礦井綜合自動化的研究

中煤科工集團重慶研究院有限公司 衛文慧

礦井綜合自動化的研究

中煤科工集團重慶研究院有限公司 衛文慧

針對國內煤礦礦井生產和管理過程的現有特點，闡述礦井綜合自動化系統的結構,詳細介紹各子系統接入綜合自動化系統的實現方法，在地面調度監控中心對各子系統上傳的數據進行分析，達到管控和統一調度。

綜合自動化；管控；環網冗余；統一調度

1 系統概述

礦井綜合自動化系統是集礦井監測、報警、生產操作一體化的系統。系統由應用層、網絡層、現場設備層三層結構構成。應用層采用統一的數據平臺和登錄界面,用戶可以進行各子系統間的互訪,網絡層主干網絡采用千兆工業以太環網,保證網絡通訊的高帶寬和可靠性,能接入工業控制、視頻、音頻、通訊等各種系統,現場采用百兆工業以太環網和多種現場工業總線,確保用戶可兼容接入各種監控系統和設備,現場設備層由各種監控分站、無線通訊設備、裝置和各類傳感器等組成。

系統［1］建成后,實現對系統的實時運行狀態顯示、礦井生產設備狀態的實時顯示、電參數信息的實時顯示、開關量和模擬量的實時顯示、控制模式的信息顯示、系統故障的報警顯示查詢和各生產設備的報警信息顯示,將地面信息管理系統、各生產環節自動控制子系統、礦井環境監控子系統及通信指揮調度子系統通過工業以太網和平臺軟件整合、實現全礦井的管控一體化。利用信息平臺建立指揮決策系統,以提高礦井防災救災的響應速度,降低人員的傷害及財產損失。

本系統設計的基本功能：在任何一臺工作站上實現對井上、井下任何一臺設備的控制,協調各子系統的運行,當子系統出現問題時,不影響整個網絡的傳輸,具有數據查詢統計、報表打印、歷史曲線顯示、故障報警、數據系統分級管理、報警實時記錄、完整的事件記錄等功能,實現各子系統間聯控功能,具有強大的圖形組態功能、可組屏分屏顯示各子系統的實時動態圖形。

2 軟件平臺

軟件平臺由地面調度監控中心、監控分站、通信設備、傳感器等組成,礦井工業控制環網將接入的各子系統信息通過標準的數據交換方式與調度監控中心進行數據存取,并將各子系統的信息進行綜合處理。以全礦井上、下工業以太環網為信息傳輸網絡,本系統不僅僅是對所接入系統的信息綜合,把數據分類、共享,建立有效的管理系統,為領導決策提供依據,系統負責將實時、歷史數據信息進行分析綜合,然后對各系統進行規律總結,并將信息在有效時間內提供給系統中的相關用戶,為用戶進行設備檢修和采取必要措施提供決策依據,要求網絡功能完全滿足需求,具有良好的可靠性、兼容性。軟件體系建立在組態軟件的基礎上,實現了對各礦子系統的統一數據管理,實現控制的權限管理、數據的分析與故障與報警顯示。軟件體系是集數據通信、處理、采集、協調、圖表顯示等為一體,能在各種情況下準確、可靠地做出反應,及時處理,協調各子系統工作,達到實時監測監控的目的。具有“集中管理,分類控制,全面監控”的特點。

3 數據傳輸平臺

因各子系統所用設備和通信技術不同,為達到系統的自動有效控制,將各個子系統的通信統一到標準的通信平臺上,為保證工業以太網數據傳輸不發生網絡堵塞現象和考慮冗余問題,礦井綜合自動化系統［2］采用現場總線和工業以太網方式進行通信。

對井下現場總線有如下要求：

(1)網絡結構：井下網絡以二級較為合適,即一級高速主干網下接一級低速現場總線,主干網采用光纖作為媒體,能同時傳輸多媒體信息,網絡拓撲以總線型為宜;

(2)傳輸距離：根據礦井巷道要求,主干網傳輸距離大于10km,設備級傳輸距離達(1-2)km;

(3)響應時間：對于安全監控,響應時間在1秒以下,對于生產監控應在數十毫秒數量級;

