淺析數字化礦山系統

王蕓博

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

淺析數字化礦山系統

王蕓博

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

文章主要介紹了數字化礦山系統的內容與體系結構功能，闡述了層次架構的概念，數字化礦山體系及軟體平臺實現，數字化礦山子系統融合給煤礦行業帶來的安全生產優越性，實施數字化礦山系統是為礦山安全生產保駕護航的意義所在。

數字化礦山；層次架構；軟體平臺；子系統

20世紀80年代后期，我國煤炭事業得到了大力發展與開拓。中國入世后進行了工業產業大發展，煤炭作為一個突出能源行業更是迎來了歷史性的春天，出現了形形色色的礦山開采企業與開采工作。隨之而來的是高風險、高事故的發生，給人們的生活、家庭帶來了嚴重的影響，給社會也帶來了嚴重不良后果，同時對礦山的開采更是帶來了很大的難題。

我國礦山普遍存在高危隱患，如高瓦斯、高水量、高地熱、松散巖層等等因素給礦山開采帶來了重大課題。大家都在探討尋求如何開好礦、如何保安全、如何增高產、如何高效率、如何提高礦山企業的競爭能力，拓寬企業的大發展路子成為了心中一愿。

時代的變遷發展，經歷了幾次工業革命，許多行業經歷了機械化生產——自動化生產發——信息化生產——數字化生產管理，在一次次的變革中，為我們積累了經驗、打下了基礎。隨著計算機技術、網絡技術、自動化控制技術、數字空間技術的迅速發展，并在其他行業的應用，開始出現了集DCS、中央集控、調度、管理、經營于一體的綜合數字化管理新模式，并將之引入礦山，給礦山安全生產發展帶來了新的保障。

一、數字化礦山系統概述

數字化礦山系統，采用了高度的信息技術、數據空間技術、軟件技術、網絡硬件服務平臺、自動化控制技術及儀器儀表的智能化技術。數字化礦山不是自動化、硬件、軟件的一個簡單相加，而是靠一體化縱覽全局的高度的思維與實際深入的研究，設計出一套符合礦山時代意義的框架，將各個機能和諧完美地統一，將礦山安全生產調度的決策管理智能系統提升到一個新的領域。數字化礦山是從底層儀器工作設備、自動控制系統、網絡通信平臺、硬件服務支撐平臺到軟件的開發應用，從數據中心倉儲到MIS、MES、ERP的有機結合。數字化礦山真正的概念是上升到做出正確的安全生產調度、安全決策分析，以及完美的控制與管理，將安全與生產并行、決策與管理同進。而綜合自動化系統只是一個單一機能的建設，并非數字化礦山的全部概念。

數字化礦山系統，是對井上井下完全自動化、信息化、數字化，也達到無人值守的智能化控制管理平臺，主要對礦山的風、水、電、采、掘、運、頂板、瓦斯、透水、洗選、產量監控、銷售、辦公信息化管理、井上井下工業自動化環網及信息化平臺MES、礦山ERP等提出一套一體化解決方案，真正達到了管控一體化、智能化來為礦山安全生產發展保駕護航。

數字化礦山系統能對礦井實時情況實現無人值守而自動監測、自動報警、系統應急預警，能確保安全檢查的準確、實時、快速運行，保證搶險救災、安全救護的高效運作，對煤炭開采各生產工作作出周密的調度管理，對煤炭開采各生產成本指標作出科學、全面的統計分析，對單位內部員工作出詳盡、周密的人事安排管理，并提供全面系統的決策資料，成為各級領導對煤礦管理作出科學決策的最佳助手。

二、數字化礦山系統架構

數字化礦山是一個復雜的系統工程，其基本框架由工業基礎自動化系統（包括工業自動化的三網絡體系結構、工業總線、工業數據通信協議）、數據采集與分析處理系統、調度監控與安全預警系統、實時監控與實時安全預警系統、工業網絡與辦公網絡及服務存儲支持平臺、綜合管理信息系統、軟件管理應用系統等多部分組成；從基礎理論與模型、礦山空間信息的數字化及礦山數據倉庫建設、礦山網絡傳輸平臺、礦山各子系統、各種相關業務流程、專業綜合信息化平臺相結合礦山MES、ERP等幾方面進行總體建設。

