基于數字化礦山的自動控制中心設計

天地（常州）自動化股份有限公司 中煤科工集團常州研究院有限公司 閆兆振

基于數字化礦山的自動控制中心設計

天地（常州）自動化股份有限公司 中煤科工集團常州研究院有限公司 閆兆振

本文分析了煤炭行業(yè)數字化礦山的應用現(xiàn)狀，討論了建立礦井自動控制中心的必要性，在實現(xiàn)數字化礦山的基礎上進行業(yè)務流程的重組，建設多個自動控制中心，設計了一套較為實用的控制中心設計流程，并詳細介紹了控制中心的設計原則、系統(tǒng)架構、實現(xiàn)方案及關鍵技術。通過建設自動控制中心，可切實提高設備、執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)生產流程重組，優(yōu)化控制流程，節(jié)能降耗，提高生產效率。

數字化礦山；自動控制中心；流程重組

概述

目前，我國很多煤礦已經進行數字化礦山項目的建設，實現(xiàn)了井上井下監(jiān)測、控制數據的集中、高速傳輸，實現(xiàn)了對煤炭生產、設備運行、生產調度、安全監(jiān)測等實時遠程監(jiān)控和數據的自動采集，實現(xiàn)了煤礦的管-控一體化，使礦井在“采、掘、運、洗、選、風、水、電、安全”等環(huán)節(jié)全面實現(xiàn)信息化，并將礦井建設、生產、管理的各個環(huán)節(jié)，統(tǒng)一在同一個網絡平臺上，在煤礦安全生產過程中起到了重要作用[1-3]。

但是，國內數字化礦山的建設經過10多年研究應用，目前還基本上處于“堆積自動化”階段，主要實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的集成、數據集中展示及生產、安全、業(yè)務數據的集中存儲，但對數據的深度融合和智能決策支持方面成功案例較少；系統(tǒng)主要實現(xiàn)集中監(jiān)控，在生產過程優(yōu)化控制、節(jié)能降耗管理和故障跟蹤定位方面未見相關應用，沒有真正達到人本安全、節(jié)能降耗、減人提效的目的。因此，我們提出建立自動控制中心，基于現(xiàn)有數字化礦山建設的成果，分析煤礦整體生產工藝、業(yè)務流程及部門職責，在自動化系統(tǒng)控制過程的可靠性、控制系統(tǒng)分類的合理性及操控平臺的易操作性等方面進行深入研究。

煤礦通過建立自動控制中心，大幅提高煤礦開采的機械化程度，盡量減少井下作業(yè)人員，充分利用生產現(xiàn)場的自動化數據，將智能決策分析與生產過程自動控制系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)煤礦信息資源的有機整合，為煤礦的安全生產、過程控制、運行與優(yōu)化管理提供保障，實現(xiàn)設備的故障診斷，切實提高設備、執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)的可靠性；通過對各子系統(tǒng)的數據融合及分析，實現(xiàn)生產流程重組，優(yōu)化控制流程，降低能耗，提高生產效率。

1 控制中心設計原則

通過研究煤礦生產工藝、業(yè)務流程及部門職責，考慮專業(yè)、工藝、閉鎖關系、啟動順序、停機條件、系統(tǒng)間聯(lián)動、數據影響等因素，對煤礦生產業(yè)務進行合理重組，規(guī)劃采掘控制中心、電力控制中心、通風控制中心、維運控制中心、運輸控制中心等五大控制中心。

1.1 采掘控制中心

采掘控制中心主要面向生產部門，實現(xiàn)對采掘工作面系統(tǒng)、采區(qū)皮帶、水泵、供電、大巷運輸皮帶、以及主斜井皮帶等系列原煤生產流程相關的子系統(tǒng)集中監(jiān)測、遠程控制、調度與管理。將采、掘、運等與生產息息相關的環(huán)節(jié)關聯(lián)起來，統(tǒng)籌分析，通過煤流控制、系統(tǒng)聯(lián)動等自動化控制手段減人提效，減少事故的發(fā)生，實現(xiàn)各種最優(yōu)技術經濟指標，提高經濟效益和勞動生產率，節(jié)約能源。

1.2 電力控制中心

建立電力控制中心，面向機電部門，實現(xiàn)全礦各變電所的遠程監(jiān)測監(jiān)控及供電信息分享，包括地面35KV變電所、井下中央變電所、采區(qū)變電所等礦井供電相關的系統(tǒng)；采用電力監(jiān)控站、專用綜合保護器、專用短路檢測模塊、防越級跳閘閉鎖控制器等設備實現(xiàn)防越級跳閘功能；分析出供電網絡設備事故的影響范圍，如設備停電影響范圍、停電影響設備具備的等級、停電帶來連鎖反應等，根據現(xiàn)場情況自動推送關聯(lián)連鎖分析結果，緊急情況下觸發(fā)相應預案。

