沙坪煤礦數字礦山的探索實踐

宮德祥

（1.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024；2.山西省昔陽縣煤炭工業局，山西 昔陽 045300）

沙坪煤礦是晉神公司的骨干礦井，近年來，堅持走資源整合的新型發展道路，利用信息化改造傳統生產及管理模式，打造“數字礦山”，為礦井持續跨越式發展提供了強勁的動力。

1 礦山綜合信息化

建設礦山綜合信息化是實現礦山數字化的基礎前提。實現信息化,需要建立信息化體系,并培養有關人才實現。綜合信息化體系必須以實時數據庫為平臺，大型平臺軟件為終端軟件提供信息化系統建設的一套整體方案，見圖1。

1.1 網絡平臺的概述

沙坪煤礦以工業以太網為傳輸平臺，承擔礦井安全生產綜合自動化系統的信息傳輸及調度中心的控制和監測信息的傳輸，對網絡的可靠性、穩定性、實時性、安全性均是工業級要求，需要保證網絡平臺持續、穩定、可靠地運行。采用標準TCP/IP協議和工業以太網技術，實現井上和井下設備所采集的數據信息和控制信息實時傳送到生產調度中心，通過網絡安全設備和應用安全策略，在保證安全的前提下與煤礦企業信息管理網絡進行互通互聯，實現調度統一指揮管理，并且滿足煤礦未來更多業務的需求。

1.2 網絡平臺的設計

1）網絡平臺設計理念。針對煤礦設計的工業以太網、網絡平臺基于千兆環網，采用單模光纖、保障各種數據高速傳輸。通過兩臺核心交換機，構建井上、井下生產各自獨立的冗余、自愈的工業環網，自愈時間小于20 ms，保證了每個環網的單點故障不會影響另一個環網的數據傳輸，保證網絡平臺穩定可靠運行。地面辦公網絡采用光纖環網結構，辦公網絡與生產網絡各自獨立，通過網閘、防火墻進行連接，防止非法入侵，確保生產網絡安全穩定。網絡平臺預留足夠的接口，（包括RS485總線、RJ45以太網等），為現有及以后需要接入環網的設備系統打下基礎。

2）網絡安全設計。按照安全級別要求，采用以下技術保障網絡平臺安全。①劃分IP子網，IP地址的合理規劃是設計中的重要一環，IP地址的合理分配，必須與網絡拓撲層次結構適應、滿足路由協議要求，既要有效利用地址空間，又要體現網絡的擴展性和靈活性，加快路由變化的收斂速度，提高路由算法的效率，還要考慮到網絡地址的可管理性。②VLAN設計，（虛擬局域網）技術可以隔離各控制系統之間的廣播泛濫，提高網絡性能，保證各子控制系統之間的獨立，最大可劃分2 094個VLAN。③網絡設備，要實現網絡的安全，先要保證網絡設備本身的安全性。在本系統中要用安全設備，提供高性能的保護，可防御網絡和應用層攻擊、拒絕服務（DoS）攻擊，以及蠕蟲、網絡病毒、特洛伊木馬、間諜軟件廣告軟件等惡意軟件。④網絡數據流的控制，采用高度安全性的、專用的、獨立網絡安全產品。安全設備將內部網絡和外部網絡完全分隔開來，嚴格控制外部黑客侵犯內部網絡。⑤網絡鏈路安全，要在網絡控制層光纜敷設時使用多芯備份光纖，當其中兩芯出現問題時，可用備份光纖傳輸。最后實現與企業信息網絡對接時，綜合自動化監控中心是連接信息管理系統網絡和礦井綜合自動化控制網的核心，是網絡安全設計的重要環節，見圖2。

圖1 煤礦綜合自動化控制網絡拓撲結構示意圖

圖2 綜合自動化網絡與企業管理網絡的安全互聯示意圖

1.3 網絡平臺的建設內容

1）通過工業太網連接井上、井下各子系統，把系統設備的控制和監控信息傳輸到調度控制中心，經服務器進行數據采集、存儲，調度控制人員完成各子系統的組態編程，對數據進行統計分析，達到監測和控制目的。

