基于煤礦數據模型的移動監控系統

黃 威

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

神東大型煤炭基地生產發展多年，隨著煤礦生產中5G信號無線局域網的井下覆蓋，本安型移動終端設備的普及，對煤礦數據采集與監控SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統的使用提出更高的要求，不但要隨時隨地了解和掌握各業務系統的運行狀態，還要快速分析處理設備故障，從而優化煤礦生產運行方案。

存在的主要問題有系統基礎數據不規范，在生產過程中，設備監控數據是系統配套使用的重要組成部分，煤礦SCADA系統涉及綜采、運輸、供配電和供排水等專業數據，在數據層是分開管理的，在監控分析層才統一展示，數據標準不統一等，使得現有煤礦數據管理困難；監控系統不統一，目前神東對煤礦監控畫面并無統一標準，目前分別由各供應商或煤礦運維，包括PSI[2]，RSView和視頻監測等，具備部分統一的監測控制或業務分析標準，導致各個工藝監控界面不一致，給將來現場調試維護工作帶來了不便；無法移動監測控制，煤礦管理人員對井下現場安全生產的各種設備信息、工業視頻情況等信息只能在PC端系統監控查看。導致系統使用率低，限制人員發現解決問題，未充分發揮輔助生產和設備故障診斷的作用。

為了不斷改進生產工藝和提高生產效率，固化關鍵工藝流程，梳理規范生產數據，統一提高神東各煤礦的信息化水平。實施移動監控系統，發揮生產輔助的作用，在信息有效利用和共享的基礎上，提高生產執行效率，降低生產成本。

1 解決方案

移動生產監控系統的研發借鑒傳統SCADA軟件的功能，實現以數據采集、監測控制、報警統計和安全授權等各項功能為基礎，充分考慮煤礦設備數據、監控系統和機構用戶之間在移動端監控系統的統一管理，減少系統運維難度和工作量，縮短井下故障處理時間，及時準確掌握生產信息。通過本項目的實施幫助煤礦信息化建設邁上新的臺階。

系統總體結構分為3層：數據管理層、監控分析層和權限控制層，如圖1所示。其中，最底層部分為數據管理層，傳統OPC協議數據采集軟件只有分組和標簽2種數據管理方式，在此基礎上增加設備管理，建立數據模型，進一步規范采集數據管理方式。中間部分為監控分析層，包括3部分：①生產工藝監控規范工藝流程圖制圖，實時監控各系統現場工作狀況，如規范所有主運輸系統的拓撲圖和膠帶機監測控制畫面；②分析決策繼承了傳統SCADA軟件的報警、歷史曲線和統計分析功能輔助業務系統穩定高效運行；③第三方接入關聯視頻監測、人員定位和安全監測的功能或數據，當現有功能無法準確反應現場狀況時，輔助工作人員決策。最上層為權限控制層，通過角色統一對煤礦機構人員配置系統功能和設備訪問控制權限，保證移動端人員控制權限的安全精細化管理。

圖1 移動監控系統架構Fig.1 Mobile monitoring system architecture

2 數據管理層

神東煤炭基地采集數據未建立覆蓋各煤礦的標準，為了更好地對所有數據進行管理和應用，統一建立數據模型，規范數據結構和名稱，移動監控系統采用數據模型樹管理數據。數據模型樹根據設備和業務系統分組，采用樹型結構化方式統一管理采集數據，對各煤礦生產數據進行歸類和整合，建立了神東生產數據標準。數據模型樹分為分組、設備、標簽3類數據。如圖2所示。

圖2 數據模型樹Fig.2 Data model tree

分組(Group)用于描述虛擬或者概括性的井下位置(例：2-2煤、三盤區等)，對設備和標簽的分類管理。分組樹節點僅能下掛分組和設備，如水泵房下掛設備液位傳感器或分組泵組。

設備(Device)用于表示煤礦具體位置中存在的實際設備(例：膠帶機、水泵)，設備樹節點能下掛設備和標簽，如設備破碎機下掛設備電機，也可下掛標簽啟動，設備根據標簽的不同劃分為不同業務系統下的設備類。

