煤礦綜合自動化數據系統優化升級

仝衛兵

（大同煤礦集團朔州煤電有限公司安全應急防控中心 ，山西 懷仁 038300）

0 引言

煤礦綜合自動化平臺是根據管控一體化思想，以三層物理結構為基礎，結合自動化，信息、計算機、網絡、通訊的新理論和技術，采用世界先進的自動化產品、網絡產品和數據庫軟件、控制軟件，將煤礦生產管理的各個環節，統一在一個網絡平臺上，形成一個統一、完整的有機整體。煤礦綜合自動化系統是煤礦生產自動化、信息化的中樞神經系統。通過新興物聯網信息技術，可提高煤礦企業生產能力和信息管理能力，充分實現煤礦生產過程的機械化和自動化、生產系統的信息化和智能化，提升企業整體安全生產水平。所以確保過程控制層數據傳輸的高效性、準確性、可靠性、安全性是其關鍵[1]。

1 小峪煤礦綜合自動化數據傳輸系統現狀

目前小峪煤礦綜合自動化平臺數據傳輸系統水平較低，只有井上/井下皮帶集控子系統、井下排水集控子系統、井下防爆絞車集控子系統采用了西門子PLC300控制器直接接入井上中央PLC控制器，現場數據參數等由井下PLC300通過以太環網S7通信傳輸到地面指揮中心中央PLC400內，實現集中控制。而其他集控系統采用的是各廠家不同控制設備，數據傳輸協議不統一，沒有全面加入自動化平臺；控制器之間經常出現通訊故障，導致程序運行中斷，大量的實時數據不能由地面調度中心及時獲取，無法全面檢測系統運行狀況且生產故障不能被發現并處理。因此非常有必要對數據傳輸系統進行優化升級。

2 基于OPC技術的煤礦綜合自動化系統

2.1 OPC技術原理及應用

針對使用不同設備采集數據的所有生產系統，不管是已經接入還是沒有完全接入綜合自動化平臺均可以統一使用OPC技術采用CLIENT/SERVER模式實現數據采集。這樣便于系統組態，簡化復雜系統，縮短軟件開發周期，提高軟件運行能力，使系統的升級與維護更為方便。OPC技術基于OLE（對象連接和嵌入）技術,OLE/COM為通信標準，采用Client/Server模式，具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優點。針對硬件設備的驅動程序由硬件廠商完成并提供具有統一OPC接口的SERVER程序，軟件廠商按照OPC標準訪問SERVER程序，這樣即可實現計算機系統與底層各種不同廠家控制設備的數據通信[2]。OPC技術原理如圖1所示。

圖1 OPC技術原理圖

2.2 基于OPC技術的煤礦綜合自動化系統結構

礦井綜合自動化系統是井上/井下機電裝備自動化子系統的集成，是對整個煤礦所有系統設備的工作狀態進行數據采集、控制、監測和管理的系統。礦井建設的生產系統、數據采集監測系統、信息管理系統都可以通過OPC技術接入到礦井綜合自動化系統中。一套完整的綜合自動化系統平臺包括控制執行層、網絡傳輸層和信息管理層。基于OPC技術的礦井綜合自動化系統結構如圖2所示。

1）控制執行層。控制執行層由各種傳感器、PLC現場控制分站、現場操作員站等組成。各子系統利用智能傳感器和執行器通過與PLC或上位機硬件通信,建立基于TCP/IP的硬件通信機制,采用OPC通信標準建立通過工業以太網實現遠程監測與控制的軟件通信機制[2]。以完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能，用戶就能隨時通過執行工作站查詢網絡運行狀態以及現場設備的工況，對生產過程進行實時的遠程監控。將底層測控信息實時傳遞給網絡傳輸層和信息管理層以實現自動化控制與監測。

圖2 小峪煤礦改造后綜合自動化數據傳輸系統

2）網絡傳輸層。網絡傳輸層部分由網關設備、控制總線、以太環網等組成全礦井的綜合自動化網絡平臺，采用OPC技術對自動化系統底層的現場控制器和現場智能儀表數據參數進行傳輸。通過該層往下能對礦井內各控制子系統發布控制命令，并能監視各子系統內設備的運行狀態，收集所需的生產和安全參數；往上能夠聯接信息管理層，實現生產、監測與管理之間的信息交換。

