張 飛

（神東煤炭集團，陜西神木 719315）

0 引言

就傳統(tǒng)模式下的煤礦產(chǎn)業(yè)實際監(jiān)控系統(tǒng)而言，絕大多數(shù)借助控制儀器進行，在很大程度上受到煤礦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境影響和具體地點地勢影響等，而開發(fā)煤礦產(chǎn)業(yè)數(shù)字化監(jiān)測程序的程序人員也很容易受到各種條件約束，難以針對性地運用本地系統(tǒng)更好地服務集成，以構建現(xiàn)場內(nèi)部網(wǎng)絡的生產(chǎn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集程序。因此，傳統(tǒng)的監(jiān)控程序往往能較好地完成煤礦產(chǎn)業(yè)的實際工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控需求，但并不能使開發(fā)者有效訪問系統(tǒng)外部更加豐富的數(shù)據(jù)資源和信息資源，必須嚴格控制實際監(jiān)管系統(tǒng)應用程序行為以確保程序應用安全。

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和科技水平的不斷提升，自動化技術、人工智能技術等的不斷普及與應用，逐步提高了各行各業(yè)信息化建設水平和可持續(xù)性發(fā)展水平，煤礦產(chǎn)業(yè)同樣如此。而在現(xiàn)代社會信息化技術和工業(yè)化進程不斷推進的大背景下，國內(nèi)煤礦產(chǎn)業(yè)在其生產(chǎn)過程自動化以及信息化監(jiān)管方面取得了較大成績。與此同時，煤礦企業(yè)不斷要求增強系統(tǒng)可靠性、兼容性與開放性，在遠離煤礦采礦第一現(xiàn)場設備環(huán)境條件的基礎上，及時反映當前監(jiān)控設備的實際運行狀態(tài)，并對煤礦產(chǎn)業(yè)的實際生產(chǎn)狀態(tài)進行控制。在此條件下，遠程控制監(jiān)管及遠程控制技術應運而生，煤礦自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等不斷發(fā)展，為及時發(fā)現(xiàn)甚至提前判斷煤礦采礦設備故障，為確保煤礦企業(yè)生產(chǎn)安全奠定了堅實基礎。在此基礎上，對自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相關應用和研究也就具備了重要的理論意義和現(xiàn)實價值。

1 系統(tǒng)研究背景

眾所周知，當今社會是信息化時代，資源開采效率提高、資源利用效率等的提升是煤礦企業(yè)落實可持續(xù)性發(fā)展和綠色發(fā)展觀的重要外在體現(xiàn)，更是提高煤礦企業(yè)經(jīng)濟發(fā)展效益和市場發(fā)展?jié)摿?、甚至增強企業(yè)核心競爭力的根本要求。盡管在21 世紀初期，國家相關部門就積極要求煤礦企業(yè)不斷開展安全生產(chǎn)信息化建設，在一定時限后也取得了較為顯著的成績，但是隨著當代社會人工智能技術、物聯(lián)網(wǎng)技術以及大數(shù)據(jù)技術等的不斷普及和應用，在對現(xiàn)有煤礦企業(yè)信息化開采技術及數(shù)據(jù)采集技術等的大力分析情況下，不斷提出了全新的煤礦開采理念，不斷提升了加強煤礦企業(yè)設備利用效率等要求。在此情況下，神東礦區(qū)積極開展設備數(shù)據(jù)監(jiān)測及智能分析項目以及設備數(shù)據(jù)分析及健康管理項目等諸多活動，旨在將煤礦采礦業(yè)的綜采、機電、通風、安監(jiān)、人員、通信等多套系統(tǒng)設備實時監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息整合到完善的一套系統(tǒng)中，實現(xiàn)“一張圖”的全礦井的綜合監(jiān)管體系，最大化地強化集中調度和應急指揮水平，做到類似于PSI 公司區(qū)域自動化項目的實際效果。同時，盡可能融合神東礦區(qū)現(xiàn)有的管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時信息和業(yè)務管理的信息聯(lián)動升級，最大化提高機電設備的業(yè)務管理效率，并進一步借助數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計和處理實現(xiàn)量化機電設備管理指標，從而加強機電設備考核管理的目的，為后續(xù)設備數(shù)據(jù)資產(chǎn)信息的積累以及未來大數(shù)據(jù)技術的深度應用和實時優(yōu)化管理技術水平的不斷提升奠定基礎。