設備類(Device class)用于定義業務系統下具有相同標簽在不同分組下的設備。如供排水系統的電動閥設備，不論在水泵房、水倉，還是泵組下都有相同的標簽。

業務系統(System)用于區分井下不同業務系統的設備類，分為綜采、主運、供配電和供排水等系統。不同業務系統下相同設備歸為設備類，包含相同標簽，如供排水系統包含電動閥和液位傳感器。電動閥具有開關閥、開關到位和故障等相同標簽。相同設備類在不同業務系統下所包含標簽不同，如供排水系統和綜采系統的電機包含標簽不同。

標簽(Tag)用于描述設備監測、控制、報警和故障的屬性變量(例：跑偏、采高)，兼容了常用的通信協議，如OPC協議的標簽定義屬性，如下圖中的破碎機的冷卻水流量標簽，讀寫屬性是只讀，工程單位是m3/h(每小時立方米)，標簽類是模擬量。

數據模型樹輔助用戶以統一格式定義采集數據，通過樹形結構建立起所有系統設備標簽的命名規范，實現所有生產數據的統一管理。如圖3所示。

圖3 標簽屬性Fig.3 Label properties

3 監控分析層

監控分析層包括3大功能，生產工藝監控采用一套完備的設備模型圖形規范各業務系統監控現場狀況。分析決策通過報警、歷史趨勢和圖表統計分析方式輔助決策。第三方系統接入通過接口訪問攝像頭或人員定位的功能和數據。

3.1 生產工藝監控

系統已實現了所有煤礦綜采、主運、供配電、供排水、通風和壓風系統在線監控。設計了各系統的工藝流程圖規范和設備圖形模型近百個，實現圖形模型統一關聯設備數據模型的功能，避免運維人員重復組態，大大節省了工作量。

各系統的工藝流程圖分為工藝流程圖、系統拓撲圖和設備細節圖，各系統默認打開工藝流程圖或系統拓撲圖，展示整個系統的生產工藝或拓撲關系，并能索引到設備細節圖。如圖4所示供配電系統拓撲圖中，顯示該礦變電站、變電所和配電點的供電關系，通過變電所名字能夠索引到變電所細節圖中。圖中使用高壓柜模型規范展示各高壓柜分合閘、遠近控和手車位置等設備運行狀態。通過高壓柜打開到高壓柜詳細信息頁，如圖5所示。高壓柜詳細信息頁顯示高壓柜詳細參數、定值設置和軟壓板設置，以及啟動、停止和遠近控切換等控制功能。

圖4 供配電系統拓撲Fig.4 Power supply and distribution system topology

圖5 高壓柜詳細Fig.5 Detailed drawing of high voltage cabinet

監控工藝流程圖開發過程中使用大量監控畫面，傳統SCADA軟件監控畫面關聯數據時，需要逐個配置標簽，這樣造成大量的重復工作。移動監控系統中通過圖形模型關聯數據模型中的分組或設備避免了重復配置關聯標簽操作。圖形模型配置分組后，迭代查詢到分組或設備下的具體標簽名稱，再將標簽值關聯到細節監控畫面中具體圖形的動畫，參數、控制操作。如圖5所示，變電所高壓柜模型關聯數據模型中的設備：供配電系統—1-2煤中央變電所—高壓柜1107，高壓柜詳細圖中會自動關聯顯示數據模型中高壓柜1107下所有標簽，包括監控數據、定值和軟壓板設置等。

3.2 分析決策

移動監控系統中支持了SCADA軟件的報警和事件功能，通過查詢獲得數據模型的分組和設備下的標簽，關聯顯示系統和設備的報警和操作事件。當設備數據超出正常范圍時，系統通過報警通知系統操作人員，操作人員接收到報警信息后會對報警及時處理。事件功能記錄用戶啟停設備等相關操作的時間、操作人員和控制設備信息。

歷史趨勢能夠訪問標簽的歷史值。通過實時數據庫存儲管理訪問數十萬個采集點的長時間(數年)、高密度(毫秒級分辨率)真實數據，提供清晰、精確的數據分析結果，既便于用戶瀏覽當前狀況，對現場進行及時的反饋調節，也可回顧歷史的生產情況。便于系統設計和優化、設備故障診斷、故障過程記錄以及事后不斷深入分析故障等。

