基于工業以太網的板集煤礦綜合自動化解決方案

楊建宇

（國投新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001）

1 工業網絡架構與綜合自動化系統組成

板集煤礦千兆工業環網采取三層網絡結構，采用業內成熟的自動化產品、網絡產品和工業控制軟件、數據庫軟件，將安全生產的所有子系統均能通過工業以太網接入到綜合平臺中，集控中心可實現實時對設備工況進行監測控制，組態畫面實現立體仿真監視，子系統基礎設備執行元件具備完整的伺服功能，從而增強管理層的自診斷、自適應、自學習等智能控制功能，形成統一控制的智能化整體。

1.1 綜合網絡平臺方案的設計

根據板集煤礦信息化建設的要求，板集煤礦設計三層網絡，調度指揮中心網絡、1000M赫斯曼工業以太主干網、子系統接入網絡。地面綜合調度控制中心建立以監測與控制為主的管理以太網，可向公司的提供全礦安全生產信息，支持授權的遠程訪問。綜合控制系統包括井上部分和井下部分，以千兆工業以太網作為全礦主干網，通過赫斯曼工業級交換機為各子系統提供工業以太網接口，地面、井下均可接入。地面綜合調度控制中心主要由操作員站組成，軟件平臺在采用組態軟件基礎上進行二次開發而成，采用對應系統立體仿真模型組態其監控畫面。每一臺操作員站的監測與控制工作進行相應授權，以提高系統安全可靠性。

地面千兆工業以太環網由工業交換機組成，各子系統接入附近的交換機。后期擴展的系統可以通過相關的接口模塊和交換機接入到系統中。地面主網絡通過地面網關交換機接入調度指揮控制中心網絡。

1.2 井下工業環網的設計

井下千兆以太環網也是通過地面網關交換機接入調度指揮控制中心。井下設計以工業以太網光纖環網為主要控制網絡，通過井下防爆交換機形成千兆以太環網，構成井下安全、生產過程控制自動化的統一的網絡平臺。

1.3 礦井與集團公司的數據共享

集團公司和礦井的數據共享可以通過兩種方式實現：

1）建立B/S結構的Web方式，以授權的方式通過礦局域網實現集團公司對礦井各生產安全子系統實現遠程監測。

2）提供基于COM/DCOM的標準OPC Server接口通過礦調度指揮中心建立與集團公司調度室的數據通信接口，實現集團公司對礦井各種安全生產信息實現遠程監測。

2 主要自動化子系統的建設與接入設計

每例子系統都需要從最底層控制設備做起，完善傳感器的控制范圍，增強執行元件的位移、速度、力矩等伺服控制功能，提高控制器的PID等智能控制能力，為智能接入提供堅實基礎。主要子系統的接入闡述如下：

（1）壓風機、鍋爐房等地面系統：現場控制站采用西門子S7-300系列PLC，使用Profibus-DP通訊，與上位機通過MPI通訊，上位機采用西門子Wincc組態軟件。由CP343-1以太網模塊接入至綜合智能平臺,增加NSC2200E前置機系統進行綜保數據采集集中及協議轉換整合入110kV變電所監控系統。

（2）主、副井提升監控系統：副井提升接入方法為配置光線收發器通過光纖AC-800M PLC接入設置于主井提升控制室內的主環網交換機上。主井接入方法為通過光纖收發器由S7400 PLC接入設置于主井提升控制室內的主環網交換機上。

（3）井下供配電系統：井下供配電系統由井下中央變電所監控系統和采區變電所監控系統兩大部分組成。中央變電所、采區變電所均采用德國貝克的PHDI、PHDO高壓隔爆開關。高壓隔爆開關均配置MPE綜保模塊，可以監測各種電氣參數及控制開關分合閘，提供標準接口接入到PE4200AT總線適配器（每個可接入四個開關），總線適配器串接接入至Promos Plus現場總線進而接入至MMC。集控中心通過OPC驅動實現與各開關的實時通訊。

（4）井下車輛管理系統：井下和地面平巷軌道運輸系統的控制管理和礦車定位系統由德國貝克的mincos系統來實現。道岔扳道裝置采用氣動設備，通過無線遙控的方式由機車司機進行控制。配合基于井下WLAN無線局域網實現的井下機車的定位，mincos可以對軌道控制提供閉鎖和對軌道運輸信號系統進行控制，實現舊有信集閉系統的所有功能。依靠WLAN井下無線局域網的定位和數據傳輸功能，通過對由手持機PDA傳輸到系統中的機車運載物料數據的分析，可以方便的對井下物料運輸和材料的使用情況進行跟蹤核對。

（5）采煤工作面與掘進工作面自動化系統：系統設備由工作面操作臺上的主控站MINING MASTER來進行協調控制，實現配合工作。mining master通過modbus和ast總線實現了對工作面供電系統的信息采集。通過profibus采集cst軟啟動和液壓支架系統的信息，由Profibus結合無線方式采集采煤機的監控信息，通過AST總線和工業以太網實現工作面其他系統的信息采集。系統高度集成后可識別所有在運行中出現的故障。通過對故障的種類和位置進行判斷，為礦井的生產調度和管理提供方便。

（6）虹膜考勤、地磅稱重、安全監控、人員定位、礦壓監測系統：均采用基于TCP/IP與以太網結構的多級結構系統，實現在以太網范圍內的遠程監控。第一級主站接入到礦井地面環網，經以太網傳輸至礦井調度集控中心實現遠程監控。

3 子系統VLAN規劃示例

表1 井下子系統VLAN劃分示例

根據（井下）不同子系統的網絡需求，在核心交換機上劃分適量的VLAN。VLAN1～VLAN50用于地面工廣與生產系統使用。井下子系統VLAN劃分如表1所示。

4 系統特點與主要指標

（1）系統特點：千兆工業以太環網為煤礦搭建“三網合一”的信息傳輸提供了有力支撐。環網重構時間應該小于300ms。針對各子系統建立虛擬局域網，同時保證既獨立傳輸和高效運行，防控網絡廣播風暴。集成化的編程組態，使操作管理人員易于上手維護。豐富的網絡管理功能，便于故障的定位和及時排除。

（2）主要指標：帶寬：1000M；通信協議：TCP/IP 協議；交換機數：暫列50個；拓樸結構：總線、星形和環形；冗余性：可以形成千兆環網，總長可達150RM，出現故障時重新組態路由時間＜0.3S；交換機接口：2個1000Mbit/s RJ45接口，12個100Mbit/s RJ45接口；

2個1000Mbit/s ST光纖接口，4個100Mbit/s SC/BFOC光纖接口；通訊方式：1000M工業以太網；診斷功能：能對故障進行快速定位；系統無故障運行時間：＞1/8000小時；使用壽命：10萬小時以上。

5 小結

利用網絡技術和自動化技術對生產和管理模式進行業務流程再造，可以實現扁平化管理。可以通過構建以礦井工業以太網為基礎的統一高速信息傳輸平臺、以監測監控數據信息融合為基礎的統一的軟件集成平臺、以智能數據處理和聯動為基礎的統一的技術管理平臺，來努力為煤礦企業探索實現生產過程自動化、安全監控數字化、企業管理信息化和信息管理集約化的智能化礦井。

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