神東綜采工作面自動化數據采集系統應用研究

張 飛

（神東煤炭集團，陜西神木 719315）

0 引言

就傳統模式下的煤礦產業實際監控系統而言，絕大多數借助控制儀器進行，在很大程度上受到煤礦產業現場環境影響和具體地點地勢影響等，而開發煤礦產業數字化監測程序的程序人員也很容易受到各種條件約束，難以針對性地運用本地系統更好地服務集成，以構建現場內部網絡的生產監控和數據采集程序。因此，傳統的監控程序往往能較好地完成煤礦產業的實際工業生產監控需求，但并不能使開發者有效訪問系統外部更加豐富的數據資源和信息資源，必須嚴格控制實際監管系統應用程序行為以確保程序應用安全。

隨著我國經濟社會的快速發展和科技水平的不斷提升，自動化技術、人工智能技術等的不斷普及與應用，逐步提高了各行各業信息化建設水平和可持續性發展水平，煤礦產業同樣如此。而在現代社會信息化技術和工業化進程不斷推進的大背景下，國內煤礦產業在其生產過程自動化以及信息化監管方面取得了較大成績。與此同時，煤礦企業不斷要求增強系統可靠性、兼容性與開放性，在遠離煤礦采礦第一現場設備環境條件的基礎上，及時反映當前監控設備的實際運行狀態，并對煤礦產業的實際生產狀態進行控制。在此條件下，遠程控制監管及遠程控制技術應運而生，煤礦自動化數據采集系統等不斷發展，為及時發現甚至提前判斷煤礦采礦設備故障，為確保煤礦企業生產安全奠定了堅實基礎。在此基礎上，對自動化數據采集系統的相關應用和研究也就具備了重要的理論意義和現實價值。

1 系統研究背景

眾所周知，當今社會是信息化時代，資源開采效率提高、資源利用效率等的提升是煤礦企業落實可持續性發展和綠色發展觀的重要外在體現，更是提高煤礦企業經濟發展效益和市場發展潛力、甚至增強企業核心競爭力的根本要求。盡管在21 世紀初期，國家相關部門就積極要求煤礦企業不斷開展安全生產信息化建設，在一定時限后也取得了較為顯著的成績，但是隨著當代社會人工智能技術、物聯網技術以及大數據技術等的不斷普及和應用，在對現有煤礦企業信息化開采技術及數據采集技術等的大力分析情況下，不斷提出了全新的煤礦開采理念，不斷提升了加強煤礦企業設備利用效率等要求。在此情況下，神東礦區積極開展設備數據監測及智能分析項目以及設備數據分析及健康管理項目等諸多活動，旨在將煤礦采礦業的綜采、機電、通風、安監、人員、通信等多套系統設備實時監控系統數據信息整合到完善的一套系統中，實現“一張圖”的全礦井的綜合監管體系，最大化地強化集中調度和應急指揮水平，做到類似于PSI 公司區域自動化項目的實際效果。同時，盡可能融合神東礦區現有的管理系統數據，實現實時信息和業務管理的信息聯動升級，最大化提高機電設備的業務管理效率，并進一步借助數據分析、統計和處理實現量化機電設備管理指標，從而加強機電設備考核管理的目的，為后續設備數據資產信息的積累以及未來大數據技術的深度應用和實時優化管理技術水平的不斷提升奠定基礎。

在此過程中，國家能源投資集團神東礦區現有遠程監測13個礦井的采煤機、支架、三機、順槽膠帶機、主運輸膠帶機、主通風機等諸多設備，實現運行監控7 個子系統，膠帶機122 部，21臺套主通風機以及28 個綜采工作面，為煤礦開采及其相關設備的運行狀態、故障處理和歷史數據信息分析等奠定了基礎，圖1為神東礦區7 個遠程監測子系統分類示意。

進一步探究神東礦區綜采工作面自動化數據采集系統應用建設的研究背景可知，該礦區目前存在數據管理問題、資產管理缺乏數據支撐問題以及數據分析及健康管理體系不完善等三大問題。就數據現狀分析問題而言，數據采集難度較大，區域自動化的大柳塔礦、補連塔礦、上灣礦和哈拉溝礦等合計監測169 600點，但全公司13 個礦井總計監測點卻超過450 000，部分礦區數據點統計如表1 所示。從表1 可知，數據點大礦改前46 000個，大礦改后67 840 個；四礦改前115 000 個，四礦改后169 600 個。