統計分析按周期或變化保存聚合等函數計算周期內變量的最小值、最大值和平均值等，進行數據可視化展示。如能耗分析計算16點至次日16點時間區間內膠帶機的耗電量，可以通過額定功率乘以膠帶機的運轉時長，也可以通過次日16點的電度值減去16點的電度值獲得，實現電力消耗的碎片化數據集中管理，為開展節能形勢分析及預測、預警、提高節能調控能力提供了數據支撐。

3.3 第三方接入

為保證煤礦的安全生產，移動監控系統集成礦井第三方數據庫系統及應用軟件。目前主流的SCADA系統，包括SCADA軟件和現場采集RTU設備，都具有很好的開放性和互連性。移動監控系統通過SCADA監控軟件提供的ODBC等數據接口實現與人員車輛定位數據集成。

移動監控系統通過Restful接口技術集成安全監測系統數據。使用服務者注冊機制，只有成功注冊才可訪問接口服務。其傳輸數據采用二進制格式JSON格式，具有數據校驗機制，可防止數據篡改、數據不完整問題。對數據進行加密(加解密算法由雙方約定)，可避免數據泄露。每次訪問首先通過身份認證獲取Token，在此會話期間每次訪問服務均攜帶Token信息，本項目數據服務判定Token有效后，響應服務請求。保證了數據安全穩定傳輸。

移動監控系統通過攝像頭輔助設備故障決策，通過無插件的HTML 5視頻直播技術集成視頻監測攝像頭，配置標準視頻協議RTSP、RTMP和ONVIF等訪問單通道視頻源，或通過各視頻監測廠家設備SDK添加設備，添加設備后會自動檢索顯示1個或多個攝像頭源。

4 認證授權層

傳統的SCADA軟件通過優先級和安全區控制對設備控制和報警進行訪問保護，只有用戶的優先級大于等于設備圖形模型的優先級時，或者用戶擁有的安全區包含設備圖形模型所屬安全區時，才可以對該對象進行操作。這種權限控制在設備數據和監控用戶不多的情況下充分發揮作用。但在移動監控系統中，煤礦區隊監控不同業務系統使得權限管理相當復雜。因此該系統改進了基于角色的訪問控制(RBAC)功能[4]，滿足系統根據數據模型進行權限差異化管理的需求，有效避免跨系統和設備誤操作，如圖6所示。

圖6 用戶授權Fig.6 User authorization

機構是煤礦中的重要組成單元，一個機構下面可以包括多個子機構，如煤礦機構下轄調度室、綜采隊、連采隊、運轉隊、機電隊等。機構與員工是一對多的關系，一個機構可以擁有多個員工，機構根據職能授予權限，而員工根據崗位授予不同權限。

在RBAC中，權限與角色相關聯，角色是擁有相同權限的機構員工集合。煤礦機構和員工通過成為適當角色的成員而得到這些角色的權限。監控系統中，角色可配置數據模型樹中的分組和設備，員工則依據它的崗位或職責授予相應的角色，員工可以很容易地從一個角色被指派到另一個角色。角色可依新的需求和系統的合并而賦予新的權限，而權限也可根據需要從某角色中回收。煤礦角色包括：礦領導、調度員、機電隊值班員工、機電隊班長等。

移動監控系統中權限操作對象，設備控制和報警事件操作通過角色配置數據模型樹實現，圖6中，如果機電隊生產二班的張三用戶授予機電隊崗位工的角色，而角色機電隊崗位工配置操作排水系統1號水泵房的分組設備權限，則張三就可以啟停到1號水泵房下設備，如控制1號離心泵組下泵啟動標簽。但是生產一班下的李四因為沒有配置機電隊崗位工角色，所以無法啟停設備。同理，張三可以確認或刪除1號離心泵組下泵的合閘失敗報警，而李四無法操作。

5 結語

根據煤礦對SCADA的移動端的應用需求，基于傳統的數據采集、監控、授權功能，建立移動監控系統，該系統通過數據模型統一管理采集數據；監控分析減少維護人員工作量，結合報警和歷史數據進行統計分析，集成了視頻監測，人員安全監測系統輔助決策；認證授權提供高強度安全認證手段。實現煤礦監控系統的規范化、移動化和安全性，促進礦井信息共享、有效利用和礦井生產過程的整體優化。