在此過程中，國家能源投資集團神東礦區(qū)現(xiàn)有遠程監(jiān)測13個礦井的采煤機、支架、三機、順槽膠帶機、主運輸膠帶機、主通風機等諸多設備，實現(xiàn)運行監(jiān)控7 個子系統(tǒng)，膠帶機122 部，21臺套主通風機以及28 個綜采工作面，為煤礦開采及其相關設備的運行狀態(tài)、故障處理和歷史數(shù)據(jù)信息分析等奠定了基礎，圖1為神東礦區(qū)7 個遠程監(jiān)測子系統(tǒng)分類示意。

進一步探究神東礦區(qū)綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用建設的研究背景可知，該礦區(qū)目前存在數(shù)據(jù)管理問題、資產(chǎn)管理缺乏數(shù)據(jù)支撐問題以及數(shù)據(jù)分析及健康管理體系不完善等三大問題。就數(shù)據(jù)現(xiàn)狀分析問題而言，數(shù)據(jù)采集難度較大，區(qū)域自動化的大柳塔礦、補連塔礦、上灣礦和哈拉溝礦等合計監(jiān)測169 600點，但全公司13 個礦井總計監(jiān)測點卻超過450 000，部分礦區(qū)數(shù)據(jù)點統(tǒng)計如表1 所示。從表1 可知，數(shù)據(jù)點大礦改前46 000個，大礦改后67 840 個；四礦改前115 000 個，四礦改后169 600 個。

圖1 神東礦區(qū)7 個遠程監(jiān)測子系統(tǒng)分類示意

表1 部分礦區(qū)數(shù)據(jù)點統(tǒng)計

另一方面，神東礦區(qū)數(shù)據(jù)監(jiān)測標準急需完善和統(tǒng)一。由于神東礦區(qū)現(xiàn)有信息化系統(tǒng)160 多個，部分相關系統(tǒng)之間實現(xiàn)端與端的集成對接，但數(shù)據(jù)共享度并不高，實際整合難度較大，需要運籌帷幄和統(tǒng)籌計劃。同時，設備管理中心僅在設備健康管理和大數(shù)據(jù)分析方面進行了相應的數(shù)據(jù)標準修訂，并不包括數(shù)據(jù)整合方面的標準信息統(tǒng)一。

2 煤礦自動化數(shù)據(jù)采集發(fā)展現(xiàn)狀

目前，隨著時代的變化與發(fā)展，煤礦企業(yè)的生產(chǎn)管理過程正發(fā)生著翻天覆地的變化。在煤礦企業(yè)的基層生產(chǎn)線上，由傳統(tǒng)模式下的集散控制模式發(fā)展到后期的現(xiàn)場總線控制模式，進而發(fā)展到近年來的遠程計算機控制模式；而在煤礦企業(yè)的管理層控制上，由傳統(tǒng)模式下的信息管理系統(tǒng)控制發(fā)展到現(xiàn)階段的企業(yè)資源規(guī)劃以及供應商管理、客戶關系管理等方面，在較大程度上直接提高了煤礦企業(yè)的實際管理水平和工業(yè)生產(chǎn)效率。然而，隨著煤礦生產(chǎn)工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構分化程度的越來越細和越來越多，絕大部分基層單元結構系統(tǒng)的復雜度和控制難度進一步提高，在增強工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)基層結構單元實際處理能力的同時，卻大幅度降低了基層結構單元自身和外界系統(tǒng)的交互能力，進而使煤礦工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部結構單元相對獨立，造成了一個個獨立的控制信息孤島。孤島效應的存在，不僅進一步加大了對工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)結構基本驅動程序以及外在用戶連接接口要求的不斷提高，甚至使傳統(tǒng)的可編程控制軟件與經(jīng)典的現(xiàn)場總線技術難以有效適應現(xiàn)階段較為分散的網(wǎng)絡拓撲結構，使工業(yè)區(qū)OPC 和信息化程度以太網(wǎng)技術邊緣化地嵌入傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)結構中，而大大降低了嵌入式結構提升網(wǎng)絡系統(tǒng)功能結構的實際功效。現(xiàn)如今，隨著可擴展性、可伸縮性互聯(lián)網(wǎng)公共信息網(wǎng)絡傳輸平臺的不斷普及和應用，越來越多的工業(yè)控制網(wǎng)絡應用系統(tǒng)選擇在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中開發(fā)，致使現(xiàn)階段應用程序開發(fā)者必須在脫離以往簡單模式的基礎上構建更加復雜的n層結構系統(tǒng)。也就是說，現(xiàn)今的應用程序開發(fā)者必須將眾多應用在網(wǎng)絡上的程序進行高度集成，在提高了軟件開發(fā)者精力集中于特有軟件商業(yè)價值提升專注度的同時，更大大節(jié)省了傳統(tǒng)模式下關注軟件系統(tǒng)基本結構構建所花費的時間與精力，較大地縮短了工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡軟件投放及應用的整體時間。此外，系統(tǒng)開發(fā)者的編譯效率也能在較大程度上得到明顯提高，而軟件系統(tǒng)的質量也能得到有效保障。其中，NET 開發(fā)平臺作為微軟公司提出的高度可擴展性、可伸縮性的互聯(lián)網(wǎng)公共信息傳輸平臺，為編程人員更優(yōu)秀開發(fā)工具和全新開發(fā)模式的選擇提供了技術支撐，更為開發(fā)工具的多樣化以及軟件工作人員構建系統(tǒng)的多樣化以適應企業(yè)實際發(fā)展需求等奠定了基礎。

