確性與及時性，減少和避免重大故障，提高運行可靠性，從而保障機電設備的安全運行。建立健全積極、主動的維護保養(yǎng)循環(huán)體系，根據(jù)設備的性能和特點， 實現(xiàn)定時、定點、定量的維護檢查，并提供多種形式的設備運行狀況預警，確保機電設備的安全運行。

3、網(wǎng)絡整體設計。

網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)建分為兩個工期：第一期工程：井下共設計兩個環(huán)網(wǎng)、分別是一個1000M環(huán)網(wǎng)，一個100M環(huán)網(wǎng)。1000M供全礦井所有子系統(tǒng)接入，100M供安全監(jiān)控系統(tǒng)接入。第二期工程：按礦井技改建設進度和實際情況，設計地面1000M環(huán)網(wǎng)。全礦網(wǎng)絡各環(huán)的交換機支光纖直接接入調(diào)度室的核心交換機，形成獨立環(huán)網(wǎng)。調(diào)度室配置兩臺核心交換機，核心交換機配備備用光口，降低網(wǎng)絡故障率。該平臺作為一個整體進行監(jiān)控與管理，使礦井在“采、掘、運、風、水、電、安全”等生產(chǎn)環(huán)節(jié)全面實現(xiàn)信息化，實時掌握全礦井安全、生產(chǎn)、人員、經(jīng)營等所有方面的信息，形成統(tǒng)一、完整的有機整體，以實現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理，建立起礦井集中監(jiān)測監(jiān)控管理系統(tǒng)。

四、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)硬件系統(tǒng)由井下現(xiàn)場設備層及防爆交換機、地面控制層以及煤礦管理信息中心等構(gòu)成。

井下現(xiàn)場設備層包括各監(jiān)控子系統(tǒng)分站和井下防爆交換機，各監(jiān)控子系統(tǒng)分站負責各自的設備監(jiān)控與運行；井下防爆交換機將井下各監(jiān)控子系統(tǒng)分站的信息集中，通過光纖將信息經(jīng)過井上交換機傳輸?shù)礁鞅O(jiān)控主機，同時接收井上信息中心通過監(jiān)控主機及交換機傳來的監(jiān)控命令，以向井下監(jiān)控分站下達監(jiān)控命令來控制設備的正常運行。地面控制層包括各監(jiān)控子系統(tǒng)主機及服務器和交換機，各監(jiān)控主機負責對各自井下分站的直接監(jiān)控，監(jiān)控主機通過防火墻與煤礦管理信息中心局域網(wǎng)相連，將得到的設備運行情況等信息通過網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌?，以便管理者網(wǎng)上瀏覽。煤礦管理信息中心由WEB服務器、數(shù)據(jù)服務器、備份服務器以及交換機和防火墻等組成，實現(xiàn)對井下設備和地面管理等信息的存儲、檢索、管理和監(jiān)視。實現(xiàn)安全生產(chǎn)與管理綜合信息的集成。

五、系統(tǒng)安全設計

系統(tǒng)安全是信息化建設的重點內(nèi)容之一，需要全方位考慮。既要確保系統(tǒng)發(fā)生災難后能夠盡快恢復，又要確保信息不被非法訪問和篡改。常用方法包括：系統(tǒng)的熱備份、密鑰、數(shù)字證書、防火墻、遠程容災、入侵檢測等。

安全方案主要技術(shù)特點如下：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完全、自動備份，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多次存儲，極大程度的保證了數(shù)據(jù)的安全性。主備服務器可以實現(xiàn)自動切換，也可以人為強行切換。當主服務器遇到故障，比如斷網(wǎng)、死機、斷電等情況，會實現(xiàn)到備份服務器的自動切換。雙機進行切換不影響系統(tǒng)的運行，穩(wěn)定性好。雙機熱備軟件的安裝與配置都較為簡單。雙機熱備采用純軟方式，成本低，不需要購買昂貴的磁盤陣列柜，兩臺服務器之間不受距離的限制，可靠性更高一些。采用硬陣列的方式，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。磁盤陣列其實也分為軟陣列 （Software Raid）和硬陣列 （Hardware Raid） 兩種。軟陣列即通過軟件程序并由計算機的CPU提供運行能力所成。由于軟件程式不是一個完整系統(tǒng)，只能提供最基本的RAID容錯功能。硬陣列是由獨立操作的硬件提供整個磁盤陣列的控制和計算功能，不依靠系統(tǒng)的CPU資源。由于硬陣列是一個完整的系統(tǒng)，所有需要的功能均可以做進去，所以硬陣列所提供的功能和性能均比軟陣列好。RAID技術(shù)的采用提高了磁盤的存取（access）速度，防止數(shù)據(jù)因磁盤的故障而丟失以及有效的利用了磁盤空間。RAID通過在多個磁盤上同時存儲和讀取數(shù)據(jù)來大幅提高存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。在RAID中，可以讓很多磁盤驅(qū)動器同時傳輸數(shù)據(jù)，而這些磁盤驅(qū)動器在邏輯上又是一個磁盤驅(qū)動器，所以使用RAID可以達到單個磁盤驅(qū)動器幾倍、幾十倍甚至上百倍的速率。實現(xiàn)了同一臺服務器上兩塊硬盤的完全、自動備份。

支持硬盤擴展。

六、接口方案設計

改造前該煤礦地面調(diào)度中心的主計算機已可對井下的排水系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等原有的自動化分系統(tǒng)進行集中監(jiān)測和控制。因此對原有系統(tǒng)或準備建立的第三方系統(tǒng)的集成是煤礦監(jiān)測與管理綜合信息集成系統(tǒng)的關(guān)鍵，并且由于我國對煤礦自動化設備的接口沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范，系統(tǒng)集成必須根據(jù)不同的設備情況采取不同的集成策略。支持TCP/IP的監(jiān)測設備：可以直接通過IP的連接實現(xiàn)功能集成。調(diào)度室具有控制計算機的井下監(jiān)測設備：一般這類系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存放在控制計算機的數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)集成時可以考慮從數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)實現(xiàn)生產(chǎn)信息的集中展示；對該類設備的集中控制則需通過該設備的通訊協(xié)議實現(xiàn)。

其他設備：有些設備是非標設備，并且沒有主控計算機，其信息的采集及設備控制只能通過改造通訊接口的方式與控制設備進行通訊，以實現(xiàn)信息的采集和控制。

七、結(jié)束語

本系統(tǒng)的設計目標是綜合運用網(wǎng)絡技術(shù)、WEB技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件工程技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，重點解決安全監(jiān)控信息的集成處理與發(fā)布、生產(chǎn)信息的集成與可視化、各種管理信息系統(tǒng)的規(guī)范與集成，構(gòu)建具有煤礦企業(yè)特色的綜合信息自動化管理體系，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫與管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間的緊密集成，提高管理信息中有關(guān)生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)的準確性、實時性。

參考文獻

[1]陸錚，汪叢笑.工業(yè)以太網(wǎng)在全礦井綜合自動化系統(tǒng)中的應用[J].工礦自動化，2006年03期.