基于DCS系統和PLC+SCADA結構的煤礦工業生產控制系統的選擇與研究

羅天敏

在當前工業控制領域，起主要作用的除了工業的主體控制計算機（IPC）之外，就是各類工業控制系統（結構或概念），如PLC、PAC、PCS、DCS，FCS、SCADA等。通過系統的緊密結合可以在極大程度上加快實現煤礦智能化的腳步。本文主要對煤礦建設預采用的工業控制系統進行分析，即，PLC+SCADA和DCS系統的結構、優劣分析。

一、相關概念簡介

PLC-Programmable Logic Controller：可編程邏輯控制器。是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程，主要用于工廠自動化（生產線）。單純的邏輯功能和控制，不提供人機界面，實現操作需要借助按鈕、指示燈、HMI、SCADA系統。

SCADA-Supervisory Control And Data Acquisition：數據采集與監視控制系統。重點用在監視、控制，可以實現部分邏輯功能，基本用于上位機（WINCC）。

HMI-Human Machine Interface ：“人機接口”，也叫人機界面。HMI是SCADA的一部分。

DCS-Distributed Control System：分布式控制系統，是以微處理器為基礎，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協調的設計原則的新一代儀表控制系統，主要用于過程自動化。DCS也可譯為“集散控制系統”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本設計思想，采用多層分級、合作自治的結構形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前DCS在電力、冶金、石化等各行各業都獲得了極其廣泛的應用。

DCS通常采用分級遞階結構，每一級由若干子系統組成，每一個子系統實現若干特定的有限目標，形成金字塔結構。可靠性是DCS發展的生命，要保證DCS的高可靠性主要有三種措施：一是廣泛應用高可靠性的硬件設備和生產工藝;二是廣泛采用冗余技術;三是在軟件設計上廣泛實現系統的容錯技術、故障自診斷和自動處理技術等。當今大多數集散控制系統的MTBF（平均故障間隔時間）可達幾萬甚至幾十萬小時。

二、項目建設背景簡介

煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，將人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發利用深度融合，形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，實現煤礦開拓、采掘（剝）、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等過程的智能化運行，對于提升煤礦安全生產水平、保障煤炭穩定供應具有重要意義。

三、煤礦初設中PLC設計與DCS系統技術對比

1、DCS 與 PLC 的主要區別：

可以簡單的理解，PLC是硬件設備，是一種產品。而DCS、SCADA是系統，是一種概念，其不具備可比性，簡單的說，PLC+SCADA類似于DCS。DCS體系結構源自一種完整的系統方法，由控制器+I/O采集+網絡+軟件等組成的系統。其焦點在于基于網絡實現分布式控制，協助作業人員監視并操控生產過程中的任何一個區域。通過高性能、確定性的網絡實現一致、同步并且完整的過程數據正是DCS體系結構的核心。當PLC和SCADA（或類似HMI軟件）集成在一起時，其最終形態看起來與DCS十分類似，但是這仍舊是一種自建（DIY）的實現方法，意味著工程師必須親力親為實現系統的每一個環節。對于控制來說這種方法更加靈活，但是DIY通常意味著在組網和性能上更大的技術風險，其導致的成本增加會在后期慢慢體現。

煤礦的自動化控制系統通常分為四個層次：

L1設備層，包括控制器、各種傳感器和執行機構等，對現場設備進行調節、控制等，完成對數據的采集和信息的傳遞;

L2控制層，由監控計算機、工程師站、操作員站等構成，完成對生產過程的監視、控制策略的實現等;

L3生產管理層，是基于前兩層數據的積累和分析，為運行人員和生產管理者提供控制和決策依據;

L4企業管理層，其內容主要是高層次的生產調度、物資供應、設備管理、生產計劃、銷售等內容。

PLC的功能是實現小范圍設備的自動控制，對應L1設備層中控制器的功能。而L2控制層，則需要依賴第三方組態軟件來實現。L1與L2之間通常用單環網實現網絡連接，采用標準工業通訊協議實現數據交互。

