毛 浩

(陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719600)

近年來，隨著煤礦開采技術(shù)的發(fā)展以及煤礦企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化的需求，越來越多的煤炭企業(yè)開始應(yīng)用信息化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的類別主要包括辦公信息化系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)類系統(tǒng)三大類，這些系統(tǒng)的出現(xiàn)與存在對(duì)于煤礦的生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化起到了不可估量的作用。然而，由于煤炭企業(yè)的信息化系統(tǒng)存在數(shù)量眾多、建設(shè)廠家和建設(shè)時(shí)間先后不一以及使用版本多種多樣等因素，從而導(dǎo)致煤炭企業(yè)對(duì)信息化系統(tǒng)管理和運(yùn)行繁瑣，部分信息化系統(tǒng)形成了數(shù)據(jù)孤島。此外，受到技術(shù)條件的限制，這些信息化系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制及管理沒有達(dá)到理想的效果，對(duì)數(shù)據(jù)的利用也沒有達(dá)到預(yù)期的效果。

隨著自動(dòng)化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦的應(yīng)用不斷成熟，目前有條件和技術(shù)對(duì)上述問題進(jìn)行修正。在工業(yè)4.0以及兩化融合的大背景下，以張家峁公司的“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)為例，對(duì)張家峁公司信息化系統(tǒng)進(jìn)行重新整合及升級(jí)改造。

1 張家峁公司的信息化系統(tǒng)現(xiàn)狀

張家峁公司位于陜西省榆林市神木縣北部，是一座大型的國有股份制煤炭企業(yè)。張家峁公司目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以井下千兆工業(yè)以太網(wǎng)、辦公局域網(wǎng)以及以3G無線傳輸網(wǎng)為一體的基礎(chǔ)數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和統(tǒng)一的企業(yè)信息化應(yīng)用平臺(tái)。在安全生產(chǎn)建設(shè)方面，完成了監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化的系統(tǒng)建設(shè)。由于網(wǎng)絡(luò)化、信息化、自動(dòng)化等技術(shù)的應(yīng)用，張家峁公司從管理、安全到生產(chǎn)已經(jīng)處于行業(yè)的先進(jìn)水平。截至2015年，張家峁公司已經(jīng)形成了24個(gè)辦公信息化系統(tǒng)、25個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)和17個(gè)監(jiān)測(cè)類系統(tǒng)，張家峁公司子系統(tǒng)現(xiàn)狀見表1。

表1 張家峁公司子系統(tǒng)現(xiàn)狀

張家峁公司建成的子系統(tǒng)通過相應(yīng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，由于各個(gè)子系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能不同以及隸屬在不同的區(qū)隊(duì)或者部門，因此每個(gè)子系統(tǒng)都需要有專門的人員負(fù)責(zé)維護(hù)和管理，管理相對(duì)比較繁瑣，而且浪費(fèi)大量的人力資源。張家峁公司的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)自運(yùn)行以來，受技術(shù)條件限制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制沒有達(dá)到理想效果，具體表現(xiàn)如下：

(1)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)受技術(shù)限制，達(dá)不到現(xiàn)有要求，如銷售地銷系統(tǒng)自動(dòng)裝車等；

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器未能實(shí)現(xiàn)完全同步和冗余報(bào)警，且報(bào)表功能不完善；

(3)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)基本停留在監(jiān)測(cè)階段，未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及無人值守；

(4)各單位之間的子系統(tǒng)銜接不夠緊密，存在數(shù)據(jù)信息孤島，工業(yè)化和信息化融合的程度不高。

基于以上種種原因，必須對(duì)現(xiàn)有張家峁公司子系統(tǒng)的技術(shù)運(yùn)行及業(yè)務(wù)管理進(jìn)行重新梳理，形成一種更適用于大型煤礦企業(yè)的綜合自動(dòng)化模式，通過“1+9”總控—分控自動(dòng)化平臺(tái)的實(shí)施，替代低端崗位和低端工種，對(duì)張家峁公司的井下、地面機(jī)房硐室全面實(shí)現(xiàn)無人值守和有人巡檢功能。

