礦井綜合自動化系統關鍵技術探討

【摘要】文章提出了對綜合自動化發展的關鍵技術討論，包括高速網絡的建立、子系統接入標準、監控數據中心、分控中心、數據分析中心等，從關鍵要點闡述了綜合自動化的現狀和發展，為行業內綜合自動化技術的發展提供了參考思路。

【關鍵詞】綜合自動化;高速網絡;分控中心;數據利用

1.前言

近幾年，全礦井綜合自動化“熱”在煤礦日漸升溫，截止到2010年底，保守估計全國已裝備各類全礦井綜合自動化系統數百套之多，為煤礦的信息化建設及安全生產發揮了積極的作用。但縱觀已裝備系統的現狀，普遍存在重接入子系統數量，輕子系統數據綜合利用的現象，將綜合自動化變成堆積自動化，形成系統內的離散信息，造成綜合自動化系統投效比較低，影響綜合自動化系統技術及市場的健康發展。綜合自動化是基于礦井高速網絡，建立于各子系統之上的系統，其綜合各子系統信息，制定優化控制策略，協調各子系統控制關系，對各子系統的數據進行綜合分析處理、深度挖掘產生出價值高于原始數據的信息，這就是綜合自動化的全部內涵。本文就全礦井綜合自動化系統的幾個關鍵技術問題進行探討。

2.礦井信息高速網絡

高速網絡是礦井綜合自動化的基礎，如果沒有高速信息網絡，礦井井下的海量子系統數據無法及時傳輸上來，數據傳輸將成為綜合自動化發展的瓶頸。隨著高速網絡成功應用于井下，礦井綜合自動化已從專家學者研究課題，迅速轉變為一個個工程案例。可見高速網絡的應用是這一轉變的重要推手。

目前，應用在礦井的高速網絡類型主要有三種：a：工業以太環網;b：無源光網絡（GEPON）;c：多信道工業環網（MCTP）。這三種網絡各自有其技術特點，工業以太環網以其技術穩定、產品化程度高、網管軟件豐富等優點著稱，但也存在帶寬利用率不高的缺點;無源光網絡帶寬可利用率高、主要傳輸設備無源，但對傳輸介質光纜熔接損耗要求較高。

其中，礦井高速網絡以工業以太環網居多，該架構以成熟的工業以太網交換機作為基礎，經過礦用化處理后應用到煤礦井下。工業交換機礦用化處理主要包括隔爆或者本安處理，接口隔離、以太網轉換成總線接口、配置后備電池等等，只有經過完善的礦用化處理，才適合在礦井下應用。

3.監控數據中心

目前，煤礦各個子系統的自動化應用已基本建立，各種傳感器應用也比較廣泛，在各個子系統中也保存了大量監測數據。對于各個子系統來說，只能對自己本系統數據進行有限的利用，而想要利用其它系統的數據則存在一定的困難，比如由于各子系統數據結構封閉，外部系統很難有效獲取數據，包括原始的現場數據和分析的結果。礦井綜合自動化系統在用戶的應用情況并不算良好，多數還只是停留在子系統的搬移，即只是將原來子系統的數據、畫面等搬到所謂的自動化平臺中，而缺乏對這些數據的進一步的綜合利用，而且這個平臺對于用戶的管理系統，決策支持系統等來說，同樣存在數據無法共享的問題，使其成為了一個更大的信息孤島，無法為外界提供更有用的信息，沒能發揮進一步的作用。各個部門的信息仍處于孤島狀態，這不利于煤礦管理人員、煤礦安全監督人員實行監管和開展安全事故應急處理。[1]

綜合自動化發展需要建立一個煤礦監控數據中心，提供開放的一致的數據共享平臺，在這個平臺中除了能將數據原本再現外，同時能提供廣泛的業務邏輯支持。建立數據接入組件，支持文本文件、OPC、數據庫等方式獲取各子系統數據，然后將所有獲取到的數據，通過統一的對外發布的接口，將數據提供給數據壓縮與存儲程序，根據預定的數據壓縮算法，將數據壓縮處理后，存儲到事務型數據庫中。壓縮算法的選擇需綜合考慮壓縮率、實現難度、處理效率等因素。

