數字化礦山平臺規劃的分析

田 心

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京市西城區，100120）

隨著我國煤礦自動化程度的逐漸提高，實現礦井的數字化生產與管理是確保煤礦安全生產、減員增效和綠色節能的重要舉措。由于目前我國煤礦數字化程度和所要完成的功能不同，自動化平臺構架也不盡相同，提出一個相對完整又具有一定先進性的平臺構架作為實現數字化礦井的建設核心很有必要。本文以陜煤集團小保當煤礦礦井數字化規劃為例，重點介紹了 “4層+2個支撐系統”的數字化礦山平臺邏輯構架體系、拓撲特點及應用情況。

1 自動化平臺現狀及發展

目前我國礦井單一自動化系統已經基本實現，絕大多數單系統例如主排水和主運輸等都已實現了自動化控制與管理。但到目前為止，雖然高速網絡及軟件技術得到了飛速發展，但數字化礦山建設在絕大多數礦井仍然處于淺層次的綜合自動化水平，主要實現了地面的遠程監測監控。只有在單系統自動化的基礎上，通過高速網絡接入各單系統使數據得到充分的融合，建立合理的聯動機制才能完成從單系統自動化到綜合自動化的轉變。

但是從綜合自動化向數字礦山發展，涉及到空間數字化及管理信息化兩方面的有機融合，再通過三維可視化平臺進行展示，同時通過科學合理的管理制度和流程加以應用，在合適的環節建立有效的決策分析系統，才能夠為領導層提供生產經營管理的決策依據，自動化平臺發展見圖1。

圖1 自動化平臺發展

2 數字化平臺規劃

目前我國煤炭行業自動化平臺構架沒有一個相對固定的格式，國內各個礦井根據規模的不同，其平臺構架方式和使用功能也都不盡相同。通過對近

年來一些礦井的自動化平臺進行比較后，對陜煤集團小保當煤礦礦井數字化自動化平臺進行規劃。

2.1 系統架構

礦井自動化平臺系統整體構架可分為 “4個層次+2個支撐系統”，4 個層次分別代表設備執行層、數據傳輸層、運營管控層和經營管理層；2個支撐系統代表云計算數據中心、二維及三維可視化展示，平臺規劃構架圖見圖2。

圖2 平臺規劃構架圖

2.1.1 設備執行層

設備執行層是自動化平臺構架的基礎，既是數據的采集者，也是決策信息的執行者，包括以下3個層次的內容：

（1）安全生產井上和井下動態實時在線信息的采集。這里主要包括生產環境在線檢測系統 （如水、火、瓦斯、頂板和人員定位等）、綜合自動化系統 （如綜采工作面控制系統主帶式輸送機集控系統等）、其它生產指揮信息采集系統 （井下工業電視系統等）。

（2）生產技術和運營管理數據的采集。這里主要包括鉆孔、地震、機電設備和通風阻力測定成果等非實時的生產數據以及財務管理、運銷管理和人力資源管理等運營管理的數據。

（3）執行控制層或管理決策層信息。通過管理決策層的分析和處理，其結果通過控制層和傳輸層達到執行層，完成對設備的控制、礦體的空間形態和屬性的動態修正。

2.1.2 數據傳輸層

數據傳輸層采用以太網技術，由工業環網與信息網組成，采用網閘加防火墻技術進行安全隔離。其中工業環網包括安全、控制和視頻等獨立的環節，整個礦井采用有線和無線結合的方式實現全網絡覆蓋。

2.1.3 運營管控層

運營管控層通過對綜采工作面、主煤流運輸、輔助運輸、供配電、安全保障、生產輔控和調度通信等環節協同控制，完成生產調度、設備及人員等管理，并提供礦井安全的通風、防瓦斯、防火災、防水害、防頂板災害以及防游離煤塵等決策。運營管控層主要包括以下8個部分：

