基于Ethernet的煤礦井下SCADA系統應用研究

劉明昌

(神東煤炭集團信息管理中心，內蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

遠程監控是礦山井下安全生產的重要保障系統之一，機電設備或系統能否安全、有效、經濟地自動運行不僅影響井下崗位的數量，而且關系到整個礦井的生產與安全。

目前，大部分煤礦綜合自動化系統屬于二級SCADA，直接在生成流程中對現場設備進行監測和控制，實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及報警等。這種系統側重于單一設備或系統的監測與管理，數據量較小，各個系統自成體系，各自為政，造成信息平臺不能綜合使用，重復建設，系統維護量大等一系列問題。如哈拉溝煤礦原有綜合自動化系統即是主要針對PLC單元控制系統進行監測控制。

神東煤炭集團公司的LCS礦井監控系統在哈拉溝煤礦上線使用，目的在于搭建一個平臺，建立一套綜合的井下SCADA系統，實現井下多種設備或系統的狀態監控以及信息共享，提供多方位井下設備和系統的上位監控集成途徑，對整個煤礦的設備進行整體管控。

哈拉溝煤礦井下有2臺順槽膠帶機保護器、5個自動排水點、多臺移動變電站和智能開關正在自動運行卻并沒有實現在線監控，如何針對這些零散設備進行整合，對于建立綜合SCADA系統具有重要意義。文中主要分析了哈拉溝煤礦SCADA系統的實踐應用與研究過程，對提高礦井生產安全性和生產效率發揮了重要的作用。

1 系統功能及設計

1.1 系統功能

數據上傳與共享：機電設備或系統的數據上傳與共享，通過以太網交換機、串口服務器采集各設備或系統參數，由OPC服務器對外共享。

實時遠程監控：調度室監控系統通過和OPC服務器的數據交換，達到遠程監控的目的，并且能夠在確保系統安全運行的前提下有效地減少勞動崗位。

數據存儲和分析：通過系統的數據存儲、歷史曲線調用、故障記錄查看等功能，能夠實現多元化分析設備運行狀態，及時發現故障，提升設備檢修效率和使用壽命的目的。

1.2 SCADA系統整體設計

哈拉溝煤礦SCADA系統采用多元結構，由現場執行單元、數據上傳單元、數據驅動單元，上位監控單元組成。現場執行單元為現場自動化設備，其自身采集各項參數，具有RS 485或者以太網通信功能，可完成數據采集、通信控制等多重功能，是系統組成的基礎；數據上傳單元為具備RS 485串口通訊和以太網通訊功能的通信設備，負責現場設備與地面間的遠距離數據傳輸；數據驅動單元完成不同設備通訊的驅動環節，通過解析ModBus等協議采集設備參數并標準化為OPC協議供上位監控單元使用，上位監控單元完成系統組態、人機交互界面，數據存儲、展示分析等功能。系統結構如圖1所示。

圖1 SCADA 系統整體結構

1.3 SCADA 系統硬件設計和網絡結構

SCADA 控制系統硬件主要由調度室監控系統相關硬件設備，工控機、井下網絡交換機、井下現場設備組成，構成原理如圖2所示。

井下設備有華寧KTC150膠帶機保護器，常州聯立KJ15組合開關，北京朗威達移動變電站綜合保護器，南京雙京智能30 A開關、濟寧同創自動排水控制器等多種設備，井下網絡交換機選用重慶煤科院的KJJ-15A型網絡交換機，該交換機具有4個RS 485串口服務器模塊和6個網絡接口，串口服務器模塊提供串口轉網絡功能，能夠將RS 485串口轉換成TCP/IP網絡接口，實現RS 485串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向透明傳輸，使得移動變電站、膠帶機保護器、聯立組合開關和智能30A開關等串口設備能夠立即具備TCP/IP網絡接口功能，連接網絡進行數據通信，極大地擴展串口設備的通信距離。網絡接口可以連接自動排水開關PLC的TCP/IP接口，并且完成與地面網絡交換機通訊，OPC服務器工控機選用研華6110L型，通過以太網和井下設備或串口服務器通訊，調度室監控系統相關硬件設備為神東煤炭集團公司的LCS礦井監控系統，包括OPC客戶端主機、數據服務器、接口服務器、工控服務器、終端監控主機和一系列網絡設施，系統通過以太網和OPC服務器通訊。

圖2 系統硬件和網絡構成圖

1.4 SCADA 系統現場設備和執行流程

SCADA控制現場設備以濟寧同創工礦設備有限公司的KXJ-2X400/1140(660)S 型礦用隔爆兼本質安全型自動排水控制器為例介紹，該控制器核心部件采用西門子PLC，集檢測、控制、保護與一體?？刂乒δ芴攸c為：①雙電源雙回路一用一備；根據水量大小，一臺泵正常工作，出現故障能自動切換；水量大時可控制2臺水泵同時工作；②控制器具有過載、短路、缺相、過壓、欠壓，漏電閉鎖、風電閉鎖，高、低水位故障報警，自動排水雙保護等各種保護功能；③通信方式—RS485或以太網通信直接接入井下工業以太環網，進行數據交換；④所組成的系統具備自動控制、手動控制，遠控、報警與故障上傳功能；⑤控制器可以通過上位機進行遠方控制，并監控實時狀態數據及對數據進行管理。