(4)本安特性和供電,抗干擾能力和對惡劣環境的適應能力,硬軟件支持。

3.1 數據傳輸平臺要求

(1)使用環境條件：溫度：0℃～40℃,濕度：不大于95%(+25℃);

(2)地面主干網速率：1000Mbps; (3)傳輸介質：單模光纖;

(4)支持全雙工/半雙工運轉環;

(5)支持WEB的網絡管理系統,支持SNMP協議;

(6)支持單冗余鏈路,網絡重構時間：＞50ms;

(7)整個系統控制網采用工業級設備;

(8)專用的網關軟件對交換機進行管理和控制;

(9)交換機配置不少于6個千兆光接口。

3.2 環網冗余方式

采用光纖環網冗余方式,設計在井下和地面各組建一個環網,兼顧到傳輸信道、管控服務器、調度主機、供電電源的冗余,核心交換機采用雙冗余方式。在整個網絡中,當其中一段工作中的光纖線路被破壞或網絡設備發生故障時,整個網絡能夠快速自愈,恢復正常的通信。

3.3 網絡安全

(1)VLAN劃分：利用交換機的三層交換功能,采用基于端口的VLAN劃分,把辦公網絡和自動化監控網絡通過合理VLAN劃分進行邏輯隔離,并給予它們各自不同的授權權限;

(2)區域防護-入侵防御系統,網絡防病毒;

(3)邊界防護-防火墻：在外網Internet入口處部署一臺千兆防火墻,分別連接Internet及核心交換機,在防火墻的DMZ區部署Web、Mail、DB等服務器;

(4)采用UPS不間斷電源來保證網絡節點設備的供電安全性;

(5)邊界防護-互聯網安全審計：按照旁路監聽方式在互聯網出口處部署1套用于對上網用戶進行系統管理和審計的互聯網安全審計系統;

(6)構建內外網之間的安全地帶,即DMZ區,來放置一些公共服務器。

3.4 網絡拓撲結構

在地面調度監控中心布置兩臺支持三層動態路由功能的核心交換機。整個環網平臺通過核心交換機的環間耦合技術、雙鏈路冗余連接互為備份的整體。圖1為系統網絡拓撲結構圖。

圖1 系統網絡拓撲結構

4 子系統集成設計

各子系統進入工業以太環網+現場總線并集成到綜合監控系統信息傳輸平臺［3］,其集成接入的方式將根據各子系統的具體情況,通常采取以下三種方式在物理上進行連接,并且需要原廠家提供以太網接口和軟件通訊協議：

(1)對于在地面己具有上位機的子系統,采用以太網通訊模式就近直接接入環網平臺;

(2)對于通訊為RS485、RS232、CAN等總線協議的子系統,采用增加網關轉換器就近接入環網平臺;

(3)己具有以太網通訊模式的子系統設備,以其上位機就近直接接入環網平臺。

在各子系統與綜合自動化的千兆以太網進行物理上硬件網絡聯接以后,下一步通過軟件進行數據通訊將各子系統接入綜合自動化系統,其接入方式如表1。

表1 系統各子系統接入方式

5 總結

實踐證明,礦井綜合自動化系統可以全面實現礦井各生產過程自動化,并在地面調度監控中心對各環節進行監測監控,達到提高效率的目的,實現礦井安全、生產自動化系統的集成,實現生產、管理數據共享,實現煤炭企業“管控一體化”,并為煤礦井下設備的維護保養提供技術手段,能夠及時的發現故障、排除故障。

[1]梁敬敬,丁繼存,于秀磊．基于工業以太網的煤礦綜合自動化系統[J]．煤礦機械,2012(03):243-244．

[2]錢建生,馬姍姍,孫彥景．基于物聯網的煤礦綜合自動化系統設計[J]．煤炭科學技術,2011,39(02):73-76．

[3]黃嶺松．礦井綜合信息自動化系統原理及應用[J]．煤礦機械,2004(10):117-119．

衛文慧（1983—），男，安徽無為人，大學本科，工程師，2005年畢業于安徽理工大學，主要從事礦用安全儀器儀表、監控系統、有線/無線通信、救生艙的研究和檢驗工作。