煤礦智能管控平臺業務流程建設及其監控平臺設計

李 進，高 琪

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

“智能礦山安全生產管控平臺”是車集煤礦安全生產管控平臺各業務板塊生產運營管理信息化建設的規劃設計及總體指導框架，是生產運營管理相關子系統及其內部各要素之間有效組合運行的動力機制、建設機制和發展機制的模型化設定，以保證平臺及系統功能統一規劃、相互協調、結構一致、資源共享、標準規范。平臺提供生產、經營、管理、模塊化分析的整體框架，對內提供統一、面向應用的總線接口以及面向第三方應用的控件調用接口，實現子系統應用的統一數據調用和服務；對外提供基于插件式的子系統功能模塊集成，能夠實現子系統的統一集成和發布、展示；平臺框架的核心模塊可結合車集煤礦的管理需求，定制各子系統共享的基本業務模塊，降低子系統集成的復雜程度。管控平臺結合生產、管理的模式，在子系統應用層面劃分為智能管調中心、礦山安全中心、運營管理中心、自動化控制中心等應用中心，實現相關聯子系統間的數據深層分析和綜合利用。平臺決策分析模塊可根據管理需要，定制分析模式，提供基于各生產中心以及全礦井數據的綜合分析利用，為決策提供參考依據[1-4]。

1 管控平臺業務流程建設

1.1 核心業務架構

智能礦山業務架構是在統一的標準與規范及安全運維保障體系下，按分層設計模式，分為設備層、控制層、生產執行層、經營管理層與決策層5個層次。此次建設的主體內容為L2、L3、L4、L5層相關內容。具體層次結構如圖1所示。

圖1 核心業務架構Fig.1 Core business structure

設備層、控制層、生產執行層是智能化礦井建設的主要內容。智能管控平臺由生產執行及生產管理、調度管理、機電管理、“一通三防”、綜合分析、應急救援等業務模塊構成，系統涵蓋了煤炭采、掘、機、運、通各個環節，是一體化管理信息系統，并實現了和經營管理、控制監測等信息系統的數據互聯。

1.2 業務網流程建設

針對煤礦運營主業務流程開展梳理與建設工作，煤礦智能管控平臺業務流程建設包括安全風險分級管控、隱患排查治理、采煤、掘進、機電運輸、地測防治水、“一通三防”、職業病危害防治、應急管理、調度、環境保護等。本文重點分析安全風險分級管控、隱患排查治理業務流程建設。

1.2.1 安全風險分級管控

安全風險分級管控需要對礦井單位風險辨識管控情況進行匯總監管，把控各單位各類風險點和管控情況，重點針對礦井重大風險管控落實情況進行定期檢查，預防重大事故發生。對安全風險評估報告、制度文件進行系統管理，在線查看，方便用戶；對風險進行分專業統計，對紅橙黃藍四色等級在餅狀圖中統計，查看各級別風險比例；在一張圖中對所有風險進行四色標定，方便用戶查看風險位置以及風險詳情；重大風險劃定風險區域，設置區域人數上限，關聯人員定位系統，區域人員超限報警；跟蹤檢查風險管控措施落實情況，在系統中進行更新。安全風險分級管控流程如圖2所示。

1.2.2 隱患排查治理

隱患排查流程主要是對隱患排查治理工作的描述，其內容包括各部門對隱患的排查“五定”，系統分級管理，對隱患整改檢查落實，對責任人進行考核等。井上下發現隱患需要手動記錄，升井或檢查結束后錄入系統。現場排查出來的隱患可直接使用移動終端智能巡檢系統實時錄入，并進行“五定”，方便隱患信息的及時傳遞。隱患整改落實情況同樣可以在井下上傳到系統中，提高隱患排查治理效率；隱患信息在系統中進行分類統計，用戶可以隨時查看隱患排查治理情況，解決了書面文件統計、查詢的困難；隱患分級管理，重大隱患A類、重大隱患B類、一般隱患C類、一般隱患D類，一般隱患中可現場整改的當班整改，登錄系統記錄，不可現場整改的指定整改人限期整改；在一張圖標定隱患位置，并展示隱患詳細信息。隱患排查治理流程如圖3所示。

圖2 安全風險分級管控業務流程Fig.2 Security risk hierarchical management and control business process

1.2.3 掘進

掘進專業主要負責巷道開掘業務，包含對掘進作業規程及技術措施的編制、巷道變形量觀測、月度的技術例會、掘進專業隱患排查及安全生產標準化檢查等內容，對其進行周期檢查、自動預警報警。

可直接登錄安全生產運營管理平臺查看地質說明書、通風系統圖及供電系統圖等相關資料，更方便進行資料查看，提高資料查找搜集的效率。進行設計時，可使用龍軟GIS軟件，自動生成巷道斷面圖、交叉點及車場、煤倉等圖形，提高設計效率；設計圖修改確定后上傳至安全生產運營管理平臺，共享給各使用單位，減少圖紙打印及曬圖等工作。流程如圖4所示。