2）網絡平臺的建設內容包括以下六項：①建設調度指揮中心，包括機房裝修，不間斷供電系統，防雷接地系統；②敷設井上、井下光纖，建設冗余、具有自愈功能的光纖環網；③井上、井下網絡設備安裝、調試；④網絡管理，根據需要，劃分不同的VLAN，賦予不同的權限，訪問不同的資源，確保網絡安全；⑤設置網閘、防火墻，防止非法用戶侵入；⑥配置殺毒軟件，確保數據安全。

3）該網絡屬于工業級網絡，考慮煤礦井下滿足防爆、防塵、抗高溫潮濕、電磁干擾的要求，地面系統考慮抗電磁干擾的要求；各個安全生產監控現場設備PLC、PC與工業以太網交換機連接的線纜使用工業級快速連接插件及線纜（工業級標準），要使連接的網絡和終端傳輸數據平穩，并可實現系統維護方便，重新配置的靈活性。

2 工業綜合自動化系統

沙坪煤礦生產過程自動化系統的主要涵蓋內容：礦井自動化調度系統；綜采工作面監測系統；礦井主運輸監控系統；礦井電力監測/監控系統；井下水泵房監控系統；煤倉煤位監測監控；日用消防水泵房監測系統；礦井通風機監控系統；礦井水處理監測系統；生活污水處理監測系統；礦井鍋爐房監測系統；生產過程動態監測系統；實時歷史數據庫管理系統。

2.1 礦井自動化調度系統

1）全礦的調度系統實時監控網絡結構，具備完善的生產監控管理功能，是將各生產環節的監控系統組成全礦井統一的自動化網絡系統，并與礦井計算機管理系統聯網，實現管控一體化的全礦綜合自動化系統。其中監控分站的位置分散、距離較遠按生產關系和地理位置構成邏輯環型網絡結構，各監控點通過千兆以太網絡連接為一個統一的控制網絡，最終接入礦調度樓調度（集控）室的工業核心交換機上，形成煤礦生產自動化系統。

2）選用EtherNet/IP（工業以太網+CIP協議）作為控制層網絡。主干采用光纖傳導模式，由調度中心通過9/125 μm單模光纜連接礦地面及井下的鍋爐房、通風機房、礦井維修間10/0.4 kV變電所、35 kV變電所、主斜井機房、中央變電所、盤區變電所、中央水泵房、等控制分站或控制系統，構成整個控制層網絡；其余如皮帶監控系統用軟件編程實現第三方通訊就近接入網絡，順槽CST系統、主井皮帶變頻控制系統經DH+網絡接入臨近的控制分站，實現網絡擴展。

3）系統組成。①調度集控室是全礦安全生產的監控指揮中心，所有控制信息在這里匯總并發布。根據工業EtherNet/IP環網結構，在調度室實現操作控制、監測。配置6臺工控機，（礦井監控2臺，變電所監測1臺，報警1臺，綜采面監測1臺，報表處理1臺）。調度室終編及服務器配置，見圖3。②集控室機房。采用地面及井下兩個單環網絡結構，根據地理位置和光纖路徑將各節點連接成光纖環網。工業以太網設備選擇德國赫斯曼公司的產品。集控室機房配置2臺多層路由核心交換機（MACH 4002）。地面、井下、通風機房等節點均用模塊化交換機（MS4128）組成環網。核心交換機采用冗余電源、冗余模塊滿足系統的可靠性，并提供16個百兆電口用來連接調度室工控機終端和控制設備，見圖4。礦調度監控室是全礦安全生產的監控指揮中心，所有的控制信息在這里匯總并由此發布。對全礦各主要生產環節及相關的輔助環節的生產過程進行實時數據采集、傳輸、處理、顯示，對地面生產系統、皮帶運輸系統、變電所和通風機等設備進行集中監控，同時配合工業電視系統進行安全圖像監視，以確保人員及設備的安全，全面提高礦井的監控能力。

圖3 調度室終端及服務器配置圖

2.2 綜采工作面監測系統

綜采工作面涉及的設備較復雜，各廠商的傳輸協議不同，需要對設備的傳輸協議進行整合，顯示畫面統一實施。目前沙坪煤礦綜采工作面主要的設備有：采煤機、液壓支架、刮板運輸機、轉載機、破碎機、可伸縮膠帶機、3 300 V、1 140 V組合開關柜、泵站等設備，要對以上設備的運行情況做出詳細記錄。

