基于井下100M防爆工業(yè)以太網(wǎng)的綜合自動(dòng)化平臺(tái)的研究

蔣偉+覃光志+張寧+朱云霞+袁興+聞平

摘 要：我國(guó)煤礦經(jīng)過多年的發(fā)展，研發(fā)了很多套自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是各自動(dòng)控制系統(tǒng)通常相互獨(dú)立，形成了所謂的“信息孤島”，為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和信息共享，迫切要求建立一個(gè)綜合自動(dòng)化平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的通信。該文研究設(shè)計(jì)了綜合自動(dòng)化平臺(tái)的硬件接入方案和軟件接入方案。硬件接入設(shè)計(jì)中采用了雙機(jī)熱備服務(wù)器冗余技術(shù)以提高系統(tǒng)的可靠性，軟件接入設(shè)計(jì)中采用了目前主流的OPC技術(shù)以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和實(shí)現(xiàn)軟件即插即用的目的。網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果和系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性等方面令人滿意。

關(guān)鍵詞：綜合自動(dòng)化平臺(tái) 雙機(jī)熱備 OPC

中圖分類號(hào)：TD634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（b）-0001-03

Abstract：After years of development， Chinas coal mines had developed a lot of automatic control systems. However， the automatic control systems were generally independent of each other. There were many isolated islands of information. To further improve production efficiency and achieve unified management and information sharing， coal mines had the urgent need to establish an integrated automation platform to the achievement of the inter-system communication. This paper studied access hardware design and software design. In access hardware design， this paper adopted the dual redundant hot backup server technology to improve system stability. In access software design， this paper adopted the OPC technology to enhance real-time and achieve the purpose of the plug-and-play software. Network simulation results and the actual operating system results showed that the system worked well in real time， reliability，stability and so on.

Key Words：The integrated automation platform； Two hot； OPC

隨著煤炭產(chǎn)量的逐年增加，煤礦安全生產(chǎn)、職工工作條件以及管理水平越來(lái)越受到人們的關(guān)注。為此，美國(guó)、澳大利亞等國(guó)提出采用信息化改造煤炭產(chǎn)業(yè)。早在20世紀(jì)80年代，他們就在運(yùn)輸、供電、提升等多個(gè)系統(tǒng)中，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工況監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制，對(duì)井下環(huán)境安全的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而所有的信息都通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到地面調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)了信息化生產(chǎn)；為減少設(shè)備及其零配件的庫(kù)存量，進(jìn)一步降低噸煤生產(chǎn)成本，他們注重供應(yīng)鏈的管理，大力推進(jìn)以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的電子供應(yīng)鏈；目前先進(jìn)采煤國(guó)正向管控一體化和產(chǎn)供銷一條龍發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)的信息化。

該文利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立一個(gè)綜合自動(dòng)化平臺(tái)，著力解決目前我國(guó)煤礦普遍存在的“信息孤島”問題。該課題涉及煤炭生產(chǎn)過程的多個(gè)環(huán)節(jié)，以這些環(huán)節(jié)的過程控制信息作為數(shù)據(jù)源，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用于獲取實(shí)時(shí)信息，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)用于了解過去一段時(shí)間的信息。這些數(shù)據(jù)將為煤炭的經(jīng)營(yíng)、管理和決策提供依據(jù)，進(jìn)而形成煤炭企業(yè)的專家分析系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。對(duì)于改善我國(guó)煤礦職工工作條件，提高我國(guó)煤礦生產(chǎn)、管理水平有很重要的意義。

1 綜合自動(dòng)化平臺(tái)的硬件接入設(shè)計(jì)

綜合自動(dòng)化平臺(tái)的硬件接入設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：（1）硬件防火墻的區(qū)域設(shè)置設(shè)計(jì)；（2）雙機(jī)熱備服務(wù)器冗余設(shè)計(jì)；（3）控制內(nèi)網(wǎng)硬件接入設(shè)計(jì)。

1.1 硬件防火墻的區(qū)域設(shè)置設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵問題是網(wǎng)絡(luò)的安全性。必須要確保控制網(wǎng)絡(luò)不受Internet病毒的侵害，同時(shí)外部網(wǎng)絡(luò)要能夠?yàn)g覽企業(yè)局域網(wǎng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，例如電子郵件服務(wù)，http服務(wù)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)等。為此，筆者使用了硬件防火墻來(lái)保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)及限制和過濾外部訪問請(qǐng)求。

防火墻是目前一種最重要的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)設(shè)備。它是隔離在本地網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)之間的一道防御系統(tǒng)。典型的防火墻具有以下3個(gè)方面的基本特性。

（1）內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流都必須經(jīng)過防火墻。

（2）只有符合安全策略的數(shù)據(jù)流才能通過防火墻。

（3）防火墻自身應(yīng)具有非常強(qiáng)的抗攻擊免疫力。

筆者選擇的是Cisco PIX 515E防火墻，它可以提供業(yè)界領(lǐng)先的狀態(tài)防火墻和IP安全虛擬專用網(wǎng)服務(wù)。Cisco PIX 515E專為中小企業(yè)和企業(yè)遠(yuǎn)程辦公機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的處理能力。圖1是硬件防火墻區(qū)域設(shè)置圖。