（1）綜采工作面分控中心。實現對工作面采煤機、三機、支架電液控、泵站和采面供電設備等的自動化控制。

（2）主煤流運輸分控中心。實現對主運輸系統的控制，包括采面膠帶工作面、盤區大巷膠帶、主斜井膠帶等一系列原煤生產流程相關的子系統集中遠程控制。

（3）供配電系統分控中心。實現對地面及井下各變電所集中遠程控制。

（4）安全保障分控中心。實現對人員定位系統、安全監控系統、井下光纖測溫系統、頂板壓力安全監測系統、礦燈房信息管理系統等與通風管理相關的系統集中控制和監測。

（5）生產輔助分控中心。實現對主通風系統、主排水系統、壓風系統、計量稱重系統、水處理系統、鍋爐供熱系統、機房環境監測系統、機房門禁系統以及工業電視系統等各類輔助監測系統的集中監測和控制。

（6）輔助運輸分控中心。實現對地面及井下各類輔助運輸車輛管理監測與控制。

（7）調度中心。實現對地面及井下通信調度系統及動目標運維系統的綜合管理及監控。

（8）決策中心系統。基于在線檢測系統、綜合自動化系統、知識庫和模型庫等，建立水、火、瓦斯和頂板重大危險源預測預警系統，應用GIS 技術、網絡集成技術、物聯網技術和數據庫技術對重大危險源進行檢測、識別及預測預警，將煤礦井下各類危險源數據集成于同一平臺，基于WebGIS統一展示，實現重大危險的早期預測預警，以提高煤礦重大危險源預警能力，降低重大危險源事故發生率。

2.1.4 經營管理層

（1）運營管理信息系統。該系統基于企業管理網絡平臺和數據倉庫，實現對人力資源、財務、物資、設備、生產計劃、成本管理、安全管理、運銷管理和協作平臺等數字化管理。

（2）生產技術綜合管理系統。該系統實現對“采、掘、機、運、通”整個生產業務流程中地質、測量、水文、儲量、“一通三防”、采礦輔助設計、機電設計、設備選型等的完全信息化和網絡化管理。該系統包括安全生產信息調度報表系統、機電設備管理系統、辦公自動化系統、地測管理信息系統以及任務閉環管理系統等5個子系統。

2.1.5 云計算數據中心

建立運營管控云計算數據中心和經營管理云計算數據中心，云計算數據中心包括統一的數據倉庫、數據處理、數據挖掘和災備處理等，該中心主要針對于構架中運營管控層和經營管理層兩個區域。管控層和管理層各建立一個虛擬化云計算數據中心，數據中心采用存儲不同建筑物異地容災備份，兩個數據中心采用網閘+防火墻的方式進行隔離。

2.1.6 二維及三維可視化展示

基于三維GIS或三維可視化系統或虛擬礦井平臺，利用實測數據構建井上和井下的虛擬環境，并能夠通過與其它系統的接口 （如瓦斯監測系統和ERP系統等），顯示監測和供電等實時數據，瀏覽和查詢井下設備的各種參數和實時狀態信息，實現數字礦山主要管控過程的可視化展示、分析和操作。

2.2 拓撲結構

礦井綜合自動化系統所需覆蓋的范圍廣、規模大、控制距離長、涉及工藝多和信息量大，點對點的控制無法實現現場的實際要求，為了最大限度地保證系統的可靠性和實時性，就必須采用多級異構網絡結構，并保證異構網絡之間的互聯互通。根據自動化各組成部分的不同需求，礦井工業場地和風井工業場地各設置獨立的環網結構，目前主流的網絡結構有以下3種：

（1）現場總線網絡。這種方案是將全礦井的控制系統都通過控制網總線連接，結構簡單，通過網關連接至自動化環網。

（2）工業以太網絡。這種方案是目前主流技術，各交換節點通過EtherNet連接，提供高速數據交換，具有很高的可靠性。

（3）GEPON 網絡。GEPON 是一種無源光纖傳輸網絡，可在一根光纖中同時雙向傳輸各種信息，井下設備簡單，分光器無源；系統帶寬利用率高，適合相對占用帶寬的視頻傳輸。

