基于OPC和.NET的選煤廠副產品煤質信息遠程監控系統研究

邱 浩 王然風 趙曉蔚

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；2.太重煤機有限公司，山西省太原市，030032)

隨著“互聯網+”在傳統工業生產中的大力發展，以實現裝備智能化、資源利用合理化為目標的智能化選煤廠成為主要發展趨勢。在此背景下，2018年1月18日, 山西焦煤集團出臺了《智能化選煤廠五年規劃》, 目標就是要達到選煤生產透明化、選煤信息精細化和選煤決策智能化。

選煤廠副產品煤質信息遠程監控系統主要包括尾煤煤泥灰分檢測，不僅可以了解浮選過程分選環節的生產效率，而且可以監測生產的尾煤煤泥品質，使浮選精煤得到最大的經濟效益，對有壓給料三產品環節選后矸石的采樣化驗有助于分析重介質選礦工藝生產的精煤質量。高陽選煤廠為了實現自動化、信息化和智能化的目標，在矸石帶式輸送機上安裝了自動采樣機以及在尾煤帶式輸送機上安裝了無源灰分儀設備，同時安裝了視頻監控設備，由于無源灰分儀設備、自動采樣裝置以及視頻監控設備分別由不同的自動化廠家生產，采用不同的通信協議，導致3個系統之間的驅動程序互不兼容，因此監控軟件通信相對獨立，所以只好在監控室為每個系統配置一套通信線路和工控機，造成3個系統數據不能共享，系統在更新、擴展和維護方面較為困難。

為了解決傳統監控系統不相容和無法遠程監控的弊端，實現智能化和信息化選煤的要求，本文采用OPC技術與.NET平臺技術將上述3個獨立的系統統一為1個系統，同時將監控系統在汾西礦業集團環網內發布。統一后的系統能夠實現高陽選煤廠、高陽煤礦、汾西礦業集團獲得權限的相關管理人員通過Web瀏覽的形式遠程監控現場無源灰分儀測量數據，遠程控制自動采樣機和查看現場視頻信號。

1 系統總體方案設計

高陽選煤廠副產品煤質信息遠程監控系統基于OPC技術及.NET 平臺設計，在硬件設備和原有現場監控系統的基礎上，新增加上層數據處理層和Web應用層形成三層系統架構。整個系統架構中各硬件設備通過光纖和網線連接，同時接入汾西礦業集團環網，底層硬件設備的實時數據上傳至OPC服務器，上層監控設備通過Web服務器發布實時數據。該系統解決了原有監控系統不能遠程監控和數據不能共享的弊端，具有良好的開放性和統一性，整個監控系統架構如圖1所示。

圖1 選煤廠副產品煤質信息遠程監控系統架構

(1)硬件設備層。硬件設備層位于整個監控系統的底層，主要包括尾煤帶式輸送機上安裝的無源灰分儀、矸石帶式輸送機上安裝的矸石采樣機、視頻監控設備。無源灰分儀采用開封市測控技術有限公司NGAM-2008天然γ射線灰分儀(無源灰分儀)，矸石采樣機通過西門子PLC1200控制，視頻監控設備采用海康威視公司的數字攝像儀，在.NET平臺可以很方便地通過海康威視提供的編程接口把視頻信號嵌入到監控頁面里，節省開發時間。這些硬件設備能夠實時監測尾煤煤泥灰分數據，PLC控制信號和視頻信號通過OPC通用協議傳輸到OPC XML-DA服務器。

(2)數據處理層。數據處理層位于系統的中間層，是整個系統的核心。主要包括OPC XML-DA服務器、Web服務器、數據服務器和視頻服務器。OPC XML-DA服務器根據《OPC XML-DA 規范1.01版》設計。Web服務器(相當于OPC客戶端同時也是Web客戶端的服務器端)配置有.NET平臺，在.NET平臺下通過C#設計服務器端，利用Web 頁面中的 Java Script、HTML、CSS來進行監控界面設計，以 XML作為瀏覽器和Web 服務器通信的手段，然后使用IIS發布到局域網內。數據服務器作為SQL Server 2012數據庫系統的載體，管理現場歷史數據，建立規范的數據存儲系統。視頻服務器主要作為監控視頻存儲以及為Web服務器提供視頻接口。

(3)Web 應用層。Web 應用層主要針對的是遠程用戶，包括高陽選煤廠、高陽煤礦、汾西礦業集團任意獲得權限的用戶可以使用瀏覽器進行數據實時查看和遠程控制。

2 OPC XML-DA服務器設計

2.1 OPC簡介

OPC(OLE for Process Control)以COM/DCOM(組件對象模型/分布式組件對象模型)技術為基礎制定，解決了傳統工控系統存在的通信弊端。OPC技術制定了一系列的標準接口，采用這些對象接口，上層客戶端不需要考慮底層硬件設備，直接讀寫OPC服務器的數據。2003年，OPC基金會推出OPC數據存取規范3.0版，通過OPC DA服務器收集不同底層設備數據，使得底層硬件驅動程序與上層客戶端軟件開發互不影響。隨著萬維網技術的發展，為解決OPC技術在Internet環境中的數據傳輸的問題，OPC基金會又發布OPC XML-DA數據規范，通過Web Servers技術使客戶端與服務器通過HTTP協議進行數據交互。

2.2 OPC服務器設計

隨著OPC技術的發展，大部分自動化廠家都有自己的OPC DA服務器，所以在開發應用中進行二次開發，通過Wrapper技術包裝成OPC XML-DA服務器，如德國西門子公司的SIMATIC NET軟件以及北京亞控科技提供的組態王軟件都可以當做OPC DA服務器。選煤廠副產品煤質監控系統為了開放性和統一性考慮，也為信息化選煤廠建設提供思路，采用gSoap開發工具直接從底層開發OPC XML-DA服務器，其基本結構如圖2所示。

