基于多種接口互聯技術的煤礦遠程運維系統改造設計

王聰慧 趙瑞林 白蕾

摘 要：目前我國大多數煤礦企業仍然是設備類型多樣，多種網絡協議控制共存的情況，難以實現集中及遠程監管，系統的運行和維護管理仍是傳統人工操作，發現問題、診斷分析、及故障處理效率比較低。基于WINCC軟件，綜合運用以太網技術和OPC等多種接口互聯技術對某煤礦企業生產系統進行改造，將多種不同系統集中在以太網平臺上，通過Web Navigator提供的網絡發布功能，實現了企業遠程監控診斷與智能運維，通過實際運行發現系統穩定可靠，實時性和網絡刷新率及故障處理速度明顯提高。

關鍵詞：遠程運維;接口互聯技術;Web Navigator

Abstract：At present， most coal mining enterprises are still in a variety of equipment types， and multiple network protocols control coexistence. It is difficult to achieve centralized and remote supervision. The operation and maintenance management of the system is still a traditional manual operation. Problem discovery， diagnostic analysis， and troubleshooting efficiency It is relatively low. Based on WINCC software， this article comprehensively uses a variety of interface interconnection technologies such as Ethernet technology and OPC to transform the production system of a coal mine enterprise， concentrates a variety of different systems on the Ethernet platform， and provides network publishing functions through the Web Navigator ， Realized remote monitoring and diagnosis and intelligent operation and maintenance of the enterprise. Through actual operation， the system was found to be stable and reliable， and the real-time performance， network refresh rate and fault processing speed were significantly improved.

Key words：remote operation and maintenance; interface interconnection technology; Web Navigator

安全生產一直是煤礦行業的頭等大事，影響著結構調整和運行機制[1]，煤礦行業中傳統的運維方式在監控、問題發現、報警以及故障處理等各個環節均存在明顯不足，故障處理速度和工作效率低，導致現場運維管理和技術服務跟不上[2]。隨著自動化、信息化與智能化的深入融合，目前大多數企業面臨著傳統運維方式的改變，期望通過云端、移動端、遠程互聯網實現信息融合和集中調度[3]。本文以某煤礦企業生產系統改造為背景，基于WINCC軟件，綜合運用以太網技術和多種接口互聯技術對某煤礦企業進行改造，將企業多種不同系統集中在以太網平臺上，通過Web Navigator提供的網絡發布功能，實現了企業遠程監控診斷與智能運維，通過實際運行發現系統穩定可靠，實時性和網絡刷新率及故障處理速度明顯提高。

1 煤礦生產系統改造現狀

改造設計的煤礦生產系統主要包括中央35 kV變電所子網系統、絞車系統、地面生產系統、地磅系統、井下變電所和水泵系統、瓦斯監控系統、主通風系統等[4]。改造設計之前每個系統獨立控制，主要有以下幾種結構類型：

（1）35 kV變電站系統采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition System）來完成數據采集、監視和控制。

（2）絞車現場系統采用日本三菱公司FX2N-32MR系列PLC構成整個控制系統核心，并擴展若干模擬量及數字量I/O模塊，組成現場信息采集控制系統。地面生產集中監控系統采用GE Fanuc的90-30系列PLC，并拓展一個以太網NIU單元完成現場信息的采集，采用iFix4.0組態軟件完成現場信息的監控。礦井通風系統采用OMRON CP1H系列PLC進行綜合管理。

（3）煤礦井下供電綜保系統是煤礦電力系統的主要組成[5]，采用西門子S7-300系列PLC，以315-2DP系列CPU作為控制系統的核心，并附加模擬量及數字量I/O模塊進行數據的采集。另外，采用CSU通信處理機采集現場的綜保系統信息，并與西門子PLC進行通信，將綜保系統的信息保存在CPU的數據塊內。

（4）地磅系統采用磅房稱重管理系統計量售煤噸數，磅房稱重管理系統的計算機計量統計數據自形成網絡。上位機電腦采用RS232串行接口與磅秤系統進行通訊，并實時的將售煤噸數存儲到MS SQL數據庫系統中，便于進行查詢及生成歷史報表。礦井瓦斯監控系統采用專用產品及軟件，所有監控信息集中貯存在計算機中的終端軟件中，對井下的瓦斯信息進行實時監控。

2 遠程運維系統整體設計

由實際系統現狀可以看出，這是一個多網絡協議控制系統。要實現遠程運維存在以下問題：

（1）礦井生產設備多種多樣，系統復雜，有不同類型的DCS、FCS、PLC和其他現場控制設備。

（2）品牌差異造成了協議的不同，各品牌大多都遵循自己的通訊協議自成系統，數據共享困難。

（3）控制設備數量多、監測點多，造成集中遠程監控的點數多，影響數據通信質量。

（4）監控范圍廣，各種設備分散在煤礦生產企業的各個區域，遠距離數據傳輸有難度。

針對以上問題，綜合運用以太網技術和多種接口互聯技術對某煤礦企業進行改造設計，遠程運維系統整體結構圖如圖1所示。

2.1 遠程運維上位機管理平臺設計

遠程運維系統主要實現生產數據、運行參數、故障報警、設備參數、維修歷史、人員信息等多種參數統一有機結合[6]。本文設計中，遠程運維系統上位機管理平臺主要由管理信息網、自動化網絡和中央調度平臺構成。

