中煤科工集團重慶研究院有限公司 衛(wèi)文慧

基于礦井綜合自動化信息化系統(tǒng)的設計

中煤科工集團重慶研究院有限公司 衛(wèi)文慧

針對煤礦礦井生產(chǎn)過程的特點，介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)的綜合自動化信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將煤礦井上、井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工況信息進行有效集成、實時監(jiān)控，并對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析，實時監(jiān)控各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀態(tài)，達到“及時管控、及時調(diào)度、及時指揮、及時決策”的目標。

綜合自動化信息化系統(tǒng)；現(xiàn)場總線；工業(yè)以太網(wǎng)；接入方式

1 系統(tǒng)概述

礦井綜合自動化信息化系統(tǒng)[1]是在安全監(jiān)控、生產(chǎn)過程控制等各環(huán)節(jié),利用工業(yè)以太網(wǎng)平臺,實現(xiàn)信息的采集、傳輸、處理、存儲、監(jiān)視、控制、聯(lián)動和信息的綜合分析,達到生產(chǎn)過程中的無人化或少人化,以提高礦井的生產(chǎn)效率和安全系數(shù)。它將自動控制技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代化管理技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運行、控制和管理。

根據(jù)某煤礦的地理環(huán)境、氣候條件、人為、經(jīng)濟和系統(tǒng)的設計固有原則(安全性、成熟性、規(guī)范化、擴展化和可管理性原則)等因素,本文研究設計了一套符合現(xiàn)場生產(chǎn)要求的綜合自動化信息化系統(tǒng)。系統(tǒng)建成后,可實現(xiàn)對礦井各生產(chǎn)部門每一個環(huán)節(jié)的自動化控制,打破傳統(tǒng)煤礦“只監(jiān)視不控制”的概念,將礦井的各監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)及系統(tǒng)組成傳感器、監(jiān)控分站、通信系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、工作面狀態(tài)系統(tǒng)、交換機等各系統(tǒng)接入,集成到上位機的軟件平臺進行處理,并通過組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)顯示、超限報警提示等信息,并實現(xiàn)對礦井各生產(chǎn)設備的運程監(jiān)控和控制處理。

本系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能:實時數(shù)據(jù)采集與存儲、各生產(chǎn)設備的實時監(jiān)控、全局概要顯示、報警設備狀態(tài)顯示、在線組態(tài)設計、數(shù)據(jù)綜合分析、能夠?qū)Ω髯酉到y(tǒng)數(shù)據(jù)進行管理、分析與處理,各子系統(tǒng)以通用的接口和協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳送,定期提示影響煤礦生產(chǎn)的因素和時間,為監(jiān)控人員提供參考依據(jù),通過聯(lián)動控制功能模塊實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的信息共享及聯(lián)動,從而使各個獨立的系統(tǒng)緊密的聯(lián)系在一起。分析礦井生產(chǎn)過程中能耗與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)信息,指導管理人員對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進行優(yōu)化控制,節(jié)約能耗,提高產(chǎn)量,并建立數(shù)據(jù)庫,方便查詢。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

圖1是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖,整個系統(tǒng)分為硬、軟件兩個部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

硬件體系結(jié)構(gòu)分為管理層、控制層和設備層三層結(jié)構(gòu),各層結(jié)構(gòu)分別集成到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸管理監(jiān)控平臺。管理層由環(huán)網(wǎng)構(gòu)成,管理人員在軟件集中平臺查看各生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)信息,并將信息公布,方便全礦的信息化管理,管理層主要設備包括服務器、信息層、核心交換機等。

控制層在工業(yè)以太網(wǎng)上接入的工作站上,通過軟件集中平臺向設備層發(fā)送指令,并實現(xiàn)對各子系統(tǒng)設備的集中控制,或?qū)λ性O備和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。控制層設備主要由操作站、數(shù)據(jù)庫服務器和網(wǎng)絡交換機等設備組成。

設備層控制礦井各子系統(tǒng),實時監(jiān)控各子系統(tǒng)的狀態(tài),并保證各子系統(tǒng)的可靠性,設備層現(xiàn)場總線的接入,易于與信息層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,具有良好的擴展性,實現(xiàn)管控一體化,設備層是具體的執(zhí)行者。

2.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

軟件體系結(jié)構(gòu)包含集成平臺軟件、組態(tài)軟件、信息交流軟件和組網(wǎng)軟件等,能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的運行集成控制、實時監(jiān)視和信息共享,自動化軟件由定制軟件實現(xiàn)對信息集成處理,以確保對PLC類系統(tǒng)和非PLC類系統(tǒng)的全面支持。利用交換機傳送的數(shù)據(jù),將各生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)信息集中處理,為管理人員提供依據(jù),并提供強大的數(shù)據(jù)庫技術(shù)支持,形成環(huán)網(wǎng)綜合分析處理決策系統(tǒng),將所有設備的運行狀態(tài)信息集中在上位機顯示。圖2為軟件體系結(jié)構(gòu)。

圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)

3 數(shù)據(jù)傳輸平臺設計

由于各個子系統(tǒng)所用設備和通信技術(shù)不同,為達到全系統(tǒng)自動控制、信息交互,需選擇一個開放的通信平臺,將各個子系統(tǒng)的通信統(tǒng)一到標準的通信平臺上。本方案選擇工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP技術(shù)作為整個系統(tǒng)的通信標準[2],其他總線結(jié)構(gòu)方式均通過總線端口轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)信息包,以滿足系統(tǒng)良好的兼容性和擴展性。

