邱 浩 王然風(fēng) 趙曉蔚

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.太重煤機(jī)有限公司，山西省太原市，030032)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中的大力發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)裝備智能化、資源利用合理化為目標(biāo)的智能化選煤廠成為主要發(fā)展趨勢。在此背景下，2018年1月18日, 山西焦煤集團(tuán)出臺了《智能化選煤廠五年規(guī)劃》, 目標(biāo)就是要達(dá)到選煤生產(chǎn)透明化、選煤信息精細(xì)化和選煤決策智能化。

選煤廠副產(chǎn)品煤質(zhì)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括尾煤煤泥灰分檢測，不僅可以了解浮選過程分選環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率，而且可以監(jiān)測生產(chǎn)的尾煤煤泥品質(zhì)，使浮選精煤得到最大的經(jīng)濟(jì)效益，對有壓給料三產(chǎn)品環(huán)節(jié)選后矸石的采樣化驗(yàn)有助于分析重介質(zhì)選礦工藝生產(chǎn)的精煤質(zhì)量。高陽選煤廠為了實(shí)現(xiàn)自動化、信息化和智能化的目標(biāo)，在矸石帶式輸送機(jī)上安裝了自動采樣機(jī)以及在尾煤帶式輸送機(jī)上安裝了無源灰分儀設(shè)備，同時(shí)安裝了視頻監(jiān)控設(shè)備，由于無源灰分儀設(shè)備、自動采樣裝置以及視頻監(jiān)控設(shè)備分別由不同的自動化廠家生產(chǎn)，采用不同的通信協(xié)議，導(dǎo)致3個(gè)系統(tǒng)之間的驅(qū)動程序互不兼容，因此監(jiān)控軟件通信相對獨(dú)立，所以只好在監(jiān)控室為每個(gè)系統(tǒng)配置一套通信線路和工控機(jī)，造成3個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能共享，系統(tǒng)在更新、擴(kuò)展和維護(hù)方面較為困難。

為了解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)不相容和無法遠(yuǎn)程監(jiān)控的弊端，實(shí)現(xiàn)智能化和信息化選煤的要求，本文采用OPC技術(shù)與.NET平臺技術(shù)將上述3個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)統(tǒng)一為1個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)將監(jiān)控系統(tǒng)在汾西礦業(yè)集團(tuán)環(huán)網(wǎng)內(nèi)發(fā)布。統(tǒng)一后的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高陽選煤廠、高陽煤礦、汾西礦業(yè)集團(tuán)獲得權(quán)限的相關(guān)管理人員通過Web瀏覽的形式遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場無源灰分儀測量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制自動采樣機(jī)和查看現(xiàn)場視頻信號。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

高陽選煤廠副產(chǎn)品煤質(zhì)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于OPC技術(shù)及.NET 平臺設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)備和原有現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增加上層數(shù)據(jù)處理層和Web應(yīng)用層形成三層系統(tǒng)架構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中各硬件設(shè)備通過光纖和網(wǎng)線連接，同時(shí)接入汾西礦業(yè)集團(tuán)環(huán)網(wǎng)，底層硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至OPC服務(wù)器，上層監(jiān)控設(shè)備通過Web服務(wù)器發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)解決了原有監(jiān)控系統(tǒng)不能遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)不能共享的弊端，具有良好的開放性和統(tǒng)一性，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 選煤廠副產(chǎn)品煤質(zhì)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

(1)硬件設(shè)備層。硬件設(shè)備層位于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的底層，主要包括尾煤帶式輸送機(jī)上安裝的無源灰分儀、矸石帶式輸送機(jī)上安裝的矸石采樣機(jī)、視頻監(jiān)控設(shè)備。無源灰分儀采用開封市測控技術(shù)有限公司NGAM-2008天然γ射線灰分儀(無源灰分儀)，矸石采樣機(jī)通過西門子PLC1200控制，視頻監(jiān)控設(shè)備采用?？低暪镜臄?shù)字?jǐn)z像儀，在.NET平臺可以很方便地通過海康威視提供的編程接口把視頻信號嵌入到監(jiān)控頁面里，節(jié)省開發(fā)時(shí)間。這些硬件設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測尾煤煤泥灰分?jǐn)?shù)據(jù)，PLC控制信號和視頻信號通過OPC通用協(xié)議傳輸?shù)絆PC XML-DA服務(wù)器。

(2)數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層位于系統(tǒng)的中間層，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。主要包括OPC XML-DA服務(wù)器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和視頻服務(wù)器。OPC XML-DA服務(wù)器根據(jù)《OPC XML-DA 規(guī)范1.01版》設(shè)計(jì)。Web服務(wù)器(相當(dāng)于OPC客戶端同時(shí)也是Web客戶端的服務(wù)器端)配置有.NET平臺，在.NET平臺下通過C#設(shè)計(jì)服務(wù)器端，利用Web 頁面中的 Java Script、HTML、CSS來進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，以 XML作為瀏覽器和Web 服務(wù)器通信的手段，然后使用IIS發(fā)布到局域網(wǎng)內(nèi)。數(shù)據(jù)服務(wù)器作為SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的載體，管理現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)，建立規(guī)范的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。視頻服務(wù)器主要作為監(jiān)控視頻存儲以及為Web服務(wù)器提供視頻接口。