圖2 OPC XML-DA服務器基本結構

OPC XML-DA服務器主要包括下層數據采集管理模塊和上層數據封裝及網絡傳輸模塊，下層模塊根據傳統OPC DA服務器設計，下層模塊將采集的不同格式的數據通過SOAP技術封裝為統一的XML數據結構，通過 HTTP 與遠程客戶程序進行通信。通過gSoap開發工具開發的OPC XML-DA服務器主要分為4個部分，其總體結構如圖3所示。

遠程監聽層通過HTTP協議主要負責處理遠程客戶端請求消息，消息處理層的設計主要處理上一層解析出來的SOAP消息，然后按照相應數據結構傳遞給服務調用執行層，這兩個部分都采用gSoap開發工具提供的功能性函數以及相應的數據結構來開發完成。服務調用執行層通過規定的8個服務的定義，制定標準接口讀取底層傳過來的數據。OPC數據存取接口層主要是對服務器的地址空間管理、數據管理以及內部服務管理功能，后兩個部分分別由COPCXMLDAServer和COPCDAServer這兩個類完成。

圖3 OPC XML-DA服務器總體設計結構

3 客戶端設計

OPC XML-DA服務器通過OPC協議將不同硬件設備監測數據統一采集，同時采用Web Services 技術將數據接口封裝。OPC客戶端同時也是Web的服務器，客戶端配置為.NET編程環境，直接從封裝好的接口讀取數據。使用Java Script、HTML、CSS來設計監控網頁，設計好的網頁通過IIS技術發布在汾西礦業集團環網，這樣高陽選煤廠、高陽煤礦、汾西礦業集團就可以通過瀏覽器實時監控數據。客戶端設計基本結構如圖4所示。

3.1 數據存取訂閱

客戶端與OPC XML-DA服務器通信方式在異步獲取方式基礎上設計，通過采用“建立訂閱→不斷查詢所訂閱的數據項→退出訂閱”的方式來獲取OPC XML-DA服務器的數據，主要用到.NET平臺下C#編程的Subscription、Subscrip-tion Polled Refresh 、Subscription Cancel 這3個函數，數據存取訂閱設計如圖5所示。

圖4 客戶端設計基本結構

圖5 數據存取訂閱設計

3.2 系統功能實現

3.2.1 登錄界面實現

高陽選煤廠副產品煤質信息遠程監控系統在整個局域網內發布，為了保證操作的合理性和安全性，需對系統設置登錄管理體系，將工作人員分為3個等級權限，一級權限不僅可以查看尾煤煤泥灰分數據和視頻信號、遠程操作矸石采樣機以及報警信息處理，而且可以管理其他權限用戶；二級權限可以查看尾煤煤泥灰分數據和視頻信號以及遠程操作矸石采樣機；三級權限只能查看各種設備信息，不能進行遠程操作。登錄界面主要通過用戶名和密碼的方式進行驗證，在.NET平臺使用SQL Data Reader對象的Has Rows屬性與數據庫里面的數據進行匹配。同時在用戶身份匹配成功后，對其登錄時間和動作事件數據進行記錄管理。

3.2.2 功能界面實現

高陽選煤廠副產品煤質信息遠程監控系統功能界面主要包括尾煤煤泥灰分界面、自動采樣機監控界面以及視頻監控界面。尾煤煤泥灰分界面主要展示灰分實時數據和歷史報表數據這兩類數據，灰分實時數據主要實時讀取OPC XML-DA 服務器的數據，該數據每分鐘更新一次，設計里采用了.NET編程環境的AJAX 應用程序中的 Update Panel控件，該控件可以在無刷新頁面的情況下，提交更新服務器控件，從而實現數據的定時更新；歷史報表數據主要在.NET平臺下用Gridview 控件實現，應用ADO.NET作為數據訪問接口，通過 SQL 查詢指令讀取SQL Server 2012數據庫里面的數據，尾煤煤泥灰分實際監控界面如圖6所示。

自動采樣機監控界面主要包括采樣機狀態信息，報警信息展示和遠程采樣，在功能實現上主要是使用OPC XML規范提供的Read(數據讀取函數)，Write(數據寫入函數)兩個服務讀寫 OPC XML-DA 服務器的數據，自動采樣機實際監控界面如圖7所示。

圖6 尾煤煤泥灰分實際監控界面

圖7 自動采樣機實際監控界面

4 結語

高陽選煤廠副產品煤質信息遠程監控系統使用OPC協議和.NET平臺設計實現，統一了選煤廠原有各獨立的監控系統，為選煤廠信息化和智能化建設提供了新的思路。該系統2018年1月開始在高陽選煤廠安裝調試到2018年8月調試完成，成功把原有的3個獨立的副產品監控系統集成到一起，實現了數據共享和統一管理，降低了現場設備的維護難度，另外管理人員可以通過瀏覽器獲取相關權限后，遠程查看副產品煤質數據和遠程指導現場生產。該系統在高陽選煤廠改造完成以來運行穩定，項目實施方案和技術具有普遍性，而且系統在Web服務器設計時就對Android和IOS數據接口部分做了考慮，為手機APP客戶端的開發提供了可能，計劃將推廣到整個汾西礦業集團，搭建整個汾西礦業集團副產品煤質信息遠程監控系統，完成智能化選煤廠的建設目標。