1.3 通風控制中心

通風控制中心主要面向通風工區(qū)，主要負責安全監(jiān)測系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、防塵灑水系統(tǒng)等，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線監(jiān)測及控制，配合已有的數據分析系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)等將礦井的安全數據信息及時發(fā)布，提供給其他生產管理部門，對井下環(huán)境進行綜合分析和科學判斷，確保煤礦安全生產。

1.4 維運控制中心

維運控制中心主要面向維運工區(qū)，主要負責全礦井大動力維運系統(tǒng)及全礦電力系統(tǒng)的監(jiān)測、調度與管理、維護，實現(xiàn)機電專業(yè)子系統(tǒng)集中控制與管理，實現(xiàn)智能供電，設備遠程診斷。隨時掌握設備的健康狀況及生產系統(tǒng)的運行、控制情況保障大動力設備及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.5 運輸控制中心

運輸控制中心主要面向輔運部門，實現(xiàn)對軌道運輸自動控制、猴車控制系統(tǒng)、梭車控制系統(tǒng)的調度與管理，通過信集閉系統(tǒng)、井下物流系統(tǒng)、猴車控制系統(tǒng)、梭車控制系統(tǒng)與工業(yè)視頻、安全監(jiān)測、人員定位系統(tǒng)聯(lián)動等自動化控制手段減人提效，減少事故的發(fā)生。

2 實現(xiàn)方案

2.1 總體架構

自動控制中心的總體構架自上而下包括設備層、執(zhí)行層、管控層、控制層，以設備層、執(zhí)行層各子系統(tǒng)信息數據為基礎，通過工業(yè)以太環(huán)網在運營層建立礦用管控層數據中心，實現(xiàn)執(zhí)行層數據采集，并進行數據過濾、分析和信息融合，為管控層和控制層提供數據支撐。

圖1 控制中心架構圖

2.2 控制中心建設

本文中以采掘控制中心為例，詳述自動控制中心的建設過程，其它控制中心的建設參照此過程。

采掘控制中心主要基于ABB 800xA平臺進行建設，實現(xiàn)控制層、應用層的系統(tǒng)、設備和儀表等無縫集成，平臺基于三層SCADA架構[4]，實現(xiàn)實時的人機交互和管理決策。ABB 800xA利用屬性對象技術，實現(xiàn)監(jiān)測、監(jiān)控與數據管理，從而實現(xiàn)語音、數據、圖像等數據的一體化集成、準確可靠的監(jiān)控、設備在線監(jiān)測、故障報警預警、高效組態(tài)等。基于現(xiàn)場子系統(tǒng)數據將各種情況的信息經分類、處理后準確、可靠、迅捷地反應給控制中心及相應的職能部門和主管領導，以便及時處理，指導和調節(jié)各生產系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的運行。

首先，對采掘過程中的每個設備的基礎信息（包括采煤機、皮帶、水泵等）、控制系統(tǒng)及保護安裝的相關狀況，分析各種保護的工作狀態(tài)，各種保護對皮帶運行的影響，皮帶啟停的工作流程，與采掘系統(tǒng)相互關聯(lián)的其他系統(tǒng)（包括供電系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等）的安裝及工作狀態(tài)等方面做深入的調研。

第二，對每個設備的控制流程進行綜合評測。對于控制系統(tǒng)可靠的子系統(tǒng)采用OPC方式進行控制；對于控制系統(tǒng)不太穩(wěn)定或者未安裝控制系統(tǒng)的設備，通過安裝統(tǒng)一的AC800M控制器與井下設備的控制器通訊，通過實時可靠的傳輸協(xié)議獲取設備運行、監(jiān)控狀態(tài)參數及控制點，將井下設備統(tǒng)一集成到800xA平臺，實現(xiàn)設備的遠程控制。

第三，建立面向生產部門的采掘控制中心，實現(xiàn)對采掘過程，包括采掘工作面系統(tǒng)、運輸順槽、大巷運輸、主斜井皮帶等系列原煤生產流程相關的子系統(tǒng)集中遠程控制；通過控制中心實現(xiàn)對主運輸系統(tǒng)的遠程一鍵式流程起停控制；根據產量計量均衡各工作面的出煤量，自動調整采煤機割煤進度；主運輸環(huán)節(jié)與相關安全保障系統(tǒng)的智能聯(lián)動。

最后，部署操控平臺。操控平臺如圖2所示，常規(guī)的操控平臺搭配3臺大屏、6臺顯示器、2套揚聲器、1臺話筒、1個攝像頭、1個多功能鍵盤、1個鼠標和一套照明系統(tǒng)[4]，可根據需要進行調整。3臺大屏顯示分別顯示關鍵點視頻信號、當前操作畫面和當前報警提醒，顯示器顯示用于顯示控制中心的總體監(jiān)控畫面及各子系統(tǒng)的整體監(jiān)控畫面，當操作某個畫面時，該畫面自動投射到中間的大屏上進行顯示。