圖3 隱患排查治理業務流程Fig.3 Hidden danger investigation and governance business process

2 智能監控平臺設計

2.1 主要特性

系統利用工業數據集成平臺整合供電、膠帶系統、水泵系統等全礦所有安全生產相關子系統的數據。經整合后數據可直接在可視化應用門戶中進行實時顯示與報警，以實現對全礦安全生產工況的實時監控與掌握；同時還可將安全生產相關數據存儲在實時數據庫及關系型數據庫中，建設全礦統一的安全生產綜合數據庫，以實現對全礦安全生產歷史狀況的查詢與分析[5-7]。

智能監控平臺以“安全監控實時化，過程控制自動化”為目標，基于“工業以太環網+現場總線+無線”技術，利用多種軟硬件接口(OPC UA、驅動、數據庫、平面文件、DDE/NETDDE、PLC、子網等)，構建全礦井統一、穩定、高效的集控平臺，以原煤生產為主線，對 “采、掘、機、運、通、洗”等主要安全生產環節，進行多要素全流程的集中、協同、優化控制與智能運行，主要功能包括安全監測、目標定位、融合通信、生產過程自動控制等。

智能監控選用國際知名大型組態軟件與定制開發相結合模式進行建設，數據采集原則上從井下PLC、分站、讀卡器、智能儀表等硬件設備統一采集，數據統一存儲，多系統協同控制，界面按需組態。平臺軟件功能應符合相關國家標準與行業規范。

應根據行業實際情況結合行業發展趨勢，提出一套科學、先進、可靠、實用的解決方案。智能監控平臺如圖5所示。

智能監控平臺軟件具有如下特點：統一通信與協作，軟件系統架構透明化，對所有的數據標簽、數據模型以及畫面有一個統一的索引，統一的管理數據發布，使用通用接口發布數據(HTML/XML/COM/DCOM)，靈活的系統結構，每個子系統都可獨立工作，結合在一起就是一個高度的集成方案，更高效的系統組態，所有功能在系統范圍內可共享，系統維護成本較低，只需在一點進行維護，更改在全系統內自動生效，提供與礦井其他系統的集成接口，為控制系統及生產管理系統提供核心服務。在網絡場地均能在瀏覽器下使用，能夠對各機電子系統的模擬流程圖進行動態顯示，能夠對傳感器及其他變量的趨勢跟蹤和歷史進行顯示，能夠對傳感器及其他變量列表進行顯示，能夠對日志跟蹤和歷史數據進行顯示，能夠對基本運行信息進行統計并提供相關報表。

圖4 掘進業務流程Fig.4 Tunneling business process

圖5 自動化監控平臺示意Fig.5 Automated monitoring platform schematic

針對不同用戶的需求進行用戶登錄管理分類，顯示不同用戶需求的內容。系統軟件平臺不僅是對所接入系統的信息綜合，更關鍵地能夠把數據分類、共享、加工、挖掘建立有效的管理系統，為管理者決策提供依據，實現管控一體化。

2.2 平臺組態軟件配置

此次組態軟件平臺設計使用的數據采集服務器基于冗余架構，數據采集服務器軟件完全支持冗余架構體系。數據采集的實時I/O點數按照無限點配置。數據采集系統完成對煤礦各生產和安全系統實現原始數據的采集，同時構架數據存儲與支撐平臺，由實時、歷史數據庫存儲煤礦各生產和安全系統過程數據；建立關系數據庫，關系數據庫的數據來源有實時、歷史數據庫(數據經過精度降低、過濾)與煤礦各生產和安全系統一些設備初始資料數據。系統架構考慮了系統的先進性、良好的擴展性、監控系統的可實施性，在整個數據采集系統中采用GE IFIX，并配備獨立的Proficy Historian為歷史數據庫，使車集煤礦綜合自動化系統從開工開始就具備海量歷史數據存儲和查詢分析的能力，并為日后信息管理和調度系統的建設提供完整的數據系統。實現系統的無縫集成，以減少接口數量，解決數據傳遞瓶頸，降低系統集成成本、升級成本、維護成本等。