DCS在結構設計上直接覆蓋了L1與L2的需求。在DCS系統架構中，分為控制器（DPU）與上位機（MMI）兩個層次，分別對應L1與L2的功能需求。中間采用高速冗余網絡連接，采用基于組播的實時通訊協議實現通訊。

在實際DCS工程應用中， L1、L2兩個層次由一個DCS系統實現，做到了深度融合，省去兩個層次之間的調試工作，同時確保兩個層次之間的高效通訊和實時交互，可以為高層次的L3生產管理和L4企業管理提供更加及時、豐富、準確的生產數據。

綜上所述，DCS可完全覆蓋PLC的功能，并在性能上、未來發展趨勢上優于PLC。

2、DCS的高系統集成特性

DCS體系結構源自一種完整的系統方法，其焦點在于基于網絡實現分布式控制，協助作業人員監視并操控工廠中的任何一個區域。通過高性能的確定性網絡實現一致、同步并且完整的過程數據正是DCS體系結構的核心。PLC體系結構聚焦于靈活快速的本地控制，PLC技術最近的發展為其增加了過程控制能力。當PLC和HMI軟件集成在一起時，其最終形態看起來與DCS十分類似。

3、 DCS技術可實現國產自主可控

PLC系統目前主流設備均為國外產品。DCS產品在近些年的發展，已實現國有化，可以給客戶提供安全、穩定、可靠的產品和服務，徹底解決國外產品安全隱患問題。

四、煤礦工業控制系統選型存在的問題。

根據近年煤礦生產控制系統的一般性設計和描述，礦井生產控制系統一般是基于PLC+工業以太網模式（PLC+SCADA結構，傳輸協議采用TCP/IP），在礦井提升絞車系統、帶式輸送機系統、水處理監控子系統、地面生產系統等區域建立。各生產、安全子系統獨立運行，技術成熟，相關的解決方案和集成方案完備，完全可以滿足礦井正常生產的要求。但是存在兩個問題：

一是存在安全生產隱患：目前國內應用的PLC基本上都是國外產品和技術，隨著企業生產和管理信息化技術的不斷應用，信息安全風險也日趨突出。特別是涉及到國家戰略安全的能源領域，更應該高度重視。伊朗鈾濃縮機飛車事故和委內瑞拉電網停電事故就是典型的例證。

二是不能滿足智慧礦山建設要求：

根據《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》及其它相關文件精神，多系統融合、集控管控是構建智慧礦山基礎的一個重要步驟。通過PLC+SCADA結構組網形成的系統，依舊是相對獨立，數據不能完全共享，不能深度挖掘各子系統數據的潛在意義，不能整合、統計和分析各子系統的有效數據，不能建立統一的大數據綜合管控平臺，無法滿足將來智慧礦山建設需求。而DCS憑借其大規模、大容量、高實時性、高兼容性等優勢可實現將煤礦井上、井下各生產子系統、安全監控系統、生產管理系統搭建在一個統一的平臺上，消除信息孤島，實現多源異構數據的融合、數據標準化與統一的數據存儲和管理，為真正實現統一管控、智慧礦山建設提供堅強的支撐。如礦井安全六大系統、膠帶機控制系統、地面生產系統、變電所監控系統、礦井風機在線監測監控、瓦斯抽放系統、火災束管監測系統、主副（斜）井提升監測系統、礦壓監測系統等等，形成一個統一的、數據共享的管控平臺。

五、煤礦生產自動化的特點

隨著工業革命的持續發展，煤礦行業發展的主要方向是信息化、自動化、智能化和網絡化。先關技術的應用不僅提高了煤炭業的生產效率，促進了企業的發展，改變煤炭業工作環境，提高行業經濟效益，同時還提高了行業的社會效益。其生產過程復雜、場所分散、移動頻繁，部分系統之間關聯性較低，相互制約情況較小等是礦井自動化生產的主要特點和技術難點。