3 神東綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

通常情況下，煤礦綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是解決基于Internetbus 現(xiàn)場總線的工業(yè)控制網(wǎng)絡結構和基于以太網(wǎng)Intranet 的兩種異構網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換問題，而由于基于Interbus 現(xiàn)場總線的工業(yè)網(wǎng)絡控制結構和基于以太網(wǎng)Intranet 的完全異構網(wǎng)絡結構的連接具有較大程度的困難，其硬件連接可借助網(wǎng)關、專用協(xié)議模塊以及通信端口等的兼容性和實時監(jiān)控等進一步實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡的連接，而根據(jù)不同的硬件接口形式采取不同的軟件方法，對其協(xié)議數(shù)據(jù)信息進行合理交換，從而完成對煤礦綜采工作面現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的訪問和采集。在此過程中，國家能源投資集團神東綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的整體架構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構

進一步探究神東綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)實現(xiàn)問題可知，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)在收集相應的煤礦礦山現(xiàn)場數(shù)據(jù)并完成現(xiàn)場實時傳遞數(shù)據(jù)的基礎上，將其相關數(shù)據(jù)信息解析后存入實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，進而完成整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的收集傳遞。當煤礦礦山現(xiàn)場所傳遞的數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)庫實時通信中斷時，就會進一步將其數(shù)據(jù)信息存儲在本地文件夾中，待數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫通信故障排除并恢復正常通信后，將本地文件夾中存儲的相關數(shù)據(jù)信息一并傳輸?shù)綄崟r數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

3.2 基于工業(yè)組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在以現(xiàn)場總線技術為基礎理論架構的煤礦礦山綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，任意類型的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息大多通過集中監(jiān)控系統(tǒng)傳遞而大幅度提升其實際操作效率，而絕大部分軟件開發(fā)者開發(fā)集中監(jiān)控系統(tǒng)主要采用工業(yè)組態(tài)軟件，為其提供現(xiàn)場總線技術網(wǎng)絡和以太網(wǎng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫之間的兼容性聯(lián)通。在基于工業(yè)組態(tài)軟件的綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)過程中，組態(tài)軟件方法能更便捷地實現(xiàn)整個實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和整理，且該方法簡便易行，可操作性較強和科學性較高。同時，在利用工業(yè)組態(tài)軟件對其綜采面自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行研發(fā)時，可進一步利用Active X 和Content Type 等軟件對其進行開發(fā)利用，將Windows 2000 Server 操作系統(tǒng)作為基本軟件支撐，利用SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫服務器，Java、ASP 等諸多開發(fā)軟件甚至IE 瀏覽器等為綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)相關功能目標的實現(xiàn)奠定一定基礎。同時，軟件開發(fā)人員還可進一步根據(jù)煤礦礦山現(xiàn)場的實際生產(chǎn)條件和參數(shù)信息要求制定相應的瀏覽器顯示主頁，并在運行主頁后的客戶端運行函數(shù)，對煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境進行監(jiān)控與管理。利用工業(yè)組態(tài)軟件開關量實現(xiàn)綜采面自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中涉及的管理網(wǎng)瀏覽器中的相關過程，并利用組態(tài)思想對實時數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)存儲過程進行指導，從而實現(xiàn)模擬量監(jiān)控與管理，借助Active X、Java 等技術輔助實現(xiàn)對動態(tài)網(wǎng)頁風格趨勢圖的監(jiān)控與管理?？傊?，基于工業(yè)組態(tài)軟件的綜采面自動化數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，能有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集、解析、存儲和傳遞，并能為煤礦作業(yè)系統(tǒng)及企業(yè)管理系統(tǒng)之間的兼容性連接提供一定支撐。