圖1 神東礦區7 個遠程監測子系統分類示意

表1 部分礦區數據點統計

另一方面，神東礦區數據監測標準急需完善和統一。由于神東礦區現有信息化系統160 多個，部分相關系統之間實現端與端的集成對接，但數據共享度并不高，實際整合難度較大，需要運籌帷幄和統籌計劃。同時，設備管理中心僅在設備健康管理和大數據分析方面進行了相應的數據標準修訂，并不包括數據整合方面的標準信息統一。

2 煤礦自動化數據采集發展現狀

目前，隨著時代的變化與發展，煤礦企業的生產管理過程正發生著翻天覆地的變化。在煤礦企業的基層生產線上，由傳統模式下的集散控制模式發展到后期的現場總線控制模式，進而發展到近年來的遠程計算機控制模式；而在煤礦企業的管理層控制上，由傳統模式下的信息管理系統控制發展到現階段的企業資源規劃以及供應商管理、客戶關系管理等方面，在較大程度上直接提高了煤礦企業的實際管理水平和工業生產效率。然而，隨著煤礦生產工業控制系統網絡結構分化程度的越來越細和越來越多，絕大部分基層單元結構系統的復雜度和控制難度進一步提高，在增強工業控制網絡系統基層結構單元實際處理能力的同時，卻大幅度降低了基層結構單元自身和外界系統的交互能力，進而使煤礦工業生產系統內部結構單元相對獨立，造成了一個個獨立的控制信息孤島。孤島效應的存在，不僅進一步加大了對工業控制網絡系統結構基本驅動程序以及外在用戶連接接口要求的不斷提高，甚至使傳統的可編程控制軟件與經典的現場總線技術難以有效適應現階段較為分散的網絡拓撲結構，使工業區OPC 和信息化程度以太網技術邊緣化地嵌入傳統的工業控制網絡系統結構中，而大大降低了嵌入式結構提升網絡系統功能結構的實際功效?，F如今，隨著可擴展性、可伸縮性互聯網公共信息網絡傳輸平臺的不斷普及和應用，越來越多的工業控制網絡應用系統選擇在互聯網環境中開發，致使現階段應用程序開發者必須在脫離以往簡單模式的基礎上構建更加復雜的n層結構系統。也就是說，現今的應用程序開發者必須將眾多應用在網絡上的程序進行高度集成，在提高了軟件開發者精力集中于特有軟件商業價值提升專注度的同時，更大大節省了傳統模式下關注軟件系統基本結構構建所花費的時間與精力，較大地縮短了工業生產網絡軟件投放及應用的整體時間。此外，系統開發者的編譯效率也能在較大程度上得到明顯提高，而軟件系統的質量也能得到有效保障。其中，NET 開發平臺作為微軟公司提出的高度可擴展性、可伸縮性的互聯網公共信息傳輸平臺，為編程人員更優秀開發工具和全新開發模式的選擇提供了技術支撐，更為開發工具的多樣化以及軟件工作人員構建系統的多樣化以適應企業實際發展需求等奠定了基礎。

3 神東綜采工作面自動化數據采集系統

3.1 系統實現

通常情況下，煤礦綜采工作面自動化數據采集系統主要是解決基于Internetbus 現場總線的工業控制網絡結構和基于以太網Intranet 的兩種異構網絡的數據交換問題，而由于基于Interbus 現場總線的工業網絡控制結構和基于以太網Intranet 的完全異構網絡結構的連接具有較大程度的困難，其硬件連接可借助網關、專用協議模塊以及通信端口等的兼容性和實時監控等進一步實現兩種網絡的連接，而根據不同的硬件接口形式采取不同的軟件方法，對其協議數據信息進行合理交換，從而完成對煤礦綜采工作面現場數據信息的訪問和采集。在此過程中，國家能源投資集團神東綜采工作面自動化數據采集控制系統的整體架構如圖2 所示。

圖2 系統整體架構

進一步探究神東綜采工作面自動化數據采集控制系統實現問題可知，數據采集控制系統在收集相應的煤礦礦山現場數據并完成現場實時傳遞數據的基礎上，將其相關數據信息解析后存入實時數據庫系統中，進而完成整個數據采集系統的收集傳遞。當煤礦礦山現場所傳遞的數據信息和數據庫實時通信中斷時，就會進一步將其數據信息存儲在本地文件夾中，待數據采集系統和數據庫通信故障排除并恢復正常通信后，將本地文件夾中存儲的相關數據信息一并傳輸到實時數據庫系統中。

