陳 亮

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)和相關(guān)硬件設(shè)備性價(jià)比的大幅度提高和局域網(wǎng)、以太網(wǎng)的普遍應(yīng)用，各種遠(yuǎn)程監(jiān)視及控制系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)獲得了成功的應(yīng)用，使目前有色行業(yè)采選工藝的過(guò)程控制及自動(dòng)化操作管理水平達(dá)到了一個(gè)新的高度。國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的銅礦、鉬礦、金礦等礦山，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有礦山進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

信息化、自動(dòng)化應(yīng)用水平已經(jīng)成為一個(gè)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)能力的重要體現(xiàn)。但是國(guó)內(nèi)很多有色礦山普遍存在自動(dòng)化水平不高，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作為主，因缺乏信息網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一規(guī)劃使得已有控制系統(tǒng)相互獨(dú)立和數(shù)據(jù)不能共享，并且現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)繁多和混亂等問(wèn)題。本文提出的基于融合網(wǎng)絡(luò)對(duì)有色礦山的自動(dòng)化改造方案，可以解決目前礦山企業(yè)普遍存在的網(wǎng)絡(luò)眾多、系統(tǒng)之間(采礦、提升、運(yùn)輸、排水、選礦、充填、通訊和配電等)互不兼容的問(wèn)題，可以有效幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)減員增效、節(jié)能降耗的發(fā)展目標(biāo)，有效提升企業(yè)的成本競(jìng)爭(zhēng)能力。

2 融合網(wǎng)絡(luò)

本文提出的融合網(wǎng)絡(luò)是以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，統(tǒng)一規(guī)劃地下礦山信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和需求，將目前眾多的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)合并和融合為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，滿足地下采礦自動(dòng)化改造的全部需求。

融合網(wǎng)絡(luò)采用井下環(huán)網(wǎng)、地表星型網(wǎng)、中心機(jī)房設(shè)核心網(wǎng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)排水泵房監(jiān)控、視頻、門(mén)禁、OPC數(shù)據(jù)通訊、生產(chǎn)信息管理等眾多系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的融合、多網(wǎng)合一。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)及星型網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的構(gòu)架。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為地表核心層、地表接入層和井下環(huán)網(wǎng)3部分。

圖1 融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 地表核心層

地表核心層作為整個(gè)融合環(huán)網(wǎng)的核心，所有的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)都匯聚于此，核心層由兩臺(tái)工業(yè)核心交換機(jī)和兩臺(tái)商業(yè)核心交換機(jī)構(gòu)成。

兩臺(tái)商業(yè)核心交換機(jī)和兩臺(tái)工業(yè)核心交換機(jī)共同負(fù)責(zé)融合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸、處理上傳等功能。兩臺(tái)核心萬(wàn)兆工業(yè)交換機(jī)互為熱備冗余，主要實(shí)現(xiàn)與地面工業(yè)交換機(jī)、井下交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，減輕核心商用交換機(jī)的路由交換機(jī)的壓力，同時(shí)，通過(guò)萬(wàn)兆多鏈路聯(lián)接到兩臺(tái)萬(wàn)兆商業(yè)核心交換機(jī)，保證核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬及鏈路冗余備份。兩臺(tái)萬(wàn)兆核心商用交換機(jī)互為熱備冗余，主要承擔(dān)著整體網(wǎng)絡(luò)的路由策略實(shí)現(xiàn)和流量分布轉(zhuǎn)發(fā)的功能，主要連接視頻服務(wù)器、管控服務(wù)器，WEB服務(wù)器、客戶端和門(mén)禁系統(tǒng)等設(shè)備。

2.1.2 地表接入層

地表網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有地表接入層工業(yè)交換機(jī)均采用端口冗余的方式，互為備份。通過(guò)地表接入層接入的設(shè)備主要包括計(jì)算機(jī)、SCADA服務(wù)器，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制單元RTU和攝像頭等。

2.1.3 井下環(huán)網(wǎng)

井下網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由中段1、中段2、中段3、中段4、中段5環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和地表工業(yè)交換機(jī)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)、使用環(huán)網(wǎng)協(xié)議鏈接至工業(yè)核心網(wǎng)交換機(jī)，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的同時(shí)還可以減少布線成本。通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)接入的設(shè)備主要包括RTU數(shù)據(jù)采集模塊和攝像頭等。

2.2 融合網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性及實(shí)時(shí)性

融合網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)集多個(gè)系統(tǒng)為一體綜合數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，其網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性及實(shí)時(shí)性顯得尤為重要。

