基于井下100M防爆工業以太網的綜合自動化平臺的研究

蔣偉+覃光志+張寧+朱云霞+袁興+聞平

摘 要：我國煤礦經過多年的發展，研發了很多套自動控制系統，但是各自動控制系統通常相互獨立，形成了所謂的“信息孤島”，為了進一步提高生產效率，實現統一管理和信息共享，迫切要求建立一個綜合自動化平臺來實現各系統間的通信。該文研究設計了綜合自動化平臺的硬件接入方案和軟件接入方案。硬件接入設計中采用了雙機熱備服務器冗余技術以提高系統的可靠性，軟件接入設計中采用了目前主流的OPC技術以提高系統的實時性和實現軟件即插即用的目的。網絡仿真結果和系統實際運行結果表明，該系統在實時性、可靠性、穩定性等方面令人滿意。

關鍵詞：綜合自動化平臺 雙機熱備 OPC

中圖分類號：TD634 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0001-03

Abstract：After years of development， Chinas coal mines had developed a lot of automatic control systems. However， the automatic control systems were generally independent of each other. There were many isolated islands of information. To further improve production efficiency and achieve unified management and information sharing， coal mines had the urgent need to establish an integrated automation platform to the achievement of the inter-system communication. This paper studied access hardware design and software design. In access hardware design， this paper adopted the dual redundant hot backup server technology to improve system stability. In access software design， this paper adopted the OPC technology to enhance real-time and achieve the purpose of the plug-and-play software. Network simulation results and the actual operating system results showed that the system worked well in real time， reliability，stability and so on.

Key Words：The integrated automation platform； Two hot； OPC

隨著煤炭產量的逐年增加，煤礦安全生產、職工工作條件以及管理水平越來越受到人們的關注。為此，美國、澳大利亞等國提出采用信息化改造煤炭產業。早在20世紀80年代，他們就在運輸、供電、提升等多個系統中，采用計算機技術實現工況監測與自動控制，對井下環境安全的各種信息進行實時監測。而所有的信息都通過網絡實時傳送到地面調度中心，實現了信息化生產；為減少設備及其零配件的庫存量，進一步降低噸煤生產成本，他們注重供應鏈的管理，大力推進以計算機、網絡和數據庫為基礎的電子供應鏈；目前先進采煤國正向管控一體化和產供銷一條龍發展，從而實現煤炭企業的信息化。

該文利用先進的計算機技術、網絡技術建立一個綜合自動化平臺，著力解決目前我國煤礦普遍存在的“信息孤島”問題。該課題涉及煤炭生產過程的多個環節，以這些環節的過程控制信息作為數據源，建立實時數據庫和歷史數據庫。實時數據庫用于獲取實時信息，歷史數據庫用于了解過去一段時間的信息。這些數據將為煤炭的經營、管理和決策提供依據，進而形成煤炭企業的專家分析系統和決策支持系統。對于改善我國煤礦職工工作條件，提高我國煤礦生產、管理水平有很重要的意義。

1 綜合自動化平臺的硬件接入設計

綜合自動化平臺的硬件接入設計主要包括以下幾個方面：（1）硬件防火墻的區域設置設計；（2）雙機熱備服務器冗余設計；（3）控制內網硬件接入設計。

1.1 硬件防火墻的區域設置設計

實現綜合自動化平臺的一個關鍵問題是網絡的安全性。必須要確保控制網絡不受Internet病毒的侵害，同時外部網絡要能夠瀏覽企業局域網的部分數據，例如電子郵件服務，http服務，數據庫服務等。為此，筆者使用了硬件防火墻來保護內部網絡及限制和過濾外部訪問請求。

防火墻是目前一種最重要的網絡防護設備。它是隔離在本地網絡與外界網絡之間的一道防御系統。典型的防火墻具有以下3個方面的基本特性。

（1）內部網絡和外部網絡之間的所有網絡數據流都必須經過防火墻。

（2）只有符合安全策略的數據流才能通過防火墻。

（3）防火墻自身應具有非常強的抗攻擊免疫力。

筆者選擇的是Cisco PIX 515E防火墻，它可以提供業界領先的狀態防火墻和IP安全虛擬專用網服務。Cisco PIX 515E專為中小企業和企業遠程辦公機構而設計，具有很強的處理能力。圖1是硬件防火墻區域設置圖。

