黃陵一號煤礦實現數字化礦山的轉型實踐

朱元軍

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

2008年黃陵礦業公司一號煤礦啟動了數字化礦山一期建設，一期建設主要實現在調度指揮、井下各生產系統自動化控制、安全生產作業等方面的煤礦綜合自動化管理模式，為井下生產無人值守提供可能。2012年黃陵一號煤礦又對數字化礦山進行了升級，系統升級時黃陵礦業公司本著“安全、可靠、經濟、實用”的原則，將工業網絡升級為萬兆工業網絡，同時增加皮帶運輸系統、井下變電所、水泵房、洗煤廠遠程控制系統，實現了統一通信與協作、統一實時數據獲取模式、統一數據存儲、統一編碼、統一安全、審計管理機制，達到數據接口開放的原則。2018年年底又啟動了安全信息共享平臺建設，通過搭建安全信息共享平臺，統一礦井管理信息，生產系統的監控信息、地質儲備信息的統一管理，進而實現了黃陵一號煤礦“數字化礦山”轉向“智慧礦山”的步伐。

1 數字化礦山一期建設情況

一號煤礦建立了1 000 M工業以太環網，并將綜合自動化控制系統、工業電視監控系統、調度電話系統采用數字調度電話主機接入1 000 M工業以太環網。按工業以太網交換機分布設立IP語音網關將調度電話終端接入網絡，利用工業以太環網的建立，為控制、語音、視頻等信息三網合一提供基礎網絡平臺，也為煤礦生產管理中實現“生產過程自動化”“安全監測數字化”“企業管理信息化”“信息管理集約化”的數字化礦井提供一個統一的開放型網絡平臺[1-3]。

1.1 工業網絡系統

采用環間耦合冗余兩級網絡結構，在地面、井下各建立一個環網平臺，地面、井下環網分別與監控中心網關交換機連接，最終形成一個冗余工業千兆主干環形網、百兆接入的技術方案。而地面的兩臺工業核心交換機組成Hiper-Ring環網，兩個現場環網基于雙機Coupling冗余耦合技術接入兩臺工業網關交換機，組成全網一致的整體冗余網絡(任一單斷點自愈時間快于50 ms)[4-6]。方便了地面與井下各個子系統的接入，同時方便井上下的工業網絡的擴展與升級；實現了數據、視頻、語音三網合一。同時工業電視系統也采用了本項目建立的環網進行視頻傳輸，各監控點將接入就近的環網節點交換機。服務器、操作站及單環網與核心交換機均采用千兆口連接，整個綜合自動化層達到千兆網水平。整個網絡采用了雙環網型設計，保證了數據傳輸，增加了網絡的安全性和可靠性。

1.2 搭建一體化監控軟件平臺系統

一體化集控平臺是集數據通信、處理、采集、控制、協調、綜合智能判斷、圖文顯示為一體的綜合數據應用軟件平臺，平臺能夠在各種情況下準確、可靠、迅捷地作出反應，及時處理，協調各系統工作，達到實時、合理監控的目的[7-10]。其數據接口采用通用接口發布數據(HTML/XML/COM/DCOM)，提供與其他系統的集成接口。其次一體化的綜合數據應用平臺能夠進行實時監控，對操作及事件記錄做到記性記錄，故障報警做到統計分析，所有的歷史數據做到綜合查詢、趨勢圖與歷史曲線查看。平臺本身具有用戶管理子系統，資源管理子系統，身份驗證和權限驗證子系統，報警聯動預案系統，應急信息管理，Web瀏覽、數據管理以及畫面數據系統分級管理，工業電視及大屏顯示系統，是一個礦井全面綜合信息的管理操控平臺。其框架結構如圖1所示。

圖1 框架結構圖

1.3 礦井各類自動化系統接入

自動化系統接入充分考慮了主皮帶及煤流、井下供電、副井提升、水泵房、洗煤廠、綜采面頂板壓力監測、安全監測、主扇風機、人員定位等礦井輔助生產系統與監控系統。生產系統的遠程控制要綜合利用系統中已有的PLC控制系統，就近接入環網實現集中控制。其次在遠程控制建設時要充分考慮各個設備的遠程/就地的單機啟?？刂?、遠程閉鎖聯動啟?？刂?、整個系統的急?？刂?。例如，膠帶運輸系統可對各種煤流流程進行編程和選擇，對給煤機等單機設備可聯機啟動，也可單機啟動，在煤流選擇上要具有閉鎖保護功能，在實現遠程逆啟順停時，也要將所有設備的相關數據(電機電流、速度、保護動作)都進行實時顯示、歷史數據儲存和查詢，實現所有報警信息的提示、儲存，相應報表的統計輸出，同時將這些數據傳送到礦調度室，實現信息的共享，及相關數據的Web發布，達到數據的遠程查詢和管理功能。在各類安全監測系統上位機上安裝以太網卡，直接接到地面千兆以太環網中，通過編寫程序協議轉換，讀取系統信息，實現安全監測系統與其他生產相關系統相結合，使設備的運行實現全監控安全生產的目的。

2 數字化礦山二期完善情況

2.1 網絡框架升級

原有腳本：黃陵一號煤礦一體化監控平臺設計始于2008年，一體化監控平臺軟件采用IFIX+iCV的模式，大部分自動化系統在IFIX平臺下集成，部分應用功能在iCV下開發，平臺軟件采用腳本語言互相調用的模式。對于Web發布系統采用PORTAL軟件，該軟件雖然功能強大，但因為煤礦系統多、變量多、每個系統組態畫面動態效果多，這樣通過遠程電腦登陸Web發布系統的話，響應速度就相對較慢。針對目前存在的以上問題，二期建設將平臺控制程序的腳本升級為iCV5.X。