主要生產環節：采煤、掘進、運輸、提升、洗選、計量等;

輔助生產環節：通風、排水、壓風、供電、礦壓、火災束管等;

其他環節：“六大系統”、供熱、日用消防及給排水、水處理等。

如：采煤工作面實現自動化生產，需監控的主要設備有：采煤機、刮板輸送機、破碎機、轉載機、膠帶機;其他還有乳化液泵、清水泵、液壓支架、除鐵器等。

監控的主要內容有：采煤機的牽引速度、方向、位置、電機電流、電壓、電機溫度、缺水監測和控制;液壓支架的工作狀況及連鎖控制;監控泵站的工作狀態、參數、故障信息;監控刮板機、轉載機、破碎機運行狀態及相關參數;監控被控電機工作電壓，電流，溫度，運行狀態，故障狀態;移動變電站電力參數等。并監測各保護妥投狀況及連鎖、報警、執行情況。工業電視系統監視等。

并將相關數據信息發送至中心調度室。

整體結構基本基于邏輯控制。

六、DCS（或類似）工控系統結構在煤礦中的應用情況

2019年年末，神東煤炭集團哈拉溝煤礦“多系統融合的煤礦安全監控系統研發”第一階段成果順利通過專家組驗收，整體系統于2019年8月6日取得煤安認證證書，該系統成功引入了DCS理念及技術，打造了以“井下分布式智能控制單元”實施井下融合的煤礦安全監控系統，為行業發展引入了一種新模式。

七、結論

DCS系統和PLC+SCADA結構，各有優缺點，從技術上考慮均可行。DCS體系需要構建一套完整的生產體系，支撐其業務，在系統組網、集成化、協同化上要優于PLC。而PLC體系結構靈活快速，系統響應時間要優于DCS，適合單一系統結構的邏輯執行，在部署SCADA上層結構后，同樣能夠監測系統運行信息。

考慮煤礦與電力、化工行業在實際生產過程中各系統的生產連貫性、協同作業程度以及管控要點的差異，建議系統構建中，可以以SCADA作為生產管理級監控，即上位系統監控平臺;DCS實現復雜控制和系統集成;PLC實現區域、單機及簡單控制。形成完全自主的多系統統一協作的工業控制體系架構，而不單一指定某一系統結構，即構建SCADA+DCS+PLC的多系統復合結構。

在系統構建和研究中，應明確主要研究內容與要求：

（1）煤礦建設需遵循高標準、高起點，采用新技術和國產化的控制系統替代進口，打破國外壟斷，防止“卡脖子”現象發生，解決信息安全問題，奠定智慧礦山建設基礎。

（2）開發煤礦相關工業控制系統需要一定的時間周期，要與煤礦建設或技改周期吻合，不影響礦井設備安裝和正常生產。

（3）以建設智慧礦山為目標，構建基于全礦井的一體化控制系統平臺，實現“核心+邊緣”的多級數據計算中心模式、多源異構數據的融合、數據標準化與統一的數據存儲方案。并且充分考慮煤礦生產與電廠、化工企業在生產連續性、系統關聯性上的區別，構建完全適用于煤礦的工業控制系統。

（4）在煤礦全面實現井上、下生產系統的融合、統一。在井下生產子系統（主運輸系統、通風系統、壓風系統、排水系統、井下供電系統等）、地面生產系統開展集散控制應用。并且要兼顧綜采工作面系統、掘進生產系統、注漿系統、無極繩絞車、架空乘人裝置、水文監測、礦壓監測等相關系統的工業控制系統建設、使用。特別是在能夠全面兼容智能化工作面的建設。實現礦井智能化系統全覆蓋。

（5）對煤礦安全生產“六大系統”（監測監控、人員定位、緊急避險、壓風自救、供水施救和通信聯絡）深度融合進行研究，實現對風、水管路的數據采集、數據傳輸與協同控制，提高煤礦安全預測預警水平，構筑礦井災害預防和多系統聯動體系。