2.2.1 可靠性

融合系統(tǒng)采用井下環(huán)網(wǎng)、地表星型網(wǎng)、中心機(jī)房設(shè)核心網(wǎng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，各接入層交換機(jī)均采用三層交換機(jī)，井下環(huán)網(wǎng)部分基于環(huán)網(wǎng)協(xié)議，星型網(wǎng)采用端口冗余的形式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有冗余性。所有接入層交換機(jī)均采用雙電源供電，任意一路電源出現(xiàn)故障，不會(huì)影響到設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2.2 安全性

采用兩級(jí)訪問(wèn)控制功能。支持端口鎖定和IP地址過(guò)濾功能，避免沒(méi)有授權(quán)的設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)?？赏ㄟ^(guò)后臺(tái)服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的用戶進(jìn)行認(rèn)證，確保沒(méi)有授權(quán)的用戶無(wú)法登錄網(wǎng)絡(luò)。

采用VLAN劃分技術(shù)，一個(gè)VLAN內(nèi)部數(shù)據(jù)流量不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到其他VLAN中，有助于控制流量、節(jié)省帶寬、提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2.2.3 實(shí)時(shí)性

融合網(wǎng)絡(luò)中既包括傳統(tǒng)的的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也包括流量較大的視頻數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性要求較高的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)具有優(yōu)先性。采用流量?jī)?yōu)先級(jí)機(jī)制給數(shù)據(jù)賦予不同優(yōu)先級(jí)，將具有時(shí)間敏感性監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)設(shè)定為最高優(yōu)先級(jí)，使其能夠在網(wǎng)絡(luò)中以最小時(shí)延傳輸。

3 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控

基于礦山現(xiàn)場(chǎng)各站點(diǎn)區(qū)域分布情況及數(shù)據(jù)采集和控制需求，采用SCADA系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要由冗余服務(wù)器、工程師站、操作員站和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制單元RTU構(gòu)成，主要用于井下排水泵房自動(dòng)控制，固定設(shè)備在線監(jiān)控和電氣設(shè)備電能數(shù)據(jù)采集等。

3.1 排水泵房

礦山井下涌水不但影響生產(chǎn)，而且對(duì)井下作業(yè)人員安全構(gòu)成威脅，因此，將井下水及時(shí)排到地面，為井下人員、機(jī)械和電氣設(shè)備創(chuàng)造良好工作環(huán)境尤為重要。通過(guò)對(duì)排水泵房自動(dòng)化升級(jí)改造，將電氣和儀表信號(hào)送至SCADA系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)排水泵房的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

3.1.1 系統(tǒng)組成和監(jiān)控內(nèi)容

排水泵房監(jiān)控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制單元RTU、觸摸屏、檢測(cè)儀表、閥門(mén)及電流表等組成，見(jiàn)圖2。檢測(cè)和控制內(nèi)容包括電機(jī)繞組和軸承溫度，水泵軸承溫度，電機(jī)和水泵軸承振動(dòng)，污水池和清水池液位，水泵出口壓力，出水總管流量，水泵密封環(huán)磨損檢測(cè)，閥門(mén)開(kāi)關(guān)，水泵啟停及水泵等設(shè)備電流、電壓、功率、電能等信息采集。

圖2 排水泵房監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

3.1.2 控制方式

系統(tǒng)控制包括自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)3種工作方式和就地、遠(yuǎn)程兩種控制方式。就地控制通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏進(jìn)行操作，包括自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)3種工作方式。

自動(dòng)方式：RTU根據(jù)采集到的液位、壓力、流量、溫度、振動(dòng)和水泵運(yùn)行時(shí)間等信號(hào)，自動(dòng)完成水泵啟動(dòng)、停止和切換。半自動(dòng)方式：操作人員選擇一臺(tái)或多臺(tái)水泵投入，系統(tǒng)自動(dòng)完成已選水泵的啟停和監(jiān)控工作。手動(dòng)方式：故障檢修和試車(chē)時(shí)使用。

遠(yuǎn)程控制指在地面控制中心進(jìn)行操作，工作方式與就地控制相同，即自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)3種方式。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)和供電

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制單元RTU通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)接入融合網(wǎng)絡(luò)，為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，RTU和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)之間采用冗余網(wǎng)絡(luò)方式接入。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，井下設(shè)UPS，為RTU、儀表、閥門(mén)、電流表柜和網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜等提供電源。

3.2 其它固定設(shè)備

固定設(shè)備主要包括井下排泥系統(tǒng)、地表皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、提升機(jī)系統(tǒng)和地表風(fēng)機(jī)房，所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和控制信號(hào)均就近接入RTU內(nèi)，通過(guò)融合網(wǎng)絡(luò)，集中在控制中心進(jìn)行監(jiān)控。