3.3 軟件開發(fā)與設計

神東綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件結構主要包括數(shù)據(jù)庫、I/O 驅動、HMI 設計等三大部分。就煤礦綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計問題而言，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是整個煤礦自動化平臺的重要部分和核心內(nèi)容，且數(shù)據(jù)庫主要完成相關歷史數(shù)據(jù)信息的檢索存儲、數(shù)據(jù)事故信息的處理存儲以及綜合數(shù)據(jù)信息的運算處理、統(tǒng)計和分析等諸多任務，借助綜采工作面自動化數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)的內(nèi)部協(xié)議共享煤礦開采及生產(chǎn)過程中的相關數(shù)據(jù)信息。

4 實際應用

對神東綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際應用情況的進一步分析發(fā)現(xiàn)，神東礦區(qū)在按照設備數(shù)據(jù)分析和健康管理實踐路線的基礎上，首先于2015 年10 月19 日開始制定起草綜采工作面開機率、有效生產(chǎn)時間及配套大修可行性分析周報表，進而針對性地建立了相應的數(shù)據(jù)模型，并提出了數(shù)據(jù)標準規(guī)范，為綜采面自動化數(shù)據(jù)信息的采集及試運行報表等的修訂打下了一定基礎。通過對報表合理性的分析改進，強化了對神東礦區(qū)綜采工作面開機率、有效生產(chǎn)時間及配套大修可行性分析周報表的優(yōu)化改良，組織各部門和各礦開會討論并驗證了數(shù)據(jù)分析部分的合理性和分析成果的實際應用狀況。2016 年5 月，神東礦區(qū)根據(jù)已確定的關鍵指標科學合理地設計了報表數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)過了綜采工作面設備開機率及配套大修可行性分析周報表的審定，進而確定生產(chǎn)效能計算公式，利用計算公式和計算數(shù)據(jù)直觀實時地反映了各礦的設備效率及其運行狀況。最后，對神東礦區(qū)的36 期綜采工作面設備開機率及其配套大修可行性分析周報表進行了統(tǒng)計分析，并在實現(xiàn)實時綜合監(jiān)測及觀察設備效能和設備運行狀態(tài)等系統(tǒng)功能的前提下，優(yōu)先解決了消耗人力最大的開停機統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。圖3 即神東礦區(qū)綜采工作面的開機率變化示意。

圖3 神東礦區(qū)綜采工作面開機率變化示意

5 結論

煤礦礦山自動化子系統(tǒng)的獨立存在及信息孤島效應等，嚴重制約了煤礦生產(chǎn)企業(yè)的未來發(fā)展和可持續(xù)性進步，而傳感器技術、自動化技術和大數(shù)據(jù)信息管理技術等的不斷應用，進一步加快了傳統(tǒng)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)、科學管理及高效運行的工業(yè)化進程。因此，針對煤礦礦山綜采工作面自動化數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的研究和應用，不僅能在一定程度上引導其他煤礦礦山企業(yè)對本礦山實際生產(chǎn)管理過程中的數(shù)據(jù)管理問題進行思考，還能為數(shù)據(jù)管理問題針對性解決方案的制定提供參考。