1.數字化礦山系統總體架構

數字化礦山系統根據CIMS原理的三層架構 (即ERP／MES／PCS體系架構)理念，提出了數字化礦山體系結構思想。在這里，數字化礦山系統分為“信息層”“網絡層”“控制層”和“設備層”四層體系結構。實現了井上、井下各個生產系統、各個生產環節的安全生產和設備運行狀況的實時監測和集中、遠程控制，對礦山的生產、運銷、管理、存儲進行有效的管理，提高了礦井生產自動化和管理現代化水平。實現全礦井的統一智能化管理（系統架構圖文字解釋）。

數字化礦山系統模型結構文字解釋：

（1）信息層（其涵蓋范圍定位）：移動遠程監控管理；多級連網業務合作監控管理；稱動辦公系統門戶；MES；MIS；ERP；軟體集成；GIS（虛擬現實）；數據倉儲中心；多業務數據庫；數據服務。

（2）網絡層（其涵蓋范圍定位）：數據信息傳輸平臺；無線通信；工業環網；企業信息網；安全監管系統。

（3）控制層（其涵蓋范圍定位）：工業三層模型結構；PLC；PAC；DCS；數據采集協議（P、M、I）。

（4）設備底層（其涵蓋范圍定位）：數據采集；智能設備；各生產系統設備；I/O模塊；嵌入式接口等。

2.工業自動化三層模型

自動化控制系統采用自動化領域的三層網絡結構思想，分為 Device Net、Control Net、Ether Net進行設計規劃，主線是現場總線架以太網絡的方式去實現各個子系統的管理與控制，信息化的發布與傳播及環境參數等的連續監測和數據采集、傳送、記錄、圖形顯示、數據分析計算、控制設備動作、報表輸出等功能。

（1）DeviceNet(設備層)

設備層，結合了高低壓配電集成、儀器、電器設備、變頻軟啟、智能開關等等以工業總線方式進行整合來為控制層提供服務。

隨著礦山智能設備、安全設備的產生與加工配套，提供了一套可行性智能型底層智能儀器儀表設備（通過實際應用與研究開發），我們將智能化深入基層，從而提高上層更為可管控的智能化程度，從而達到傳統與現代的結合，并用于我們的生產中。

（2）ControlNet（控制層）

控制層，是總線協議結構體，實現生產過程中監控、操作、管理配置，對系統編程管控，現場生產管控執行，它結合了工業自控專屬協議（如：Modbus、profibus等），以PLC、PAC、嵌入式等可編程控制設備來完成對底層設備的啟停與監控相結合。控制層是對各系統的監測與控制，對工藝生產流程進行準確控制，并為上位系統提供精確的HMI監控管理數據。

（3）EtherNet（信息層）

信息層，為工業生產系統提供了形象的HMI工藝監控業務流程、事件控制和告警，并以信息化的手段進行監控管理，可對各工業系統進行流程控制與生產過程操作控制，完成工業自動控制監管全過程。

數字化礦山系統中工業三層模型是完成工業生產控制與集散控制的核心所在，它完成了工業自動化的一個時代意義。工業自動化三層模型是將工業生產過程管理與信息管理、設備管理、集散控制進行了分布式整合，完美統一于工業自動生產中，使機械大生產轉型為工業自動控制生產。它將工業生產過程實現檢測、控制、調度、管理，以達到提高產品品質和產量、降低生產消耗、確保安全等目的。

3.礦山工業環網系統

工業以太網絡技術是現代自動控制技術和信息網絡技術相結合的產物，無論過程控制或離散控制，工業以太網都將是廣大工業自動化用戶的最佳選擇。

在監控工程控制系統中，采用基于工業以太網的集成式分布控制系統具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點，同時也可以做到數據、語音和視頻“三網合一”。