根據確定的煤礦業務，通過建模工具建立數據分析模型，同時需要建立從事務型數據庫到數據倉庫的數據轉換規則，將歷史數據從事務型數據庫導入到數據倉庫，數據分析服務根據分析模型就可以得出分析結果。如果煤礦業務需求發生變化，或者用戶提出新的需求，則需要修改或新建數據分析模型，數據倉庫中的數據也可能需要重新加載，以適應不斷變化的業務需求。數據發布服務提供業務分析的結果，以及相關的實時和歷史數據，供展現層或第三方使用。

4.分控中心

綜合自動化基本功能要實現對系統的自動控制，但綜合自動化平臺上的控制是基于系統集控的，數據與控制來源于子系統單機控制，但高于單機系統。主要有兩大特點：（1）有邏輯閉鎖關聯關系的相關子系統間實現聯合集控;（2）集控系統平臺要面向對象，面向使用部門，面向管理部門，建設一個基于實用為目的的綜合自動化分控中心。

綜合自動化軟件平臺基于分控中心模式架構，主要實現以下功能：面向使用部門，面向關注對象，將相關聯子系統匯總建立分控中心，實現子系統高效遠程集控;在接入礦井多個子系統的基礎上，建立分層控制架構，實現系統分層分級控制。以某個礦井綜合自動化分控中心為例，按礦井部門職能設立原煤生產分控中心、電力系統分控中心、機電分控中心、通風分控中心四大分控中心和輔助監測中心，相關子系統按類別分組，通過分控中心實現系統遠程集中控制。

其中，相應的分控中心面向管理部門如下：

（1）原煤生產分控中心：面向生產科，實現對原煤系統，包括采掘工作面系統、井底配倉、綜采運輸順槽、采區大巷運輸、一水平東翼運輸膠帶、主斜井皮帶等系列原煤生產流程相關的子系統集中遠程控制。

（2）電力系統分控中心：面向動力科，實現對地面110KV變電所、副井10KV變電所，井下中央變電所、3-1采區變電所、2-1采區變電所等礦井動力相關的系統集中遠程控制。

（3）機電分控中心：面向機電部，實現對井下主排水、礦井水處理、生活污水處理等與水處理有關的系統控制，實現對壓風機監控系統、熱交換站控制系統、副井提升監控系統等與機電有關的各類控制系統。

（4）通風分控中心：面向通風科，實現對主扇通風控制系統、人員定位系統、安全監控系統、火災束管監測系統、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。

圖1 綜合自動化架構圖

子系統接入分控中心可以通過兩種途徑，子系統存在上位機的，直接通過上位機以太網接口接入，軟件接口可采用OPC或者PLC、電力系統等專業接口;子系統無上位機的，則由子系統PLC或其他專業執行器直接接入分控中心，接口同樣可以采用OPC或其他標準專業接口;按專業配置基于組態軟件或專業后臺軟件的控制軟件，實現對關聯系統的控制，并對綜合自動化系統平臺提供數據接口。

5.數據分析與利用

數據的分析與利用主要通過數據分析中心實現，數據分析中心是綜合自動化平臺除分控中心以外的另一個重要模塊，在采集各分控中心數據及各類監測系統的基礎上，根據礦井管理需求，對數據進行分類處理，按功能進行專業處理，完成數據到信息的轉變過程，將采集上來的子系統海量數據轉換成直觀、有用的信息提供給使用者做決策參考。綜合自動化平臺通過數據分析中心主要實現將系統數據分析處理，轉化成信息展示。從枯燥繁瑣的數據，變成有用的信息，讓子系統數據發揮作用。

綜合自動化平臺數據分析中心軟件按管理需求分層次設計，調度指揮中心、機電各部門、生產各部門可根據業務需求定制相應的控制模塊和信息化處理模塊，實現對子系統數據的挖掘利用與增值處理。