（1）管理信息網平臺采用100 M快速以太網，采用星型拓撲，在網絡的對外出口設置防火墻，通過實施網絡管理策略保護信息網絡的安全，在防火墻的DMZ區設置Web服務器作為企業網絡發布的平臺。整個網絡信息中心設置2臺服務器，按其功能分別為WinCC（Windows Control Center）數據歸檔服務器1臺、Web服務器1臺。自動化平臺主要由100 Mbps工業以太網實現傳輸。設置1臺工控機作為各子系統監控主機，各子系統信息可以在DLP（Digital Light Processing）大屏幕上顯示，也可以在各控制機屏幕上顯示。

（2）自動化網絡由8臺工業以太網交換機構成，分別在各個監控點設置一臺以太網交換機實現各個監控點的連接。利用光纖環網實現整個工業自動化冗余設計，實現了網絡的可靠性、冗余性及穩定性。這些以太網交換機能夠實現即插即用和快速冗余（<20 ms），便于實現后續網絡的連接和擴展。在以太網交換機發生故障時還可以通過不同的報警機制向相關人員提出報警（繼電器輸出和Email輸出）。另外，利用Web配置還可以很方便地實現對各個交換機進行配置。

（3）在中央調度室的Web服務器中，安裝Siemens公司的Web Navigator軟件，通過網絡發布，互聯網中的計算機就可以登陸到Web服務器的站點，打開Web服務器發送的畫面，通過畫面中顯示的數據信息，查閱生產數據和設備運行報告。

2.2 聯網子系統設計

（1）35 kV變電站設計：為了保證監控系統的穩定性和可靠性，并且為了能夠實現協議的轉換，本文對35 kV變電站設計如圖2所示。

（2）絞車、地面生產、主通風系統設計：現場這三個系統使用不同品牌PLC（三菱、GE、OMRON）實現各自控制，它們都支持OPC方式[7]，PLC系統、數據庫系統經過不同形式的軟件驅動方式采集之后，可作為OPC服務器向上層監控層提供數據[8]。因此設計時系統結構相似，絞車系統結構設計如圖3所示，為了使絞車系統通過以太網接口連接到中央監控主機，在中央監控室數據服務器上安裝三菱OPC Server軟件，確定了各數據的地址，實現了遠程數據共享及整合。而地面生產系統和主通風系統分別使用KEPServerEX OPC Server軟件和SYSMAC OPC Server軟件，其它設計思路一致。

（3）井下供電綜保系統設計：現場控制系統采用西門子S7-300系列315-2DP系列CPU作為控制系統的核心，中央調度室采用西門子WinCC軟件系統，西門子上位機軟件本身對西門子PLC具有很強的通信能力，只需要直接在原系統上配置以太網模塊，將DP總線上的數據轉換成TCP/IP的協議形，這樣就可以實現數據通信。

（4）地磅、瓦斯監控系統設計：地磅和瓦斯監控系統現場都使用專用產品和數據庫，因此在設計時，它們都可以選擇ODBC數據傳輸方式將現場數據上傳到控制中心數據庫服務器，然后通過WinCC組態軟件顯示在售煤畫面和瓦斯監控畫面，并在調度報表統計打印每日的銷售煤總噸數和瓦斯監控數據，具體結構設計如圖4所示。

3 遠程運維系統軟件實現

遠程運維平臺采用WinCC軟件作為客戶端采集各數據接口提供的數據，實現遠程診斷、監控及運維功能。井下綜保系統程序流程如圖5（a） 所示，中央35 kV變電站系統、地磅系統及瓦斯監控系統數據通信過程采用ODBC方式，如圖5（b）所示。地面生產、絞車系統及主通風系統采用OPC方式，實現過程如圖5（c）所示。此種方式需要將各自的OPC Server軟件安裝到數據服務器上，將WinCC作為Client完成遠程通信[9]。將所有PLC的OPC Server軟件安裝到同一臺數據服務器上可以有效的避免多臺Client讀取Server數據，而造成的PLC系統死機問題，同時可以實現對眾多數據的集中管理[10]。

4 系統的現場運行效果及分析

設計改造的煤礦生產遠程運維系統已經投入運行，管理平臺上運行畫面如圖6所示，通過互聯網進行遠程訪問時，只需要在瀏覽器輸入Web服務器的IP地址，就可以登陸到Web服務器的站點，打開管理平臺畫面和各種數據。Web Navigator網絡發布圖如圖7所示。

5 結 論

從現場運行效果看，基于WINCC軟件，綜合運用以太網技術和多種接口互聯技術對某煤礦企業生產系統進行改造，不僅實現了企業遠程監控診斷與智能運維，系統穩定可靠，實時性和網絡刷新率及故障處理速度明顯提高，而且通過Web Navigator提供的網絡發布功能，實現了互聯網遠程訪問調度功能。此外本文中設計的系統是一個全開放式系統，具有很強移植性和技術升級空間，降低了企業的改造成本，可以很容易地應用到電力等其他領域。

參考文獻

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[10]王誠意，王琨，董康，等. 基于WinCC與OPC技術的車間數字化管理與控制系統設計.[J]. 輕工機械. 2019（6）：99-104.