工業環網建設采用以太網＋TCP/IP協議作為其通信與控制標準。工業環網采用光纖雙環藕合結構，千兆工業環網的實施成功既避免了網絡傳輸瓶頸，又大大節省了投資。網絡結構以三層網絡模型為主導（核心層、藕合層、接入層）主干以全千兆全雙工模式，接入以百兆方式進行接入，藕合有一點的分中心功能進行設計。

工業環網保證了數字礦山系統運行，基于數據采集、數據傳輸、監管與控制相融合統一，在工業生產過程中，監控管理和諧統一，將各生產子系統完美整合到一個監管平臺中來，結束了工業時代的“八國連軍”混戰的局面，將分散的生產系統整合，將礦山信息孤島進行融會貫通。

4.礦山辦公網絡系統

作為重要的能源生產型行業，沒有信息化網絡將對其發展產生重大制約，對礦山安全生產管理、科學化管理、科學化策略等方面有重大影響。礦山的高度發展，應當以當代先進的科學武器為后盾，以更為科學化的生產方式、管理方法來迎接明天的輝煌，因此我們就要用最先進的利器“網絡”來為我們提供服務。

信息網絡建設采用TCP/IP協議作為其通信標準，以信息化園區網絡結構為主導思想，將網絡分級分工，易于操作與管理。信息網絡模式采用光纖分布星型與擴展星型結構架設，可采用大型應用，選擇多業務化多元化的分段分工，走全動態路由或全靜態路由模式進行分工合作，在網絡安全上也做出標準定位，保證網絡安全、信息大集成、融合各部各業務范圍。

有了網絡，我們能信息一體化、管理一體化、生產一體化、安全生產管理一體化，最終實現了礦山所需要的“管控一體化服務”，這樣上級與下級直到生產現場都是一個透明的管理過程，更有利于發展，更有利于生產效率的提高，對生產、管理、煤礦安全控制更為有效。

5.工業子系統接入

礦山工業子系統融合接入是數字化礦山實現的重要點，它將礦山各功能子系統完美統一到一個平臺中管理監測與控制，由此也將工業自動化中的“DCS”進行了新意義的詮釋。

礦山子系統從數量功能上、工業標準上、數據通訊協議上、地域位置上都各有不同、混亂不堪，如何走統一路線呢？這就需要我們從工業總線時代向信息TCP/IP時代靠近過渡。在子系統接入方面，我們采用如下方式進行接入：上位機接入、PLC接入、子網絡接入、擴展接入、自主研發嵌入式接入、子系統軟件接入方式、OPC通訊、驅動通訊、DDE/NetDDE。

子系統的接入需要編程開發、嵌入式二次開發、數采集器與通信網絡和網絡服務通信接口、數據通訊接口等來整合到統一管理平臺中來。

接入后系統保證功能與性能完整，接入管理平臺是以嵌入式開發，系統完全符合各礦山應用監控系統工藝流程與監控監測，并集成原有系統的主要功能，提供集散控制方式、遠程控制方式。

通過子系統的融合，我們初步讓礦山實現了一個中高度的統一合作，生產、分工管理、監視、監控統一到一個平臺中來，同時也為我們的上層建筑提供了服務基礎。

6.系統聯動集成

數字化礦山系統的高度與標準就是一體化的監控管理與服務、系統的聯動集成完美統一。讓管理者、決策者足不出戶或是讓遠程監管者只需動動鼠標便能了解礦山的整體情況與各生產系統的詳情、礦山各業務部門的工作情況等等，讓管理者更為出色，讓決策者更為精明，對礦山的安全生產運行、動態分配監管了如指掌。

數字化礦山系統聯動集成涵蓋了以下方面：

（1）軟件方面

軟體是礦山管理最為形象與直觀的管理手段，一切都在標準中進行。各個業務系統的不同更有相應的軟件作為支撐，如何讓這些業務進行融合，礦山軟體如何監測控制數據分析處理、倉儲、生產監控、運銷供存、財務管理、輔佐決策生產，讓各類軟件系統統一到一個軟件平臺上來，這都是我們要達到的目標，也是我們所說的多級模型聯動管控。

系統需要融合一個作業多鏈來完成，簡述為“PCS向MES提升，MES向MIS提升，MIS向ERP融合”。打造出一套符合安全生產、符合調度管理、符合決策輔佐，并分級分模塊化，數據倉儲中心，分級管理級別與權限化實施。

