礦井綜合自動(dòng)化的研究

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 衛(wèi)文慧

礦井綜合自動(dòng)化的研究

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 衛(wèi)文慧

針對(duì)國(guó)內(nèi)煤礦礦井生產(chǎn)和管理過(guò)程的現(xiàn)有特點(diǎn)，闡述礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),詳細(xì)介紹各子系統(tǒng)接入綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，在地面調(diào)度監(jiān)控中心對(duì)各子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到管控和統(tǒng)一調(diào)度。

綜合自動(dòng)化；管控；環(huán)網(wǎng)冗余；統(tǒng)一調(diào)度

1 系統(tǒng)概述

礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是集礦井監(jiān)測(cè)、報(bào)警、生產(chǎn)操作一體化的系統(tǒng)。系統(tǒng)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。應(yīng)用層采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)和登錄界面,用戶(hù)可以進(jìn)行各子系統(tǒng)間的互訪,網(wǎng)絡(luò)層主干網(wǎng)絡(luò)采用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),保證網(wǎng)絡(luò)通訊的高帶寬和可靠性,能接入工業(yè)控制、視頻、音頻、通訊等各種系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)采用百兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和多種現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線,確保用戶(hù)可兼容接入各種監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由各種監(jiān)控分站、無(wú)線通訊設(shè)備、裝置和各類(lèi)傳感器等組成。

系統(tǒng)［1］建成后,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)顯示、礦井生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、電參數(shù)信息的實(shí)時(shí)顯示、開(kāi)關(guān)量和模擬量的實(shí)時(shí)顯示、控制模式的信息顯示、系統(tǒng)故障的報(bào)警顯示查詢(xún)和各生產(chǎn)設(shè)備的報(bào)警信息顯示,將地面信息管理系統(tǒng)、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)控制子系統(tǒng)、礦井環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)及通信指揮調(diào)度子系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和平臺(tái)軟件整合、實(shí)現(xiàn)全礦井的管控一體化。利用信息平臺(tái)建立指揮決策系統(tǒng),以提高礦井防災(zāi)救災(zāi)的響應(yīng)速度,降低人員的傷害及財(cái)產(chǎn)損失。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本功能：在任何一臺(tái)工作站上實(shí)現(xiàn)對(duì)井上、井下任何一臺(tái)設(shè)備的控制,協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的運(yùn)行,當(dāng)子系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸,具有數(shù)據(jù)查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表打印、歷史曲線顯示、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)系統(tǒng)分級(jí)管理、報(bào)警實(shí)時(shí)記錄、完整的事件記錄等功能,實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間聯(lián)控功能,具有強(qiáng)大的圖形組態(tài)功能、可組屏分屏顯示各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形。

2 軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)由地面調(diào)度監(jiān)控中心、監(jiān)控分站、通信設(shè)備、傳感器等組成,礦井工業(yè)控制環(huán)網(wǎng)將接入的各子系統(tǒng)信息通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換方式與調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)存取,并將各子系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合處理。以全礦井上、下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為信息傳輸網(wǎng)絡(luò),本系統(tǒng)不僅僅是對(duì)所接入系統(tǒng)的信息綜合,把數(shù)據(jù)分類(lèi)、共享,建立有效的管理系統(tǒng),為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù),系統(tǒng)負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析綜合,然后對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)律總結(jié),并將信息在有效時(shí)間內(nèi)提供給系統(tǒng)中的相關(guān)用戶(hù),為用戶(hù)進(jìn)行設(shè)備檢修和采取必要措施提供決策依據(jù),要求網(wǎng)絡(luò)功能完全滿(mǎn)足需求,具有良好的可靠性、兼容性。軟件體系建立在組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)各礦子系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理,實(shí)現(xiàn)控制的權(quán)限管理、數(shù)據(jù)的分析與故障與報(bào)警顯示。軟件體系是集數(shù)據(jù)通信、處理、采集、協(xié)調(diào)、圖表顯示等為一體,能在各種情況下準(zhǔn)確、可靠地做出反應(yīng),及時(shí)處理,協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)工作,達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的目的。具有“集中管理,分類(lèi)控制,全面監(jiān)控”的特點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)

因各子系統(tǒng)所用設(shè)備和通信技術(shù)不同,為達(dá)到系統(tǒng)的自動(dòng)有效控制,將各個(gè)子系統(tǒng)的通信統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)的通信平臺(tái)上,為保證工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸不發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象和考慮冗余問(wèn)題,礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)［2］采用現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信。

對(duì)井下現(xiàn)場(chǎng)總線有如下要求：

(1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：井下網(wǎng)絡(luò)以二級(jí)較為合適,即一級(jí)高速主干網(wǎng)下接一級(jí)低速現(xiàn)場(chǎng)總線,主干網(wǎng)采用光纖作為媒體,能同時(shí)傳輸多媒體信息,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟钥偩€型為宜;

(2)傳輸距離：根據(jù)礦井巷道要求,主干網(wǎng)傳輸距離大于10km,設(shè)備級(jí)傳輸距離達(dá)(1-2)km;