1.2 雙機(jī)熱備服務(wù)器冗余設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用的是雙機(jī)熱備份模式，使用心跳線不停地檢測(cè)主、備用服務(wù)器的工作狀態(tài)。正常情況下主服務(wù)器提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，另一臺(tái)服務(wù)器作為備份。當(dāng)心跳線檢測(cè)到主服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，可以在5 s內(nèi)自動(dòng)切換到備用服務(wù)器，由備用服務(wù)器提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。當(dāng)主服務(wù)器故障恢復(fù)后，必須進(jìn)行手動(dòng)切換才能再次由主服務(wù)器提供服務(wù)。

主、備服務(wù)器使用共同的存儲(chǔ)介質(zhì)：磁盤陣列。磁盤陣列在任何時(shí)刻僅屬于其中一臺(tái)服務(wù)器，可以通過設(shè)置服務(wù)是否掛起來(lái)決定磁盤陣列屬于哪一臺(tái)服務(wù)器。圖2是系統(tǒng)雙機(jī)熱備服務(wù)器冗余圖。

1.3 控制內(nèi)網(wǎng)硬件設(shè)備接入設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、東風(fēng)井控制室、上組煤中央變電所、下組煤中央變電所、上組煤四采變電所、海域上部變電所、海域中央變電所首尾相連，形成單環(huán)工業(yè)以太網(wǎng)。圖3是系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)連接圖。

2 綜合自動(dòng)化平臺(tái)軟件接入設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選擇的是iFIX組態(tài)軟件，利用它優(yōu)秀的圖形功能繪制較為精美的畫面，有利于操作員在從事枯燥工作時(shí)能提高興趣；利用它的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)可以統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)點(diǎn)，多樣的數(shù)據(jù)塊類型減少了編程的難度和時(shí)間；利用它的網(wǎng)絡(luò)功能來(lái)自動(dòng)尋找網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)；利用它的通信功能來(lái)支持礦井的各種設(shè)備如PLC，數(shù)據(jù)采集板，DCS等，且便于后期接入新的設(shè)備；利用它的管理功能來(lái)分區(qū)域設(shè)置報(bào)警量，進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，禁止使用Ctrl+Alt+Del等操作來(lái)強(qiáng)行關(guān)閉運(yùn)行畫面，利用報(bào)警Alarm ODBC可以將報(bào)警記錄傳送到SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而方便查詢；采用硬件狗加密技術(shù)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該系統(tǒng)主、備用服務(wù)器上安裝的是iFIX3.5服務(wù)器版本，其加密硬件狗接口類型是USB接口，而各操作員站安裝的是iFIX3.5客戶端版本，其加密硬件狗接口類型是并口。

該系統(tǒng)的軟件通信方式選擇的是OPC技術(shù)，OPC是建立在微軟的OLE（即現(xiàn)在的ActiveX）、COM（組件對(duì)象模型）、DCOM（分布式組件對(duì)象模型）基礎(chǔ)上的，由OPC基金會(huì)組織制定的用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用軟件開發(fā)的一組包括接口、方法和屬性的標(biāo)準(zhǔn)。OPC技術(shù)在硬件供應(yīng)商和軟件開發(fā)者之間搭上了一座橋梁，它提供一種機(jī)制以一種標(biāo)準(zhǔn)方式將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源傳送到任意客戶端應(yīng)用程序。一個(gè)設(shè)備供應(yīng)商可以開發(fā)一個(gè)可重用的、高度優(yōu)化的服務(wù)器與數(shù)據(jù)源之間的通信，并且能高效地從數(shù)據(jù)源或者現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備存取數(shù)據(jù)。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以什么方式存在，客戶端都用同樣的方式去訪問，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性，實(shí)現(xiàn)了與其他系統(tǒng)的接口。OPC采用面向?qū)ο蟮脑瓌t，將一個(gè)OPC服務(wù)器作為一個(gè)對(duì)象封裝起來(lái)，只將接口方法暴露在外面，客戶端以統(tǒng)一的方式去調(diào)用這個(gè)方法而不需要了解服務(wù)器內(nèi)部組織。對(duì)于客戶端而言，OPC服務(wù)器就像是一個(gè)黑匣子。客戶端程序開發(fā)者可以使用相同的OPC客戶端程序，操作不同的硬件裝置，從而實(shí)現(xiàn)了軟件重用和軟件的即插即用目的。

3 結(jié)語(yǔ)

文章主要進(jìn)行了綜合自動(dòng)化平臺(tái)的硬件接入和軟件接入方案設(shè)計(jì)，比較了目前主流的各種組態(tài)軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示圖及網(wǎng)絡(luò)冗余狀態(tài)指示圖，探討了報(bào)警記錄的產(chǎn)生、顯示及存儲(chǔ)等問題，最后分析了系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的主要問題并提出了解決方案。

為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效益，改善煤礦職工的工作條件，提高煤礦生產(chǎn)管理水平并和國(guó)際先進(jìn)采煤國(guó)接軌，在充分調(diào)研和考證的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套適合煤炭等工作環(huán)境比較惡劣的企業(yè)的綜合自動(dòng)化平臺(tái)。它能夠24 h不間斷地監(jiān)視井下各控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面控制井下各控制系統(tǒng)，并提供報(bào)警記錄瀏覽、操作記錄瀏覽、事故追憶等功能，實(shí)現(xiàn)了通過煤礦局域網(wǎng)即可瀏覽井下各控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，表現(xiàn)一直很穩(wěn)定、很可靠。實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)改善了煤礦職工的工作條件，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效益。

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