圖2 操控平臺示意圖

2.3 控制流程

實現(xiàn)順槽、裝載、主井、上倉等與原煤生產流程相關的設備進行遠程集中監(jiān)測、控制及流程優(yōu)化。

啟動流程：先對裝載、主井、上倉皮帶運輸機①設備是否健康、②通風情況是否良好、③區(qū)域環(huán)境是否良好、④設備供電是否正常，結合各個⑤視頻監(jiān)控點信息、⑥人員所在位置信息、⑦設備閉鎖關系進行綜合評估，一旦出現(xiàn)有一項不符合設備啟動條件的，平臺將無法進行集中流程啟動，并通過平臺返回相應提示信息，告知調度人員，待處理完畢后才能啟動。其中①、③的結果來源于數據分析與專家決策系統(tǒng)。

必要條件：①設備是否健康；②通風情況是否良好；④設備供電是否正常；⑦設備閉鎖關系。

參考條件：③區(qū)域環(huán)境是否良好；⑤視頻監(jiān)控點信息；⑥人員所在位置信息。

應急預案：當流程無法啟動或停止時，需結合平臺返回的信息，由調度人員決定是否待問題處理完畢后再啟動，還是進行解鎖單設備啟動或停止，以免影響生產和影響安全。

3 關鍵技術

自動控制中心的規(guī)劃，立足煤礦安全、生產、管理體系進行全方位設計，強調控制的高可靠性及操控平臺的高效性。因此，控制中心需要從被控設備、執(zhí)行器、控制平臺、控制操作臺等各個環(huán)節(jié)進行全面的評測[5-6]，對整個控制過程中的薄弱環(huán)節(jié)進行必要的升級改造，以目前國內現(xiàn)有技術為基礎，以國外先進技術為支撐，建設高效、實用、可靠的控制中心。主要涉及以下關鍵技術：

3.1 研究被控制設備運行完好性的檢測方法及標準

綜合運用集成的設備數據，設備故障檢測情況，設備檢修情況、設備運行狀況等，研究確定被控設備運行完好性的動靜態(tài)檢測的方法及標準。

3.2 研究并選用先進可靠的傳感器與執(zhí)行器

根據作業(yè)現(xiàn)場的特殊環(huán)境，結合設備及子系統(tǒng)的特性，研究不同種類傳感器與執(zhí)行器的特性，研究確定執(zhí)行器完好性及相關評價標準，以確保執(zhí)行器可靠運行，根據使用場合選用國內外先進可靠的傳感器與執(zhí)行器。

3.3 控制平臺的可靠性研究及評價方法

利用現(xiàn)有成熟軟件平臺以及先進技術，研究適合煤礦行業(yè)可靠的控制平臺，建立標準的評價方法以確?？刂破脚_的可靠性。

3.4 選用先進高效的操控平臺

根據控制中心的需要，研究并選用適合煤礦的一體化操控平臺，通過多屏幕、廣播、音視頻通話等全方位的監(jiān)測生產過程現(xiàn)場，根據每個控制中心的特點，設計適合該控制中心的監(jiān)控畫面、報警方式、操作模式等。

4 結語

通過建設自動控制中心，能夠實現(xiàn)設備的故障診斷及自診斷，切實提高設備、執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)的可靠性；通過對各子系統(tǒng)的數據融合及分析，實現(xiàn)生產流程重組，優(yōu)化控制流程，提高系統(tǒng)的可靠性，降低能耗，提高生產效率。實現(xiàn)生產數據與管理數據的結合，降低運營成本，全面提升企業(yè)運行管理水平。

[1]呂鵬飛,郭軍.我國煤礦數字化礦山發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術探討[J].工礦自動化,2009(9).

[2]吳義祥.煤礦綜合自動化系統(tǒng)的研究[J].工礦自動化,2010(9).

[3]吳立新.數字礦山的若干問題[R].山東泰安:山東省煤管局、國際礦山測量委員會中國委員會,2007.

[4]http://www.abb.com.ABB網站.

[5]孫繼平.煤礦物聯(lián)網特點與關鍵技術研究[J].煤炭學報,2011(1).

[6]張群英.電氣自動化控制設備可靠性測試研究[J].煤炭技術,2012(4).

[7]廖志強,陳東春,劉水文.煤礦井下電磁干擾源及抗干擾技術研究[J].工礦自動化,2012(7).

中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金面上項目（編號：2014MS027）。

閆兆振（1981－），男，山東菏澤人，碩士，副研究員，現(xiàn)主要從事煤礦軟件產品與系統(tǒng)的研發(fā)工作。