(3)Web 應(yīng)用層。Web 應(yīng)用層主要針對的是遠(yuǎn)程用戶，包括高陽選煤廠、高陽煤礦、汾西礦業(yè)集團(tuán)任意獲得權(quán)限的用戶可以使用瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看和遠(yuǎn)程控制。

2 OPC XML-DA服務(wù)器設(shè)計(jì)

2.1 OPC簡介

OPC(OLE for Process Control)以COM/DCOM(組件對象模型/分布式組件對象模型)技術(shù)為基礎(chǔ)制定，解決了傳統(tǒng)工控系統(tǒng)存在的通信弊端。OPC技術(shù)制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)接口，采用這些對象接口，上層客戶端不需要考慮底層硬件設(shè)備，直接讀寫OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)。2003年，OPC基金會推出OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范3.0版，通過OPC DA服務(wù)器收集不同底層設(shè)備數(shù)據(jù)，使得底層硬件驅(qū)動程序與上層客戶端軟件開發(fā)互不影響。隨著萬維網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為解決OPC技術(shù)在Internet環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，OPC基金會又發(fā)布OPC XML-DA數(shù)據(jù)規(guī)范，通過Web Servers技術(shù)使客戶端與服務(wù)器通過HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2 OPC服務(wù)器設(shè)計(jì)

隨著OPC技術(shù)的發(fā)展，大部分自動化廠家都有自己的OPC DA服務(wù)器，所以在開發(fā)應(yīng)用中進(jìn)行二次開發(fā)，通過Wrapper技術(shù)包裝成OPC XML-DA服務(wù)器，如德國西門子公司的SIMATIC NET軟件以及北京亞控科技提供的組態(tài)王軟件都可以當(dāng)做OPC DA服務(wù)器。選煤廠副產(chǎn)品煤質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)為了開放性和統(tǒng)一性考慮，也為信息化選煤廠建設(shè)提供思路，采用gSoap開發(fā)工具直接從底層開發(fā)OPC XML-DA服務(wù)器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OPC XML-DA服務(wù)器基本結(jié)構(gòu)

OPC XML-DA服務(wù)器主要包括下層數(shù)據(jù)采集管理模塊和上層數(shù)據(jù)封裝及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，下層模塊根據(jù)傳統(tǒng)OPC DA服務(wù)器設(shè)計(jì)，下層模塊將采集的不同格式的數(shù)據(jù)通過SOAP技術(shù)封裝為統(tǒng)一的XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過 HTTP 與遠(yuǎn)程客戶程序進(jìn)行通信。通過gSoap開發(fā)工具開發(fā)的OPC XML-DA服務(wù)器主要分為4個(gè)部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)聽層通過HTTP協(xié)議主要負(fù)責(zé)處理遠(yuǎn)程客戶端請求消息，消息處理層的設(shè)計(jì)主要處理上一層解析出來的SOAP消息，然后按照相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳遞給服務(wù)調(diào)用執(zhí)行層，這兩個(gè)部分都采用gSoap開發(fā)工具提供的功能性函數(shù)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來開發(fā)完成。服務(wù)調(diào)用執(zhí)行層通過規(guī)定的8個(gè)服務(wù)的定義，制定標(biāo)準(zhǔn)接口讀取底層傳過來的數(shù)據(jù)。OPC數(shù)據(jù)存取接口層主要是對服務(wù)器的地址空間管理、數(shù)據(jù)管理以及內(nèi)部服務(wù)管理功能，后兩個(gè)部分分別由COPCXMLDAServer和COPCDAServer這兩個(gè)類完成。

圖3 OPC XML-DA服務(wù)器總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3 客戶端設(shè)計(jì)

OPC XML-DA服務(wù)器通過OPC協(xié)議將不同硬件設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，同時(shí)采用Web Services 技術(shù)將數(shù)據(jù)接口封裝。OPC客戶端同時(shí)也是Web的服務(wù)器，客戶端配置為.NET編程環(huán)境，直接從封裝好的接口讀取數(shù)據(jù)。使用Java Script、HTML、CSS來設(shè)計(jì)監(jiān)控網(wǎng)頁，設(shè)計(jì)好的網(wǎng)頁通過IIS技術(shù)發(fā)布在汾西礦業(yè)集團(tuán)環(huán)網(wǎng)，這樣高陽選煤廠、高陽煤礦、汾西礦業(yè)集團(tuán)就可以通過瀏覽器實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)?？蛻舳嗽O(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1 數(shù)據(jù)存取訂閱