網絡升級：黃陵一號煤礦工業網絡系統以TCP/IP技術作為整個系統的通信標準，網絡帶寬采用1 000 M，其主要設備采用赫斯曼MACH 4002-24G-L3E和MS4128-L3E。其次控制設備的數據量與礦井監控系統的數據量不斷提升，網絡帶寬占用率已經達到了70%左右，出現數據傳輸擁堵，數據丟包與數據丟失等現象。針對以上情況，一號煤礦對工業網絡進行了完善，工業網絡的帶寬擴展至萬兆，其次通過增加大功率的礦用隔爆型備用電源，為網絡基礎提供了可靠的穩壓供電及后備供電。

2.2 礦井各類自動化系統完善

原系統存在的問題：一期建設期間由于黃陵一號煤礦自動化子系統的自動化程度參差不齊，比如二號風井提升系統、三號風井提升系統，子系統廠商設計的PLC控制系統采用的PLC型號過于陳舊，通訊速率低，CPU處理速度慢，沒有通訊接口，監測的參數也不是很全面。針對存在的問題，二期完善階段對原系統進行升級，逐步地實現井下主要生產系統的無人或者少人化職守。

改造內容：①提升PLC控制系統應配置以太網通訊模塊，以便可以接入環網交換機，實現遠程監控功能;②監控系統和提升監控系統數據實現全方位采集。通風機監控系統應包含瓦斯含量、風壓、風速、風機電流、電壓、電機振動、定子溫度、軸承溫度等參數；提升系統應采集提升速度、電機電流、提升勾數、提升高度、安全回路信息、保護信息等參數；③井下高爆開關的微機保護裝置更換了具備以太網接口的微機保護裝置，則遠程控制基本上可以減少延遲到1～3 s，如果采用RS485接口的微機保護裝置，遠程控制的延時一般都在3～6 s。

3 數字化礦山升級轉型

3.1 礦井安全信息共享平臺

平臺建設過程：近年來，陜煤集團黃陵礦業公司一號煤礦在“智慧平安新礦山”的規劃下，總體取得了明顯的進展和成效。2018年輔助生產系統的各類信息化、自動化體系基礎建設日趨完善，設備運行監控數據也呈現立體化，有效保護了各系統的日常運行。2019年建立的礦井安全信息共享平臺，實現礦井基礎設施完善到各類信息的集中應用分析的跨越，平臺結構如圖2所示。

圖2 安全信息共享平臺

平臺實現的功能：平臺采用了地理信息系統、云平臺、大數據、物聯網等信息技術，將礦井遙感影像導航、圖件疊加顯示、基礎信息等直觀地展現在GIS一張圖上，實現了對礦井采掘工程、地質測量、防治水、一通三防、機電運輸、監測監控、應急救援、安全風險、預測預警、氣象信息等數據的在線監測和提醒功能，杜絕了礦井“空間數據”和“業務數據”的不規范、不統一、不科學等管理漏洞，為管理層決策提供了依據。

3.2 信息共享平臺數據接入

平臺通過安全生產網的數據接入：實現礦井風險管控、隱患治理、三違管理、安全專項管理、職業健康、安全綜合管理數據的多維度展示與應用，解決了隱患排查治理過程中責任落實不到位、問題剖析不全面、現場難預防等問題，堵塞了礦井不安全因素未解決、遲解決的管理漏洞，達到了隱患雙重防御機制，健康監護自動提醒模式。

平臺通過經營銷售網數據接入：對礦井總產量、總進尺、開拓進尺、銷售庫存、排水用電、煤炭價格行情進行展示，為管理層準確把握市場動向，制定適應當前形勢的生產模式提供了科學依據，避免了“信息孤島”經營管理漏洞，實現產品結構的優化、市場核心競爭力的提升、地區價格風向標隨時掌握的良好管理趨勢。

平臺通過物流供應數據的接入：對供應鏈庫存、礦井物資庫存進行數據整合，借助礦井自身的物資超市，達到物資數據集中共享、代儲代銷，有效降低庫存資金占用率的良好效果。

3.3 下階段智能化建設思路

建設方向及原則：下階段煤礦輔助生產系統的智能化建設，將是建立礦井生產系統大型數據庫，實現監測數據與設備運行狀況的第三方深度融合分析、挖掘，形成數據的深層次利用，形成獨立的“互動”型分析預警體系，使系統控制程序更加智能化。生產數據庫的建立則要充分考慮綜采、掘進、供電、運輸、環境監測、排水等監測信息的梳理和統一收集，形成一個統一、完整、立體的數據庫。

建設重點：要深度研究和尋找礦井各生產系統運行、報警、故障之間的相互關系，挖掘各系統運行的深度線性規律，并根據線性規律與參數變化之間的相互關系，挖掘和整理礦井生產系統數據庫中能夠產生“蝴蝶效應”的數據源。根據“數據源”制定生產系統立體式預警、智能診斷體系，使系統能夠針對“異常變化”做好超前預判、預報。例如，形成煤礦安全監控在線分析預警系統，礦井安全供電專家管理系統，礦井三維通風、生產、管理的仿真系統等智能系統。最后通過開發智能手機APP，使礦井管理掌上化。

4 結語

在煤礦生產環節信息化、自動化、集成化的不斷提高，數字化與自動化建設不斷完善的情況下，礦井的自動化、集成化發展不僅提高了煤炭生產系統的管理水平，并且達到了安全、高效、環保、健康運行。然而現階段多數輔助生產系統在遠程操控后，系統的運行狀況全部依靠監測監控數據，并且當監測數據提示報警時，系統不能夠自我分析、預警、診斷故障類型，集控系統仍需現場巡視或遠程人工干預。