圖3 系統總體拓撲結構

在上述3種網絡中，現場總線網和工業以太網應用于絕大部分自動化網絡的構架，標準開放且支持的廠家多。GEPON 可提供全套設備的廠家較少，且受最遠交換節點距離限制。工業環網平臺根據業務應用不同，分別設置控制通信環網、視頻環網和安全環網，在井上和井下分別設置獨立的冗余環。井下自動化線纜在敷設中可事先埋入，系統總體拓撲結構如圖3所示。

2.3 平臺軟件系統

2.3.1 平臺軟件的特點及選型

煤炭行業有著其特殊性，與其他制造業不同，在信息集成和控制方面，不僅僅是生產過程，還要協調生產和組織安全。目前主要數字化礦山建設基礎軟件平臺一般有3種技術。

（1）各類組態+定制。采用組態SCADA 采集支持的通訊協議豐富，對底層設備接入的實時性和兼容性較好；除了遠程監測監控外，如進行一些優化功能應用，需從底層進行二次開發，沒有專門的建模工具，開發難度大，一致性和可復制性差。

（2）PSI mining。基于SUN 公司的Solaris操作系統是一套SCADA 系統，不是一套自動化系統平臺，適合自動化系統的數據采集和展現。該系統開發了一些針對煤礦的應用功能，但易用性 （客戶體驗）、實用性和可靠性需要進一步考量。

（3）ABB 800XA。先進的協同過程自動化系統，其基于協同過程自動化 （CPAS）的思路：人員、系統、設備的協同；Aspect Object技術，易于集成，提高集成效率、規模及集成度；Video 集成；電氣集成；信息管理及數據決策分析；電力和自動化集成；支持通訊協議豐富。

2.3.2 平臺軟件系統內容

數字化礦山平臺軟件支撐主要包括安全生產運營管控基礎平臺、煤礦企業經營管理基礎平臺、三維可視化平臺三大部分。

3 平臺構架特點

綜上所述，平臺構架有以下幾個特點：

（1）建立統一的數據傳輸平臺、統一的數據中心、統一的二維和三維展示。根據礦井管理分工的不同，整個應用平臺根據運營和經營，分為偏向于控制的運營管控平臺和偏向于管理的經營管理平臺，符合煤礦的管理特點。

（2）管控平臺根據應用對象的不同，以實際生產過程環節為紐帶，劃分成三大中心和八大環節，平臺兼顧集中與分布控制特點，改變了原有煤礦自動化常規子系統的設計及劃分方法。

（3）采用控制和管理分開的兩個云計算數據中心設計，包括存儲移動災備設計，所有的應用部署于私有云中，保障整個信息化應用平臺的穩定和彈性擴展。

（4）工業環網按業務應用采用多環設計，包括控制、視頻和安全等完全硬件獨立的環網，并且配置了環網交換機光纖斷電續接功能，保障光網絡的連續性。

4 結語

上述平臺構架已應用于煤炭工業建設 “十二五”示范礦井——陜煤集團小保當煤礦數字化礦山的規劃方案，目前煤礦數字化平臺還有許多問題有待解決，隨著信息化的不斷發展，一些更新的技術會融入其中，這需要一個不斷完善提高、不斷深化發展的過程，最終達到安全運行、高效生產、科學管理和減人提效的目的。

［1］ 馮強，劉相軍等.陜煤小保當數字化礦山規劃［R］.榆林：小保當數字化礦山規劃組，2013

［2］ 臧朝偉等 .自動化信息系統在平煤十三礦的應用［J］.中國煤炭，2012 （1）

［3］ 譚得健.我國煤礦自動化現狀及發展趨勢 ［J］.工礦自動化，2010 （9）

［4］ 孫繼平.礦井通信技術與系統 ［J］ .煤炭科學技術，2010 （12）