客戶端與OPC XML-DA服務(wù)器通信方式在異步獲取方式基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，通過采用“建立訂閱→不斷查詢所訂閱的數(shù)據(jù)項(xiàng)→退出訂閱”的方式來獲取OPC XML-DA服務(wù)器的數(shù)據(jù)，主要用到.NET平臺下C#編程的Subscription、Subscrip-tion Polled Refresh 、Subscription Cancel 這3個(gè)函數(shù)，數(shù)據(jù)存取訂閱設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 客戶端設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)

圖5 數(shù)據(jù)存取訂閱設(shè)計(jì)

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 登錄界面實(shí)現(xiàn)

高陽選煤廠副產(chǎn)品煤質(zhì)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在整個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布，為了保證操作的合理性和安全性，需對系統(tǒng)設(shè)置登錄管理體系，將工作人員分為3個(gè)等級權(quán)限，一級權(quán)限不僅可以查看尾煤煤泥灰分?jǐn)?shù)據(jù)和視頻信號、遠(yuǎn)程操作矸石采樣機(jī)以及報(bào)警信息處理，而且可以管理其他權(quán)限用戶；二級權(quán)限可以查看尾煤煤泥灰分?jǐn)?shù)據(jù)和視頻信號以及遠(yuǎn)程操作矸石采樣機(jī)；三級權(quán)限只能查看各種設(shè)備信息，不能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。登錄界面主要通過用戶名和密碼的方式進(jìn)行驗(yàn)證，在.NET平臺使用SQL Data Reader對象的Has Rows屬性與數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。同時(shí)在用戶身份匹配成功后，對其登錄時(shí)間和動作事件數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄管理。

3.2.2 功能界面實(shí)現(xiàn)

高陽選煤廠副產(chǎn)品煤質(zhì)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能界面主要包括尾煤煤泥灰分界面、自動采樣機(jī)監(jiān)控界面以及視頻監(jiān)控界面。尾煤煤泥灰分界面主要展示灰分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史報(bào)表數(shù)據(jù)這兩類數(shù)據(jù)，灰分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要實(shí)時(shí)讀取OPC XML-DA 服務(wù)器的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)每分鐘更新一次，設(shè)計(jì)里采用了.NET編程環(huán)境的AJAX 應(yīng)用程序中的 Update Panel控件，該控件可以在無刷新頁面的情況下，提交更新服務(wù)器控件，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)更新；歷史報(bào)表數(shù)據(jù)主要在.NET平臺下用Gridview 控件實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用ADO.NET作為數(shù)據(jù)訪問接口，通過 SQL 查詢指令讀取SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)，尾煤煤泥灰分實(shí)際監(jiān)控界面如圖6所示。

自動采樣機(jī)監(jiān)控界面主要包括采樣機(jī)狀態(tài)信息，報(bào)警信息展示和遠(yuǎn)程采樣，在功能實(shí)現(xiàn)上主要是使用OPC XML規(guī)范提供的Read(數(shù)據(jù)讀取函數(shù))，Write(數(shù)據(jù)寫入函數(shù))兩個(gè)服務(wù)讀寫 OPC XML-DA 服務(wù)器的數(shù)據(jù)，自動采樣機(jī)實(shí)際監(jiān)控界面如圖7所示。

圖6 尾煤煤泥灰分實(shí)際監(jiān)控界面

圖7 自動采樣機(jī)實(shí)際監(jiān)控界面

4 結(jié)語

高陽選煤廠副產(chǎn)品煤質(zhì)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使用OPC協(xié)議和.NET平臺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)一了選煤廠原有各獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，為選煤廠信息化和智能化建設(shè)提供了新的思路。該系統(tǒng)2018年1月開始在高陽選煤廠安裝調(diào)試到2018年8月調(diào)試完成，成功把原有的3個(gè)獨(dú)立的副產(chǎn)品監(jiān)控系統(tǒng)集成到一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理，降低了現(xiàn)場設(shè)備的維護(hù)難度，另外管理人員可以通過瀏覽器獲取相關(guān)權(quán)限后，遠(yuǎn)程查看副產(chǎn)品煤質(zhì)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。該系統(tǒng)在高陽選煤廠改造完成以來運(yùn)行穩(wěn)定，項(xiàng)目實(shí)施方案和技術(shù)具有普遍性，而且系統(tǒng)在Web服務(wù)器設(shè)計(jì)時(shí)就對Android和IOS數(shù)據(jù)接口部分做了考慮，為手機(jī)APP客戶端的開發(fā)提供了可能，計(jì)劃將推廣到整個(gè)汾西礦業(yè)集團(tuán)，搭建整個(gè)汾西礦業(yè)集團(tuán)副產(chǎn)品煤質(zhì)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，完成智能化選煤廠的建設(shè)目標(biāo)。