數據的挖掘處理是在接入系統海量數據的基礎上，結合各專業分析理論或者生產工藝，提煉出對安全、生產有價值的信息，主要的數據信息化處理如下：

（1）信息處理1：區域生產作業環境評估

通過對各子系統已接入的環境參數進行重組和計算得出每個區域的評價結果，也可結合現有其它系統（如：通風瓦斯預測、安全量化評估管理系統、人員監測系統等）進行區域狀態的綜合評定，并在圖中實時顯示，系統可輸入算數、邏輯等各種表達式進行運算得到評價結果。可以起到礦井安全多層防護作用，加快安全事故隱患排查效率，達到事前預警，從而提高礦井災害預防能力。實現目標：平臺操作人員能簡單地、一目了然了解礦井各區域安全情況和實時人數，通過屏幕上紅色、橙色、綠色等顏色直觀地判斷目標區域是否安全。

（2）信息處理2：系統或設備聯動

實現設備啟動、停車或異常時，相關系統及時彈出信息，關聯顯示當前狀態，確保設備運行安全和穩定。如膠帶機啟車時，相關電氣設備運行數據的及時顯示和膠帶機機頭或機尾攝像頭圖像的顯示。實現目標：設備異常或啟停時，操作人員無需更進一步操作，即可在一個統一界面上觀察到該狀態操作人員必須觀察的運行數據、實況圖像等。

（3）信息處理3：生產設備在線管理

實現在線設備的狀態、相關參數的實時監測，協助（庫存狀況）和監督（實時提醒）在線設備的及時檢修，提高煤礦生產效率及生產安全性;實現目標：重點設備的維護實現無紙化、實時、高效。

（4）信息處理4：生產效能評估

通過對當前和歷史數據進行分析和統計，得出全礦各系統在某段時間內累計影響生產的時間以及影響生產的主要因素，通過歷史追憶的形式分析得出全礦井的能耗比、各生產環節的故障率，從而減少各類故障和資源浪費，實現節能增效。實現目標：生產投入與產出透明展示，能耗、效益直觀顯示。

（5）信息處理5：自動預警

通過礦用監控數據中心接入各個子系統，然后對已接入的測點進行自動分類監測、處理，由已接入測點的設置和一段時間內的歷史數據，根據預警值算法計算得出該測點的預警參考值，并由此參考值對測點的實時值進行處理得到測點的預警狀態。實現目標：在沒有達到報警狀態前就掌握目標的變化趨勢，讓各種超限報警消失在萌芽狀態。

（6）信息處理6：應急預案管理

礦井生產的情況瞬息萬變，一旦發生異常需要及時處理以保障人員和設備安全，降低風險。應急預案管理可在異常事件發生時，自動按照預案的設計啟動處理流程而不需要人員的干預，同時調度人員根據實際情況做出的判斷，也可以通過該管理平臺向外發布，進行及時的應急指揮。實現目標：礦井各類預案進入系統，進行無紙流程化處理，遇到緊急情況按預案過程提示一步步進行處理，減少次生事故的發生。

6.結束語

將煤礦各生產環節監測監控子系統就近接入高可靠性、高速率的綜合監控主干網絡是必然的發展趨勢[3]，綜合自動化平臺在子系統接入的基礎上發展，在國內剛剛發展了不到十年，基本經歷了數據采集階段、數據匯總階段，目前正朝著數據增值利用的方向發展。只有真正把采集到的海量子系統數據分析處理，形成數據中心，進行分析和增值處理，礦井綜合自動化系統才能更健康地發展、有效地提供礦井輔助管理手段。

參考文獻

[1]牛聚粉，程五一，王成彪.煤礦安全信息共享系統的設計及實現[J].工礦自動化，2008（1）：52-53.

[2]陸錚，汪叢笑.工業以太網在全礦井綜合自動化系統中的應用[J].工礦自動化，2006（3）：31-33.

[3]陳榮光，閆曉峰，李娟.礦用GEPON系統的研究與實現[J].工礦自動化，2008（5）：44-47.

作者信息：段瑞威（1981—），男，江蘇東海人，現供職于天地（常州）自動化股份有限公司，一直從事煤炭信息化工作。