1）系統設備。綜采面數據采集器采用KJJ108，由防爆箱殼體、協議轉換、數據傳輸、地面數據整合、顯示部分組成。采煤機物理接口采用單模光纜，OPC通訊協議。雷波泵站和3 300 V、1 140 V開關柜物理接口采用RS485，Modbus通訊協議。

2）數據上傳的管理。工業光纖環網將綜采面的三機、泵站、順槽皮帶、組合開關柜的RS485信號轉化為電信號，礦調度配置一臺數據服務器，負責采集綜采面的實時數據，將讀取的信號轉化為OPC通訊協議；調度室前臺配置一臺工控機，實現綜采面數據的顯示。數據上傳結構示意圖，見圖4。

圖4 數據上傳結構示意圖

3）系統功能。綜采面數據上傳的監測畫面包括：采煤機工作狀況，刮板運輸機、轉載機、破碎機工作狀況，組合開關工作狀況，噴霧泵、乳化液泵工作狀況，實時狀態及運行參數顯示，實時報警，歷史數據記錄及曲線圖。

2.3 礦井主運輸監控系統

沙坪煤礦主運輸系統包括所有帶式輸送機（上倉皮帶、主井皮帶、順槽皮帶系統）。

1）系統組成及監控范圍。整個運輸系統由上倉帶式輸送機、主斜井帶式輸送機、順槽CST帶式輸送機組成。監控范圍包括：上倉皮帶機、皮帶機保護，主斜井皮帶機、皮帶機保護、機頭除鐵器、制動閘、機頭配電設備、機頭除鐵器、順槽皮帶機、皮帶保護、機頭配電設備、張緊裝置、制動閘。

2）主要功能。在調度室有遠控和就地選擇功能，以便操作員實現四種控制方式。檢修試車控制，就地控制（驅動機房控制），礦調度室集中控制（調度員控制每條皮帶單獨開停），按程序自動控制（調度員通過“一鍵式”觸發：發出起車指令，各皮帶按逆煤流啟動，發出停車指令，各皮帶按順煤流停車）。

3）監控方案。包括上倉皮帶、主斜井皮帶、順槽皮帶，每條皮帶自帶就地控制系統。其中上倉皮帶、主斜井皮帶為羅克韋爾的控制系統，順槽皮帶為CST控制系統。①系統配置DeviceNet通訊模塊和3塊DeviceNet/Modbus通訊模塊跟三條皮帶機各自的華寧控制系統以Modbus協議進行通訊；通過數據讀寫實現對皮帶遠程起停控制，并將皮帶機的相關數據，如皮帶機運行參數（如開、停狀態、運行時間、主電機電流等參數）、軟啟動設備（液力耦合器）的油溫、皮帶保護系統中各種傳感器的信號狀態，所在地理位置（皮帶機打滑、跑偏、急停、縱撕、堆煤、煙霧、軸溫及超溫灑水等）等采集到處理器中進行處理上傳。②系統配置DH+通訊模塊跟順槽皮帶的CST控制系統的SLC以Message的方式通訊，通過數據讀寫實現對皮帶的遠程起停控制，并將皮帶機的相關數據，例如皮帶機的運行狀態及主要參數（變頻器運行參數、主電機的電流、電壓、主電機的定子、軸承溫度、主驅動滾筒軸承溫度、張緊及制動器的運行參數等）、皮帶保護信息、地理位置（皮帶機打滑、跑偏、急停、縱撕、堆煤、煙霧、軸溫、超溫灑水等）、現有煤倉煤位信號等采集到處理器中進行處理上傳。

通過以上的分析研究，沙坪煤礦要實現“數字礦山”，建立一套完善的數據采集系統非常必要，通過數據采集分析才能最終實現工業自動化，才能真正達到數字礦山的建設效果。

3 結束語

實現“數字礦山”后，不僅實現地上井下的透明管理，更能利用“數字礦山”管理的可視性、信息的及時性、計算的快速性、決策的智能性，提前發現各種安全隱患，并對其發展趨勢、災變過程、影響程度進行仿真模擬，提供出科學合理的避災和救災方案。沙坪煤礦數字礦山建設的整個系統，只要實現了自動化，不僅大幅度降低人的勞動強度、提高生產效率，更重要的是通過無人化達到的本質安全型礦井。

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