3.2 基于工業組態軟件的數據采集系統

在以現場總線技術為基礎理論架構的煤礦礦山綜采工作面自動化數據采集控制系統中，任意類型的現場數據信息大多通過集中監控系統傳遞而大幅度提升其實際操作效率，而絕大部分軟件開發者開發集中監控系統主要采用工業組態軟件，為其提供現場總線技術網絡和以太網網絡數據庫之間的兼容性聯通。在基于工業組態軟件的綜采工作面自動化數據采集控制系統過程中，組態軟件方法能更便捷地實現整個實時監控系統的數據采集和整理，且該方法簡便易行，可操作性較強和科學性較高。同時，在利用工業組態軟件對其綜采面自動化數據采集系統進行研發時，可進一步利用Active X 和Content Type 等軟件對其進行開發利用，將Windows 2000 Server 操作系統作為基本軟件支撐，利用SQL Server 2000 數據庫服務器，Java、ASP 等諸多開發軟件甚至IE 瀏覽器等為綜采工作面自動化數據采集控制系統相關功能目標的實現奠定一定基礎。同時，軟件開發人員還可進一步根據煤礦礦山現場的實際生產條件和參數信息要求制定相應的瀏覽器顯示主頁，并在運行主頁后的客戶端運行函數，對煤礦生產現場環境進行監控與管理。利用工業組態軟件開關量實現綜采面自動化數據采集系統中涉及的管理網瀏覽器中的相關過程，并利用組態思想對實時數據庫以及數據存儲過程進行指導，從而實現模擬量監控與管理，借助Active X、Java 等技術輔助實現對動態網頁風格趨勢圖的監控與管理。總之，基于工業組態軟件的綜采面自動化數據采集控制系統，能有效實現數據信息的采集、解析、存儲和傳遞，并能為煤礦作業系統及企業管理系統之間的兼容性連接提供一定支撐。

3.3 軟件開發與設計

神東綜采工作面自動化數據采集系統。軟件結構主要包括數據庫、I/O 驅動、HMI 設計等三大部分。就煤礦綜采工作面自動化數據采集系統的數據庫設計問題而言，數據庫系統是整個煤礦自動化平臺的重要部分和核心內容，且數據庫主要完成相關歷史數據信息的檢索存儲、數據事故信息的處理存儲以及綜合數據信息的運算處理、統計和分析等諸多任務，借助綜采工作面自動化數據信息采集系統的內部協議共享煤礦開采及生產過程中的相關數據信息。

4 實際應用

對神東綜采工作面自動化數據采集系統的實際應用情況的進一步分析發現，神東礦區在按照設備數據分析和健康管理實踐路線的基礎上，首先于2015 年10 月19 日開始制定起草綜采工作面開機率、有效生產時間及配套大修可行性分析周報表，進而針對性地建立了相應的數據模型，并提出了數據標準規范，為綜采面自動化數據信息的采集及試運行報表等的修訂打下了一定基礎。通過對報表合理性的分析改進，強化了對神東礦區綜采工作面開機率、有效生產時間及配套大修可行性分析周報表的優化改良，組織各部門和各礦開會討論并驗證了數據分析部分的合理性和分析成果的實際應用狀況。2016 年5 月，神東礦區根據已確定的關鍵指標科學合理地設計了報表數據信息，并經過了綜采工作面設備開機率及配套大修可行性分析周報表的審定，進而確定生產效能計算公式，利用計算公式和計算數據直觀實時地反映了各礦的設備效率及其運行狀況。最后，對神東礦區的36 期綜采工作面設備開機率及其配套大修可行性分析周報表進行了統計分析，并在實現實時綜合監測及觀察設備效能和設備運行狀態等系統功能的前提下，優先解決了消耗人力最大的開停機統計分析數據。圖3 即神東礦區綜采工作面的開機率變化示意。

圖3 神東礦區綜采工作面開機率變化示意

5 結論

煤礦礦山自動化子系統的獨立存在及信息孤島效應等，嚴重制約了煤礦生產企業的未來發展和可持續性進步，而傳感器技術、自動化技術和大數據信息管理技術等的不斷應用，進一步加快了傳統煤礦企業安全生產、科學管理及高效運行的工業化進程。因此，針對煤礦礦山綜采工作面自動化數據采集控制系統的研究和應用，不僅能在一定程度上引導其他煤礦礦山企業對本礦山實際生產管理過程中的數據管理問題進行思考，還能為數據管理問題針對性解決方案的制定提供參考。