系統平臺配置功能組件：①配置2套冗余IFix數據采集組件，互為冗余，負責車集煤礦各個監測監控子系統的連接，連接各種不同數據。②配置6套IFix iClient客戶端組件，實時操作員監控站24 h在線運行，監視各個安全、生產設備的情況和信息，實現遠程控制。③配置4套IFix工程師站組件，進行各種開發、配置、系統管理功能，在礦井生產工作面變化時動態增刪各種數據信息到系統中，修改監控流程畫面。④配置1套Proficy Historian組件，核心實時歷史數據存儲平臺。歷史數據庫將負責收集來自生產現場和中控系統的生產數據，設置在中控室I/O數采服務器上的iHistorian Collector 采集并發送的數據，一方面在實時歷史數據庫存儲以供歷史趨勢分析，另一方面它將完成對煤礦綜合自動化應用服務器中設置的生產事件模型進行觸發，為各種辦公自動化外部應用提供全面支持。Proficy Historian將高速采集所有生產過程數據，以螺旋門技術的高效數據壓縮功能完成數據的強力壓縮。⑤配置1套關系數據庫組件，實時監控軟件平臺基于實時數據庫。底層數據存儲于實時數據庫，上層管理數據存儲于關系數據庫。規劃實現實時數據庫和關系數據庫的數據共享，才能使工業控制網的生產數據及時整合到管理網，進行統計、分析處理，成為生產管理和經營決策的依據。⑥配置1套WebSpace組件，Web發布平臺將生產數據實時發布到管理網，管理者根據權限的規定可以通過瀏覽器看到相應的流程數據和畫面。Web服務器與數據服務器都在控制網內，Web服務器通過防火墻與管理網連接，Web服務器對管理網進行自動化系統的各項數據的發布。⑦冗余的SCADA服務器系統：iFIX Plus SCADA Dev Unlimited Server Ver，iFIX Optn：SCADA Synchronization冗余組件。⑧工程師站iFIX iClient Development Ver。⑨操作員站iFIX iClient Runtime Ver。⑩Web發布軟件(30用戶并發)iFIX WebSpace 30 Additional Users，歷史數據庫Historian Enterprise Server 30000 Points，采集驅動軟件IGS OPC Server。

3 智能監控平臺主要功能

(1)信息的綜合功能。將需接入的各子系統信息通過標準的數據交換方式與智能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。礦井智能監控平臺負責將實時、歷史及綜合分析后的信息提供給系統中的用戶。要求網絡功能滿足礦井需求，具有良好的可靠性、兼容性、擴容性，支持C/S、B/S模式。

(2)Web瀏覽功能。可將各子系統顯示的各類實時動態圖形(符合要求的)轉換為HTML或XML，供用戶通過IE瀏覽。

(3)數據系統分級管理。設定不同權限，實現安全監測信息、設備運行信息及其他信息分類顯示。

(4)實時報警、故障記錄。為用戶提供各類監測系統的實時報警信息，包括超限報警、開關報警、系統設備的故障記錄。

(5)完整的事件記錄。對涉及系統配置操作、對子系統實施控制的操作及其他重要操作都進行記錄，包括操作時間、操作者、操作碼及描述、節點名等，為系統的事故追查及重演提供重要信息。

(6)擴展功能。采用標準的數據接口采集各子系統數據，保證采集數據的準確性，接口數據具有實時性與可擴展性。選用硬件設備和軟件留有一定的容量，方便擴展滿足將來礦井的需求。系統平臺建設成為開放式平臺，以便將來其他管理系統接入。

(7)系統安全性。系統抗干擾能力強、容錯性好，具有優良的安全驗證體系，支持數據備份，保證系統安全可靠。網頁的訪問必須通過口令，沒有授權的用戶不能查閱。

(8)故障報警分析統計。系統自動統計出昨日、當日、當前的報警故障個數，并可點擊查看相應信息，可按子系統、類別、等級、日期段等條件查詢和統計歷史報警或故障信息。

(9)綜合查詢。系統可以查詢任何系統中設備的開停情況，如開啟時間、次數等，可查看累計量的信息及統計圖表，還可查看系統的網絡故障信息，方便用戶管理。

(10)歷史曲線。選擇日期查看某測點歷史數據的曲線，在曲線的值坐標上可以自定義刻度。

(11)故障報警分析。當系統出現故障和報警時會自動彈出窗口或報警條，根據用戶自定義的等級嚴重性排序，并提供報警。

(12)融合功能。實現多系統融合信息集成聯動功能，實現多系統聯動控制。

4 智能監控平臺接入系統

目前綜合智能監控平臺建設和整合接入有33個監控子系統(后期根據要求會繼續增加)，智能監控平臺接入系統見表1。

表1 智能監控平臺接入系統Tab.1 Intelligent monitoring platform access system

5 智能聯動平臺

5.1 總體設計

系統間聯動包括人員位置監測系統、安全監測監控系統、生產自動化子系統、通風系統、壓風系統、排水系統、通信系統、視頻監控系統、大屏幕顯示系統、電力監控系統等。

(1)跨業務聯動。智能聯動平臺系統集成了井上下所有的安全、生產、通信、動態目標類系統，實現了數據融合，同時向數據中心發送所有數據。該聯動設計打破了子系統之間的壁壘，實現了關聯系統的聯動與協同。