為保證工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸不發(fā)生網(wǎng)絡堵塞現(xiàn)象和考慮冗余問題,本文選擇建設1000Mbit/s以太網(wǎng)作為傳輸平臺。另外,為了保證數(shù)據(jù)的實時性和可靠性[3],各個子系統(tǒng)內(nèi)部采用現(xiàn)場總線方式通信,各個子系統(tǒng)現(xiàn)場設備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)場總線傳輸?shù)絇LC或其控制站,然后通過以太網(wǎng)接口上傳到工業(yè)以太網(wǎng)進行傳輸。因此,整個系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線方式進行通信。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸平臺要求

(1)地面主干網(wǎng)速率:1000Mbps;

(2)井下主干網(wǎng)速率:1000Mbps;

(3)環(huán)網(wǎng)重構(gòu)時間:〉50ms;

(4)支持基于WEB的網(wǎng)絡管理系統(tǒng);

(5)支持全雙工,半雙工運轉(zhuǎn);

(6)整個系統(tǒng)控制網(wǎng)采用工業(yè)級設備;

(7)系統(tǒng)支持光纖冗余環(huán)網(wǎng)工作模式,節(jié)點故障不影響整個系統(tǒng)的運行,自恢復時間短;

(8)多主井并發(fā)模式,支持組態(tài)軟件,組建監(jiān)控軟件平臺。

3.2 環(huán)網(wǎng)冗余方式

采用單節(jié)點環(huán)網(wǎng)冗余方式,允許出現(xiàn)一處光線斷點,設計在井下和地面各組建一個環(huán)網(wǎng),核心交換機采用雙冗余方式。

3.3 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

本設計網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)式在指揮調(diào)度臺設置交換機,交換機采用環(huán)網(wǎng)光纖數(shù)據(jù)通訊技術(shù),形成一個整體結(jié)構(gòu)。環(huán)網(wǎng)覆蓋范圍如下:

(1)機房核心交換機:在調(diào)度中心機房配置2臺三層核心交換機;

(2)地面環(huán)網(wǎng):在110KV變電站,通風機房,主、副井提升機房等7個節(jié)點,設7臺1000M三層環(huán)網(wǎng)交換機,組成地面環(huán)網(wǎng),并配置1臺擴展設備;

(3)井下環(huán)網(wǎng):在上倉膠帶機頭,各采區(qū)變電所,井下中央變電站等6個節(jié)點,設6臺1000M三層環(huán)網(wǎng)交換機,組成井下環(huán)網(wǎng),并配置1臺擴展設備。

4 子系統(tǒng)接入設計

礦井綜合自動化信息化系統(tǒng)的建設[4],要保證系統(tǒng)硬軟件平臺與各個子系統(tǒng)進行可靠、實時和高效的信息交互,就必須滿足兩個基本條件:(1)實現(xiàn)子系統(tǒng)設備與軟件處理平臺之間形成有效的數(shù)據(jù)連接,并對需要采集的數(shù)據(jù)信息、設備的狀態(tài)進行定義;(2)提供有效的交流平臺,方便數(shù)據(jù)的互訪模式。

4.1 硬件接入方式

根據(jù)各系統(tǒng)的特點,考慮礦井設備位置的分布和接入技術(shù)的特點,可考慮以下四種接入方式。

(1)上位機接入方式:實現(xiàn)上位機與交換機進行物理上的網(wǎng)絡連接,上位機獲取信息,多采用此接入方式。

(2)PLC接入方式:支持OPC標準,使硬、軟件平臺之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個實現(xiàn)的標準,分布式I/O連接,通過交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的鏈接。

(3)嵌入式控制器接入方式:通過網(wǎng)口與交換機之間連接,進行數(shù)據(jù)的互訪。

(4)擴展接入方式:支持RS485通訊方式、現(xiàn)場總線,通過轉(zhuǎn)換器,擴展接口與交換機進行通訊,進行數(shù)據(jù)的傳遞。

4.2 軟件接入方式

采用以下四種通訊方式:

(1)DDE:動態(tài)數(shù)據(jù)交換通訊形式,它使用共享的內(nèi)存在應用程序之間進行數(shù)據(jù)交換,它能夠及時更新數(shù)據(jù),在兩個應用程序之間自動更新信息,無須用戶參與,服務器應用程序根據(jù)該信息作出應答,從而實現(xiàn)兩個程序之間的數(shù)據(jù)交換。

(2)FTP:客戶端與數(shù)據(jù)端之間使用單獨的數(shù)據(jù)交換機制。

(3)OPC∶基于腳本編程語言而定義的標準接口。

(4)IE連接:通過IE瀏覽器與網(wǎng)站的服務器建立的地址鏈接。

5 總結(jié)

率、降低故障災害有著重要的作用,通過各系統(tǒng)的聯(lián)動和資源共享,實現(xiàn)了礦井各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時采集共享,對礦井設備進行遠程監(jiān)控和管理,達到了管控一體化的礦井生產(chǎn)要求。

［1］梁敬敬,丁繼存,于秀磊.基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦綜合自動化系統(tǒng)［J］.煤礦機械,2012(03):242-244.

［2］張杰,于含.煤礦綜合自動化系統(tǒng)的解決方案的研究［J］.煤礦機械,2012 (10):254-255.

［3］錢建生,馬姍姍,孫彥景.基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦綜合自動化系統(tǒng)設計［J］.煤炭科學技術(shù),2011,39(02):73-76.

［4］羅驅(qū)波,孫彥景,錢建生.煤礦綜合自動化系統(tǒng)的研究與設計［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保,2008,35(03):4-6.

實踐證明,綜合自動化信息化系統(tǒng)對提高生產(chǎn)效

衛(wèi)文慧（1983—），男，安徽無為人，工程師，主要從事礦用安全儀器儀表、監(jiān)控系統(tǒng)、有線/無線通信、救生艙的研究和檢驗工作。