2 “1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集與傳輸

實(shí)現(xiàn)“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)首先要解決的問題就是消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，達(dá)到數(shù)據(jù)層面的互聯(lián)互通與無縫對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)指令的全面應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，首先要對(duì)張家峁公司整體的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及經(jīng)營數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的采集和傳輸，形成張家峁公司大數(shù)據(jù)庫，然后再根據(jù)具體業(yè)務(wù)劃分逐個(gè)形成獨(dú)立的分控中心數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)的采集主要對(duì)象為礦井各個(gè)子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)感知層，如各類傳感器、電力電表、智能設(shè)備等，采集后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過就近的PLC控制器進(jìn)行就地匯總，視頻數(shù)據(jù)通過光纖匯總，上述數(shù)據(jù)接入張家峁公司的工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)或者就近企業(yè)網(wǎng)交換機(jī)，利用張家峁公司工業(yè)環(huán)網(wǎng)或者企業(yè)局域網(wǎng)傳輸至公司網(wǎng)絡(luò)處理中心的核心交換機(jī)，至此完成數(shù)據(jù)的采集功能及數(shù)據(jù)傳輸功能。“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)主要采集的子系統(tǒng)如下：

(1)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)。采集自動(dòng)化子系統(tǒng)中的開關(guān)量和模擬量等信息，數(shù)據(jù)采集使用標(biāo)準(zhǔn)OPC接口與控制系統(tǒng)對(duì)接，生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

(2)智能供配電系統(tǒng)。采集所有供配電系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并歸檔到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)高低壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，包括電流和電壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、電量監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程安全控制、各種操作日志等信息。

(3)工業(yè)電視系統(tǒng)。使用通用視頻瀏覽插件連接工業(yè)電視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)電視報(bào)警、實(shí)時(shí)畫面查看、歷史畫面回放。

(4)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。采集設(shè)備靜態(tài)資料、動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)如溫度和振動(dòng)等信息，并將數(shù)據(jù)歸檔到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控設(shè)備的振動(dòng)頻譜、溫度以及設(shè)備報(bào)警等。

3 “1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的基本架構(gòu)

“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的意義在于通過對(duì)原有自動(dòng)化系統(tǒng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行梳理劃分、技術(shù)升級(jí)改造以及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的充分應(yīng)用，打造一種新的自動(dòng)化管理模式，并優(yōu)于目前的多系統(tǒng)離散化控制，從而在管理升級(jí)的基礎(chǔ)上，達(dá)到無人值守和減人提效的目的?！?+9”的劃分是以礦井實(shí)際運(yùn)行重要程度為基礎(chǔ)的，在這個(gè)基礎(chǔ)下，調(diào)度室作為礦井安全生產(chǎn)、日常運(yùn)行和調(diào)度指揮的核心場(chǎng)所，代表該模式的 “1”，也就是總控中心?！?”代表該模式有9個(gè)分控單位，也就是分控中心。“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 “1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)示意圖

3.1 總控中心

總控中心實(shí)時(shí)監(jiān)視全礦的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，包括所有分控中心下子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備的狀態(tài)、參數(shù)、故障、報(bào)警、實(shí)時(shí)曲線、操作記錄等；可以自動(dòng)生成基于全礦或者具體到某個(gè)子系統(tǒng)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表；可以方便地查詢歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警、曲線、操作記錄，以方便生產(chǎn)調(diào)度人員和各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)實(shí)時(shí)掌握全礦每個(gè)細(xì)節(jié)的生產(chǎn)狀況，從而做出及時(shí)地調(diào)度和決策。總控中心可以對(duì)分控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，且遠(yuǎn)程控制總是處于三級(jí)管控模式(就地控制—分控控制—總控監(jiān)控)下的第三級(jí)，其中就地控制優(yōu)先級(jí)最高，可以在現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員發(fā)現(xiàn)狀況的時(shí)候進(jìn)行直接就地停止，分控控制作為主要操作手段，采用3班8 h制度，在分控中心內(nèi)設(shè)置專職人員進(jìn)行監(jiān)控，總控中心作為一般的全礦全景監(jiān)控，負(fù)責(zé)指揮生產(chǎn)，安排調(diào)度，同時(shí)具有操作權(quán)限，但在一般的情況下不做操作，操作級(jí)別最小。

總控中心的大屏可以實(shí)現(xiàn)礦井所有監(jiān)測(cè)類系統(tǒng)的匯總展示，大屏幕可以實(shí)時(shí)觀看與監(jiān)控各種信息，包括三維一張圖、視頻監(jiān)控、管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)圖像以及電腦、電視、實(shí)物投影儀、DVD等信號(hào)源的信息和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息等多種信息，可隨時(shí)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和各類計(jì)算機(jī)圖文信號(hào)進(jìn)行多畫面顯示和分析，及時(shí)做出判斷和處理，發(fā)布調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和集中調(diào)度的目的。