3.3 電能信息采集

電能信息采集目的在于掌握生產(chǎn)過(guò)程中高、中壓用電回路的能源數(shù)據(jù)及能源消耗趨勢(shì)，使用戶能夠快速識(shí)別生產(chǎn)過(guò)程中能源大量消耗的環(huán)節(jié)，并對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)視、分析和控制，最終達(dá)到節(jié)能降耗的目的。通過(guò)在用電回路中設(shè)置多功能電流表，采集電氣設(shè)備電流、電壓、功率和電能等數(shù)據(jù)，電流表再通過(guò)modbus總線將電能數(shù)據(jù)上傳至RTU，再經(jīng)過(guò)融合網(wǎng)絡(luò)，最終匯總在地面控制中心。

4 OPC通訊

現(xiàn)場(chǎng)已有的選廠DCS系統(tǒng)、提升機(jī)控制系統(tǒng)，尾砂充填控制系統(tǒng)和膏體充填控制系統(tǒng)通過(guò)OPC通訊方式接入地面控制中心生產(chǎn)管控系統(tǒng)，由管控系統(tǒng)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

5 視頻和門(mén)禁

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是為操作人員及管理人員更直觀地了解生產(chǎn)情況而設(shè)立的，攝像機(jī)均采用IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，視頻信號(hào)通過(guò)融合網(wǎng)絡(luò)接入地面控制中心視頻服務(wù)器，監(jiān)控中心管理軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和回放錄像，并支持30d×24h/d的視頻存儲(chǔ)。視頻監(jiān)控區(qū)域主要包括排水泵房、配電室、馬頭門(mén)、機(jī)修車(chē)間、皮帶、磨浮廠房和大門(mén)等。

為加強(qiáng)對(duì)廠區(qū)的安全管理，防止非授權(quán)人員的隨意進(jìn)入，在廠區(qū)的大門(mén)處和下井人員入口處設(shè)置門(mén)禁系統(tǒng)，通過(guò)指紋識(shí)別和人臉識(shí)別方式控制人員進(jìn)出并記錄進(jìn)出情況。門(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)融合網(wǎng)絡(luò)接入地表控制中心管控系統(tǒng)。

6 生產(chǎn)管控

生產(chǎn)管控系統(tǒng)由管控服務(wù)器、web服務(wù)器、工程師站和客戶端構(gòu)成，通過(guò)防火墻跟下層數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離，用于采集、處理SCADA系統(tǒng)、選廠DCS系統(tǒng)、提升機(jī)控制系統(tǒng)，尾砂充填控制系統(tǒng)、膏體充填控制系統(tǒng)和門(mén)禁系統(tǒng)等生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并生成全礦生產(chǎn)監(jiān)控畫(huà)面及生產(chǎn)報(bào)表。同時(shí)，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)可通過(guò)辦公網(wǎng)上傳至各生產(chǎn)辦公室上位管理計(jì)算機(jī)，管理人員可及時(shí)掌握全礦主要生產(chǎn)狀態(tài)及工藝指標(biāo)。生產(chǎn)管控系統(tǒng)主要包括如下3個(gè)平臺(tái)。

(1)生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)：具有在線監(jiān)視、多級(jí)報(bào)警、歷史趨勢(shì)查詢等功能。

(2)能源管控平臺(tái)：對(duì)設(shè)備用電狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

(3)設(shè)備管理平臺(tái)：記錄和計(jì)算設(shè)備的停車(chē)時(shí)間、運(yùn)轉(zhuǎn)率、負(fù)荷率等性能指標(biāo)，累計(jì)設(shè)備預(yù)防性維修的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，減少因設(shè)備故障影響生產(chǎn)的無(wú)效作業(yè)時(shí)間。

7 結(jié)語(yǔ)

融合網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)綜合數(shù)據(jù)傳輸和共享平臺(tái)，解決原有有色礦山各子自動(dòng)化系統(tǒng)之間相互獨(dú)立、數(shù)據(jù)互不兼容問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)各子自動(dòng)化系統(tǒng)之間相互融合、信息共享，同時(shí)具有靈活的系統(tǒng)擴(kuò)展能力，滿足將來(lái)人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、自動(dòng)化采礦系統(tǒng)、無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的接入需求。融合網(wǎng)絡(luò)可以為整個(gè)有色礦山的自動(dòng)化和信息化打下良好的基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 余 亮.多網(wǎng)融合在數(shù)字化地下礦山中的應(yīng)用[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2014,(4):32-34.

[2] 余 遠(yuǎn).煤炭企業(yè)數(shù)字礦山信息融合框架的研究[J].煤炭工程，2009,(6):118-120.

[3] 汪順民.井下排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用[J].有色金屬文摘，2015,(4):90-90.