1.2 雙機熱備服務器冗余設計

該系統采用的是雙機熱備份模式，使用心跳線不停地檢測主、備用服務器的工作狀態。正常情況下主服務器提供數據庫服務，另一臺服務器作為備份。當心跳線檢測到主服務器發生故障時，可以在5 s內自動切換到備用服務器，由備用服務器提供數據庫服務。當主服務器故障恢復后，必須進行手動切換才能再次由主服務器提供服務。

主、備服務器使用共同的存儲介質：磁盤陣列。磁盤陣列在任何時刻僅屬于其中一臺服務器，可以通過設置服務是否掛起來決定磁盤陣列屬于哪一臺服務器。圖2是系統雙機熱備服務器冗余圖。

1.3 控制內網硬件設備接入設計

網絡機房、東風井控制室、上組煤中央變電所、下組煤中央變電所、上組煤四采變電所、海域上部變電所、海域中央變電所首尾相連，形成單環工業以太網。圖3是系統控制網絡連接圖。

2 綜合自動化平臺軟件接入設計

該系統選擇的是iFIX組態軟件，利用它優秀的圖形功能繪制較為精美的畫面，有利于操作員在從事枯燥工作時能提高興趣；利用它的實時數據庫和歷史數據庫可以統一管理數據點，多樣的數據塊類型減少了編程的難度和時間；利用它的網絡功能來自動尋找網絡結點，進行遠程組態；利用它的通信功能來支持礦井的各種設備如PLC，數據采集板，DCS等，且便于后期接入新的設備；利用它的管理功能來分區域設置報警量，進行語音報警，禁止使用Ctrl+Alt+Del等操作來強行關閉運行畫面，利用報警Alarm ODBC可以將報警記錄傳送到SQL Server數據庫中，從而方便查詢；采用硬件狗加密技術保證了系統的穩定性和可靠性。該系統主、備用服務器上安裝的是iFIX3.5服務器版本，其加密硬件狗接口類型是USB接口，而各操作員站安裝的是iFIX3.5客戶端版本，其加密硬件狗接口類型是并口。

該系統的軟件通信方式選擇的是OPC技術，OPC是建立在微軟的OLE（即現在的ActiveX）、COM（組件對象模型）、DCOM（分布式組件對象模型）基礎上的，由OPC基金會組織制定的用于過程控制和制造業自動化應用軟件開發的一組包括接口、方法和屬性的標準。OPC技術在硬件供應商和軟件開發者之間搭上了一座橋梁，它提供一種機制以一種標準方式將數據從數據源傳送到任意客戶端應用程序。一個設備供應商可以開發一個可重用的、高度優化的服務器與數據源之間的通信，并且能高效地從數據源或者現場設備存取數據。OPC規范了接口函數，不管現場設備以什么方式存在，客戶端都用同樣的方式去訪問，從而實現了系統的開放性，實現了與其他系統的接口。OPC采用面向對象的原則，將一個OPC服務器作為一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶端以統一的方式去調用這個方法而不需要了解服務器內部組織。對于客戶端而言，OPC服務器就像是一個黑匣子。客戶端程序開發者可以使用相同的OPC客戶端程序，操作不同的硬件裝置，從而實現了軟件重用和軟件的即插即用目的。

3 結語

文章主要進行了綜合自動化平臺的硬件接入和軟件接入方案設計，比較了目前主流的各種組態軟件的優缺點，分析了系統網絡狀態指示圖及網絡冗余狀態指示圖，探討了報警記錄的產生、顯示及存儲等問題，最后分析了系統運行過程中出現的主要問題并提出了解決方案。

為了進一步提高生產效益，改善煤礦職工的工作條件，提高煤礦生產管理水平并和國際先進采煤國接軌，在充分調研和考證的基礎上，開發了一套適合煤炭等工作環境比較惡劣的企業的綜合自動化平臺。它能夠24 h不間斷地監視井下各控制系統，實現地面控制井下各控制系統，并提供報警記錄瀏覽、操作記錄瀏覽、事故追憶等功能，實現了通過煤礦局域網即可瀏覽井下各控制系統的實時數據。系統自投入運行以來，表現一直很穩定、很可靠。實踐結果表明，該系統改善了煤礦職工的工作條件，進一步提高了生產效益。

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