3.2 分控中心

分控中心的劃分依據(jù)主要是按照礦井生產(chǎn)環(huán)節(jié)中涉及到的重要職能單位來劃分的，將張家峁公司的子系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)需求劃分為9個(gè)分控單元，分別是機(jī)電分控中心、水電暖分控中心、機(jī)運(yùn)分控中心、洗選分控中心、銷售分控中心、綜采分控中心、通風(fēng)分控中心、安防分控中心以及掘進(jìn)分控中心?！?+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)子系統(tǒng)隸屬劃分見表2。

表2 “1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)子系統(tǒng)隸屬劃分

由表2可以看出，自動(dòng)化系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)類系統(tǒng)進(jìn)行了隸屬劃分，而信息化辦公系統(tǒng)作為張家峁公司辦公平臺(tái)上的獨(dú)立辦公業(yè)務(wù)系統(tǒng)，也根據(jù)不同的分控中心業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)中心給予了賦權(quán)處理，各分控中心經(jīng)過劃分，在各自所屬的區(qū)域建設(shè)集控室，采用IFIX5.8作為上位機(jī)系統(tǒng)，利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)技術(shù)將所含子系統(tǒng)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中心調(diào)出，從而進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、查詢和統(tǒng)計(jì)分析，并在上位機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行融合。每一個(gè)分控中心可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。分控中心通過視頻實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況。

(2)保護(hù)功能。分控中心實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)的故障預(yù)警，并及時(shí)判斷后急停。

(3)控制功能。分控中心控制模式可選擇自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制，具備遠(yuǎn)程/就地切換功能。

(4)操作模式轉(zhuǎn)換。分控中心控制下的子系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程和本地操作狀態(tài)以及自動(dòng)、手動(dòng)、半自動(dòng)幾種操作模式，其優(yōu)先級(jí)控制方案為手動(dòng)控制→遠(yuǎn)程控制→自動(dòng)控制。

(5)動(dòng)態(tài)顯示功能。分控中心能夠?qū)崿F(xiàn)圖形動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。

4 “1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的多樣化融合

在“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的建立過程中，對(duì)相關(guān)分控中心的非自動(dòng)化業(yè)務(wù)也進(jìn)行了梳理和融合，在前期基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集過程中，對(duì)視頻信息也進(jìn)行了采集和匯總，根據(jù)隸屬的范圍不同，將所屬各個(gè)分控中心業(yè)務(wù)下的視頻信息進(jìn)行調(diào)出，并在自動(dòng)化操作系統(tǒng)的上位機(jī)操作畫面里進(jìn)行視頻嵌入功能的實(shí)現(xiàn)，將自動(dòng)化上位機(jī)的所處網(wǎng)段與視頻系統(tǒng)的網(wǎng)段聯(lián)通，同時(shí)開發(fā)視頻插件，通過與視頻源的連接及調(diào)用原攝像頭的流媒體資源(不直接調(diào)用攝像頭資源)，從而達(dá)到節(jié)省費(fèi)用、充分利用資源、實(shí)時(shí)監(jiān)控重要場(chǎng)所以及形成集控人員新的操作習(xí)慣的目的。此外還有人員定位系統(tǒng)的嵌入等等，諸如此類，讓業(yè)務(wù)歸屬單位實(shí)時(shí)了解所轄范圍內(nèi)的設(shè)備、人員以及生產(chǎn)等動(dòng)態(tài)。

5 “1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的虛擬化應(yīng)用

在“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的建設(shè)過程中，需要利用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，前期的網(wǎng)絡(luò)資源及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，為此需要購置大量的核心交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，基于此次建設(shè)機(jī)遇，在思考網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的同時(shí)引入了虛擬化應(yīng)用，并對(duì)張家峁公司的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了基于VLAN劃分的重新規(guī)劃。虛擬化應(yīng)用的建設(shè)使用兩臺(tái)虛擬化核心交換機(jī)替換了原有的28臺(tái)交換機(jī)，在更新?lián)Q代的同時(shí)大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投入，這種思路的引入基于充分利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)管理、虛擬化手段實(shí)現(xiàn)張家峁公司信息服務(wù)化和企業(yè)數(shù)字化，在張家峁公司數(shù)據(jù)中心建設(shè) “私有云”服務(wù)平臺(tái)，開發(fā)接口設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用系統(tǒng)等，發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的按需服務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，并通過虛擬化平臺(tái)的建設(shè)建立一體化管控系統(tǒng)，將生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備遠(yuǎn)程診斷等相關(guān)傳感器和智能設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，利用信息技術(shù)將相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集存入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行綜合自動(dòng)化控制與數(shù)據(jù)分析。張家峁公司虛擬化建設(shè)架構(gòu)示意圖如圖2所示。