控制器的執行流程如圖3所示。

圖3 系統現場設備執行流程

當高位檢測探頭動作后，主回路工作(各電磁球閥、電動砸閥按順序工作)。如果水位繼續上升到超高位檢測探頭動作后，副回路工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)。此時2臺水泵同時工作當水位下降到低位檢測探頭后，主副2個回路停止工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)，如此循環。當高位檢測探頭動作后，主回路工作(各電磁球閥，電動閘閥按順序工作)。當主回路出現故障后主回路停止工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)。自動切換到副回路工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)。當水位下降到低位檢測探頭后，副回路停止工作(各電磁球閥、電動閘閥按順序工作)，如此循環。

2 SCADA 系統軟件與上位組態開發

2.1 SCADA 系統軟件應用方案

SCADA 系統的軟件使用包括串口服務器管理軟件，OPC服務器軟件、LCS監控系統軟件。其軟件應用與數據流轉框圖如圖4所示。

圖4 SCADA 系統軟件應用與數據流轉框圖

串口服務器管理軟件與串口服務器結合使用可實現工控機與井下設備的RS485通訊，串口服務器將RS485信號轉換TCP/IP協議進行發送，由串口服務器管理軟件讀取串口服務器端口數據，將內容映射到虛擬串口供OPC服務器采集；OPC服務器軟件使用Kepware，該軟件可以驅動ModBus-TCP、ModBus-RTU協議的通訊模塊和多種PLC以及其他通訊設備，對于RS485類數據信號由虛擬串口讀取井下串口服務器上接入的信號，對于TCP/IP類信號直接通過以太網訪問井下設備的以太網通訊模塊，軟件讀取設備參數并標準化為OPC協議供調度監控系統組態使用，調度監控系統組態軟件為神東煤炭集團公司的LCS礦井監控系統，可以實現通過與OPC服務器交互讀寫井下現場設備的寄存器，達到數據交互的目的，另外操作人員通過系統組態頁面的操作控件、數據曲線可以達到數據監測、控制與分析等目的。

2.2 SCADA 系統上位組態開發

在串口管理軟件中配置設備連接：設置串口IP地址、串口端口號、設備地址、波特率、校驗位和虛擬串口號等參數。

在Kepware中配置設備連接：創建對應串口或IP的連接通道，安裝對應設備協議的驅動，創建OPCItem讀取設備寄存器，啟動運行KepServer。

配置LCS系統與KepServer的連接：首先配置KepServer所在工控機的分布式計算機訪問權限，其中包含OPCEnum和Kepware的訪問權限，然后在LCS系統中創建訪問該KepServer的相關配置。

在LCS系統中創建組態畫面：對顯示、操作控件鏈接相關OPCItem，并且設置狀態事件和報警觸發等內容，達到在組態畫面中實時監控的目的。LCS系統自動排水系統上位監控界面如圖5所示，通過監控界面中的當前數據狀態顯示可以了解到系統目前為高水位，主泵回路正在運行，電流參數正常。通過界面中操作控件使用，可以完成設備啟停、復位和手/自動切換等操作。

圖5 SCADA 系統中自動排水系統上位監控界面

在LCS系統中創建重要數據庫：系統重要數據存檔，達到可以調用歷史數據曲線、查看故障記錄、多元化分析設備故障的目的。SCADA系統自動排水系統水倉歷史曲線如圖6所示。另外從水倉水位歷史曲線中可以及時發現液位長期保持不變，明顯與實際情況不一致，可判斷為液位傳感器故障，需要檢修維護。通過圖7能夠同時查詢多路開關的多路電流歷史曲線，很好地分析歷史負荷情況，判斷多驅動設備各電機之間的功率電流匹配關系是否合理，達到有效利用現有數據資源的目的。

圖6 SCADA系統自動排水系統水倉歷史曲線

圖7 SCADA系統中聯立組合開關電流歷史曲線

3 系統的收益

(1)隨著零散設備和系統的遠程監控功能實現，現場工作崗位也會隨之減少，必將大大地提高礦井設備的自動化水平，對企業的高產、高效、安全、優質、減人、增效發揮更大的促進作用。

(2)通過將各個零散系統整合到一套綜合SCA-DA 系統中，可以綜合分析利用各種數據資源，從系統工程的角度對礦山設備進行統一管理，解決各種意義上的“自動化孤島”和“信息孤島”現象，發揮自動化集成的最大收益。

4 結語

通過SCADA系統的設計與實施，實現了井下自動化設備與系統的數據通信、互聯互通、遠程監控、數據分析等目的。本文將SCADA系統應用于井下各個離散系統中，避免了企業重復建設各子系統監測監控系統，通過建立一套綜合SCADA系統，整合了系統中各種資源，大幅提高了礦山的數字化水平與設備的自動化水平，為數字礦山、智能礦山的建設發揮了重要作用。