虛擬現實監控監測，數字三維真實地模擬出礦山的現實場景，數字化三維礦井集成了先進的信息技術、礦山控制技術、三維虛擬現實技術等，在此基礎上也高度地集成了礦井安全監控信息、人員定位信息、設備管理信息、井下智能交通信息、礦井儲量與煤層分布信息、產量監控信息、災害預警信息、礦井綜合自動化等系統信息，描述了礦山中每一點的全部信息，并將所有信息通過三維框架直觀地展示，賦予了煤炭工業嶄新的內容。

（2）硬件平臺方面

將各業務系統盡可能統一通訊監控管理接口，統一傳輸方式與傳輸介質，硬件方面實現最大的兼容性、和諧性，將紛繁復雜的進行簡單快捷化。

（3）業務系統方面

業務系統以最優化方式進行融合，技改所有的發布方式，采用B/S方式，采用多業務、多元化、多接口化進行系統部署。

（4）功能監控方面

系統功能聯動實現，將礦山的“一通三防”井上下的風水電采掘運、安全監控系統、地面生產輔佐系統、調度監管系統、決策管理系統上下統一，牽一發而動全身。如礦山中的瓦斯過高——風機風量加大啟動——人員安全疏散啟動——應急預案系統啟動——調度指揮啟動——決策管理啟，從而來保證礦山系統生產安全，同時也體現數字化礦山的優勢所在。

7.Portal門戶移動辦公遠程管控

隨著電子商務的發展，越來越多的企業正在考慮或建設不同程度的企業信息門戶平臺來進一步提升企業的核心競爭力。礦山發展的競爭力也在于對外形象的展示，讓外界了解認識，從而提高礦山知名度，提高經濟效益。

門戶從功能特性上講，對內則是管理和查詢日常業務的公用平臺，同時也可遠程OA辦公、監控管理；對外則是網站及時向客戶和合作伙伴提供產品、服務的信息平臺。將行業滲透、信息互動、及時交流融為一體，從而為礦山發展提供動力。

三、結束語

時代的發展，工業的騰飛，人們將高科技也深入到基層，面向應用來為礦山的安全生產管理保駕護航，而如今信息化、數字化時代的進步更是讓礦山的安全發展邁上了新的歷史階段。

1.數字化礦山系統的必要性

數字化礦山系統是順應了時代歷史的潮流，應用了科學發展的手段來為礦山服務。通過將礦山各系統融合協作統一，礦山綜合自動化PCS,MES，MIS及ERP一體化解決方案，實現了礦山的生產過程監控及實時調度自動化目標、決策管理智能化的新概念。

數字化礦山是一個復雜的系統工程，也是一個科學的系統的概念，是科學化發展的要求，數字礦山的實施，是對我國礦山資源行業結構優化重組，應對國際市場競爭力，面對高危礦山行業安全生產有著重要的作用。

2.數字化礦山系統意義

數字化礦山系統讓礦井設計、生產和管理等都在數字化狀態下計算監控運行，依靠數字化系統來處理礦山各業務系統數據，為安全生產和決策管理提供先進的科學手段。由傳統方式向現代方式的飛躍，是提高安全生產效率，降低生產成本，提升競爭力和管理水平的有效途徑。數字化礦山意義所在：

（1）對礦山系統設備進行實時監視監控；

（2）利用數字化減少對人才物力的支出，達到減員增效；

（3）改善了礦山開采工人的勞動強度，保證了工人的人生安全家庭幸福；

（4）有力地保障了礦山生產安全管理；

（5）有力地保證了礦山決策管理；

（6）對礦山安全進行了預報警管理；

（7）實現礦山安全應急預案管理；

（8）從此礦山安全生產不再是祈望的神話。

構建數字化礦山，以信息化、自動化和智能化帶動礦山的改革與發展，開創安全、高效、高產、綠色和諧可持續的發展新模式，是實現礦山全面、協調、可持續發展的必由之路。

TD

A

1673-0046（2010）10-0168-03