虛擬化應(yīng)用的建設(shè)夯實(shí)了“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的建設(shè)理念及建設(shè)成果，張家峁公司通過虛擬化平臺(tái)的建設(shè)將現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)及其它信息化系統(tǒng)融合在了一個(gè)整體的平臺(tái)上，應(yīng)用更加直觀便捷，虛擬化平臺(tái)集成示意圖如圖3所示。

虛擬化應(yīng)用可以滿足工作人員將文件上傳至辦公平臺(tái)的個(gè)人網(wǎng)盤，支持隨時(shí)隨地上傳下載，用戶文檔由張家峁公司網(wǎng)絡(luò)機(jī)房統(tǒng)一存儲(chǔ)管理保障資料存儲(chǔ)安全。同時(shí)支持外網(wǎng)辦公，張家峁公司人員可以實(shí)時(shí)登錄手機(jī)、pad等客戶端對(duì)張家峁公司虛擬化應(yīng)用進(jìn)行業(yè)務(wù)瀏覽，不受辦公地點(diǎn)、場(chǎng)合以及時(shí)間限制，同時(shí)還能夠減少系統(tǒng)管理員對(duì)數(shù)據(jù)中心及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的維護(hù)工作量。

圖2 張家峁公司虛擬化建設(shè)架構(gòu)示意圖

圖3 虛擬化平臺(tái)集成示意圖

6 效益分析

張家峁公司通過“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了固定機(jī)房、硐室設(shè)備、主煤流運(yùn)輸?shù)茸酉到y(tǒng)的集中遠(yuǎn)程控制和管理，達(dá)到了“無人值守、有人巡檢”的運(yùn)行模式，極大地提高了礦井生產(chǎn)效率。同時(shí)，多系統(tǒng)融合、礦井三維可視化、虛擬化平臺(tái)的應(yīng)用等手段，集成了視頻、定位等信息在分控中心的交互實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)備、人員、車輛等虛擬現(xiàn)實(shí)交互和三維可視化綜合管理。張家峁公司“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)的效益分析如下：

6.1 減人提效

(1)機(jī)運(yùn)分控中心。機(jī)運(yùn)隊(duì)員工總數(shù)共計(jì)119人，進(jìn)行無人值守升級(jí)改造后將固定崗位變成巡檢工，減員人數(shù)為30人。

(2)水電暖分控中心。水電隊(duì)員工總數(shù)共計(jì)53人，本次升級(jí)只增加了部分設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，減員人數(shù)為5人。

(3)安防分控中心。安保及消防人員共計(jì)30人，通過安防分控建設(shè)，減員人數(shù)為10人。

(4)銷售分控中心。銷售分控通過建設(shè)達(dá)到的減員人數(shù)為12人。

(5)洗選分控中心。洗選分控通過建設(shè)達(dá)到的減員人數(shù)為15人。

以上合計(jì)減員103人，按照張家峁公司系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用約為30萬元/a、人均收入10萬元/a計(jì)算，張家峁公司節(jié)約工資成本約為1000萬元/a。“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)建設(shè)總投資約為500萬元，回報(bào)周期為6個(gè)月，回報(bào)率為200% 。

6.2 提高生產(chǎn)效率

采用“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)進(jìn)行集中控制管理后，按照故障停機(jī)恢復(fù)縮短0.5 h/次計(jì)算，故障次數(shù)按照50次/a計(jì)算，系統(tǒng)出煤量按照2000 t/h計(jì)算，可以提高產(chǎn)能為6萬t/a。原煤均價(jià)按照500元/t計(jì)算，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為3000萬元/a。

綜上可得，該自動(dòng)化平臺(tái)帶來的經(jīng)濟(jì)效益為4000萬元/a。2017年9月，“1+9”總控-分控自動(dòng)化平臺(tái)被中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)授予全國“煤炭工業(yè)兩化深度融合示范項(xiàng)目”的榮譽(yù)稱號(hào)。