3）信息管理層。信息管理部分由WEB服務器、病毒服務器工控以太網設備、個人計算機及相關的軟件通過基于TCP/IP的Ethernet組成，利用控制執行層提供的大量生產信息使企業各個實體將能夠不受地域的限制進行監測、控制煤礦井上下的各種設備，并對這些數據進行進一步的分析和整理，為相關的各種管理、經營決策提供支持，實現管控一體化。

3 小峪煤礦綜合自動化系統優化升級方案

3.1 對底層控制設備進行設置，將其接入以太環網

1）對于采用PLC控制的子系統，本身具有以太網通訊模塊，應通過各組態軟件進行組態，設定各PLC的IP地址和子網掩碼后將其下載到PLC內然后通過PLC的以太網接口與以太環網相連，利用OPC Server實現數據的集成。

2）對于不能添加以太網模塊的PLC控制單元，考慮是用串行通訊轉換模塊實現與OPC服務器的連接，也可以改造為帶工業以太網連接口的PLC主機，實現集中控制。

3）對于無法進行底層傳輸整合的子系統，OPC服務器通過以太網及DDE/ODBC/FTP等接口協議與該類型的子系統主機相聯。

3.2 利用網絡傳輸層網絡管理軟件對底層設備進行監測管理

在小峪煤礦環網中使用的赫斯曼防爆交換機其網絡管理軟件Hidiscovery可以對整個網絡的運行狀態進行監測和控制。赫斯曼交換機支持OPC服務可以與工業監控組態軟件實現數據通信,從而使網絡管理集成到SCADA系統中進行統一管理[3]。通過登錄交換機的IP地址在Web界面可對交換機樹形菜單下連的各個設備進行監測和管理。網絡管理軟件可以自動發現并顯示所有支持SNMP的設備，顯示網絡的邏輯結構和IP地址與MAC地址；可觀察網絡上任何一個節點的設置并可使用端口管理器對任意聯接進行簡單設置；可診斷設備故障，減少停機時間，提高設備利用率。對整個網絡傳輸層高效、順暢地傳輸數起到了關鍵作用，為煤礦可靠、安全、經濟生產提供有效服務。網絡管理軟件登錄設置如圖3所示。

圖3 網絡管理軟件登錄與設置

表1 各子系統監測信息

3.3 信息層服務器、客戶端及各監控設備的設置

通過網絡傳輸層將底層數據傳輸到信息管理層OPC服務器后，可通過服務器的測試軟件檢查OPC服務器與井下PLC等設備的通信狀況。然后對各臺服務器及客戶端的用戶名、密碼、IP地址、防火墻、安全策略等進行設置，重點要對服務器及客戶端電腦進行DOCM配置。這樣現場設備的運行參數、狀態等由各類型PLC控制器通過網絡傳輸層傳至地面指揮中心OPC服務器，服務器對所讀取的數據進進行分析處理后，將所有的數據傳輸至上一級上位機組態軟件，上位機組態軟件wincc以文字、數據、圖形、圖像實時地反映各系統工作狀態以及各變量和參數，為工作人員提供有效的設備運行狀態監控及預警能力[4]。實現各系統的本地控制和遠程控制入網。

4 小峪煤礦自動化系統應用效果

小峪煤礦現在將副井提升監控子系統、地面壓風監控子系統、主扇風機監控子系統、電網監控子系統、架空人車監控子系統、防跑車監控子系統、安全監測子系統、井下人員定位子系統機等多個系統利用OPC技術成功接入煤礦綜合自動化平臺中。以皮帶系統為例系統優化升級后可實現以下功能：基本監測信息：帶式輸送機及其關聯設備開停，連鎖、閉鎖狀態，輸送機帶速、運煤量和煤倉煤位等。基本控制功能：帶式輸送機、給煤機具有聯動和連鎖功能；根據需要具備逆煤流啟動、順煤流停車起停方式，遠程控制可實現一鍵啟停一臺或一組設備。具備現場無人值守功能，減少現場崗位操作人員。

實際應用表明小峪煤礦利用OPC技術將井下各個子系統接入煤礦綜合自動化平臺的改造方案成功可行。實現礦井生產過程的機械化和自動化、生產系統的信息化和智能化，提高了煤礦安全生產水平。