(3)響應(yīng)時(shí)間：對(duì)于安全監(jiān)控,響應(yīng)時(shí)間在1秒以下,對(duì)于生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)在數(shù)十毫秒數(shù)量級(jí);

(4)本安特性和供電,抗干擾能力和對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力,硬軟件支持。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)要求

(1)使用環(huán)境條件：溫度：0℃～40℃,濕度：不大于95%(+25℃);

(2)地面主干網(wǎng)速率：1000Mbps; (3)傳輸介質(zhì)：?jiǎn)文９饫w;

(4)支持全雙工/半雙工運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán);

(5)支持WEB的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng),支持SNMP協(xié)議;

(6)支持單冗余鏈路,網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)間：＞50ms;

(7)整個(gè)系統(tǒng)控制網(wǎng)采用工業(yè)級(jí)設(shè)備;

(8)專(zhuān)用的網(wǎng)關(guān)軟件對(duì)交換機(jī)進(jìn)行管理和控制;

(9)交換機(jī)配置不少于6個(gè)千兆光接口。

3.2 環(huán)網(wǎng)冗余方式

采用光纖環(huán)網(wǎng)冗余方式,設(shè)計(jì)在井下和地面各組建一個(gè)環(huán)網(wǎng),兼顧到傳輸信道、管控服務(wù)器、調(diào)度主機(jī)、供電電源的冗余,核心交換機(jī)采用雙冗余方式。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)其中一段工作中的光纖線路被破壞或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠快速自愈,恢復(fù)正常的通信。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全

(1)VLAN劃分：利用交換機(jī)的三層交換功能,采用基于端口的VLAN劃分,把辦公網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通過(guò)合理VLAN劃分進(jìn)行邏輯隔離,并給予它們各自不同的授權(quán)權(quán)限;

(2)區(qū)域防護(hù)-入侵防御系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)防病毒;

(3)邊界防護(hù)-防火墻：在外網(wǎng)Internet入口處部署一臺(tái)千兆防火墻,分別連接Internet及核心交換機(jī),在防火墻的DMZ區(qū)部署Web、Mail、DB等服務(wù)器;

(4)采用UPS不間斷電源來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的供電安全性;

(5)邊界防護(hù)-互聯(lián)網(wǎng)安全審計(jì)：按照旁路監(jiān)聽(tīng)方式在互聯(lián)網(wǎng)出口處部署1套用于對(duì)上網(wǎng)用戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)管理和審計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)安全審計(jì)系統(tǒng);

(6)構(gòu)建內(nèi)外網(wǎng)之間的安全地帶,即DMZ區(qū),來(lái)放置一些公共服務(wù)器。

3.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在地面調(diào)度監(jiān)控中心布置兩臺(tái)支持三層動(dòng)態(tài)路由功能的核心交換機(jī)。整個(gè)環(huán)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)核心交換機(jī)的環(huán)間耦合技術(shù)、雙鏈路冗余連接互為備份的整體。圖1為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 子系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

各子系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線并集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸平臺(tái)［3］,其集成接入的方式將根據(jù)各子系統(tǒng)的具體情況,通常采取以下三種方式在物理上進(jìn)行連接,并且需要原廠家提供以太網(wǎng)接口和軟件通訊協(xié)議：

(1)對(duì)于在地面己具有上位機(jī)的子系統(tǒng),采用以太網(wǎng)通訊模式就近直接接入環(huán)網(wǎng)平臺(tái);

(2)對(duì)于通訊為RS485、RS232、CAN等總線協(xié)議的子系統(tǒng),采用增加網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換器就近接入環(huán)網(wǎng)平臺(tái);

(3)己具有以太網(wǎng)通訊模式的子系統(tǒng)設(shè)備,以其上位機(jī)就近直接接入環(huán)網(wǎng)平臺(tái)。

在各子系統(tǒng)與綜合自動(dòng)化的千兆以太網(wǎng)進(jìn)行物理上硬件網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接以后,下一步通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊將各子系統(tǒng)接入綜合自動(dòng)化系統(tǒng),其接入方式如表1。

表1 系統(tǒng)各子系統(tǒng)接入方式

5 總結(jié)

實(shí)踐證明,礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)可以全面實(shí)現(xiàn)礦井各生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化,并在地面調(diào)度監(jiān)控中心對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控,達(dá)到提高效率的目的,實(shí)現(xiàn)礦井安全、生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的集成,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、管理數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)“管控一體化”,并為煤礦井下設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)提供技術(shù)手段,能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障、排除故障。

[1]梁敬敬,丁繼存,于秀磊．基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[J]．煤礦機(jī)械,2012(03):243-244．

[2]錢(qián)建生,馬姍姍,孫彥景．基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(02):73-76．

[3]黃嶺松．礦井綜合信息自動(dòng)化系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J]．煤礦機(jī)械,2004(10):117-119．

衛(wèi)文慧（1983—），男，安徽無(wú)為人，大學(xué)本科，工程師，2005年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，主要從事礦用安全儀器儀表、監(jiān)控系統(tǒng)、有線/無(wú)線通信、救生艙的研究和檢驗(yàn)工作。