(2)超限值聯動。以安全監測監控系統數據為核心，實現電力監控系統、巷道膠帶、采煤機、主膠帶系統、視頻監控系統、應急廣播、調度通信以及人員位置監測等系統間的聯動。當工作面、掘進面等環境監測數據超限時，系統依據設定的閾值對相應區域的饋電開關進行遠程分閘或合閘，對區域內人員進行短信、廣播等通知。同時系統能夠自動彈出相關超限地點視頻畫面。

(3)自動與手動。系統應能提供自動與手動聯動的設置。在聯動流程中，系統能根據聯動條件自動聯動，也可以進行人為的系統聯動干預(手動聯動)。如在環境監測系統的數據有超限或設備故障時，操作員可根據各種系統數據所反映的現場情況，進行人為的系統控制干預(手動控制)。

5.2 聯動巡檢

聯動巡檢主要是對子系統及子系統之間的關聯進行的。系統巡檢的主要內容包括以下分類，如圖6所示。

5.3 安全監測監控聯動

各模塊的安全診斷評價對生產控制及管理調度各項工作的關聯影響如圖7所示。安全監測監控聯動如圖8所示。

圖6 系統巡檢主要內容Fig.6 Main content of system inspection

圖7 主膠帶機具體巡檢內容Fig.7 Specific inspection content of the main belt conveyor

圖8 安全監測監控聯動Fig.8 Safety monitoring and monitoring linkage

安全監測監控的安全診斷評價對主煤流、采掘、通風、排水等生產及生產輔助控制產生影響，火災監測的安全診斷評價對通風控制產生影響，礦壓監測的安全診斷評價對采掘控制產生影響，水害監測的安全診斷評價對排水控制產生影響，而整個工況、環境的監測監控的安全評價對避災指引、管理調度和災害決策起著支撐作用。

5.4 生產過程聯動

(1)煤流啟動。①順煤流啟動。從工作面到原煤倉之間的膠帶都是空的情況下，采用順煤流啟車。工作面采煤機等設備啟動后，啟動巷道膠帶。通過視頻、數據分析等技術來判斷整個煤流煤段的實時位置，從而決定每條膠帶的啟動時間，減少了膠帶空轉時間，達到節能的目的。②智能順序啟動。由于某些原因，整個煤流在啟動之前，有些膠帶上可能會有煤段的存在，這樣就不能實現整個煤流的順煤流啟車。需要對煤流中各膠帶上煤段情況進行分析，然后決定啟車順序。

(2)煤流停機。①順煤流停機。非故障正常停車，采用順煤流停車的方式進行，根據煤段的位置確定每條膠帶的提車時間。②故障停機。煤流中的一條膠帶發生故障停機時，整個煤流的停機情況有所不同，當巷道膠帶故障停機時，工作面采煤機等設備立刻停機，而巷道膠帶的前面大巷膠帶延時停機。

(3)智能調速。通過視頻分析技術，結合膠帶速度，實時了解膠帶負載，動態計算各膠帶、各區域負載。

(4)異常處理。系統自動巡檢啟動后，當整個系統某個環節出現異常信息時，要進入異常處理流程。系統根據異常信息的特點自動推送相關數據，輔助異常初判。

5.5 異常信息聯動

生產過程中，某個環節出現異常信息時，可進入異常處理流程。發現異常信息是輕微異常時，由值班人員處理后記錄即可。當出現的異常信息值班人員處理不了，值班人員就會把信息推送給相關責任人。此時，責任人會接收到平臺自動推送的相關人員信息，利用系統快速組織人員排查。經過排查后，發現屬于需要緊急維修的異常時，信息快速推送到維修人員手持設備上；如不需要緊急維修的，系統自動向相關人員推送檢修事宜，以便在設備停機檢修時進行檢修。不論是維修還是檢修，系統都應輔助生成維修用的備機、備件或材料清單，并給出清單庫存情況，完成工作后，相關人員及時通過手持設備把信息及時反饋到平臺。

5.6 融合通信聯動

(1)與安全監控聯動。多媒體調度系統與安全監控中心對接，預先在安全監控中心設置聯動安全閾值及在多媒體調度通信系統設置啟動預案，如播放內容、播放終端、播放次數等。一旦安全監控中心達到安全閾值后，立即觸發預先設置的預案事件，按照預警等級通過語音、信號指令、文字、聲光等多種方式警示調度人員、管理人員與實際的區域人員撤離，確保作業人員的生命財產安全。如綜采工作面甲烷超限，系統將此信息發送到多媒體調度系統，讓多媒體調度通信系統啟動工作面的通信基站，播放工作面甲烷超限，請該區域人員撤離，同時對位于該區域的人員下發撤離指令，實現語音與信號多種提示，提升安全指數。

(2)與視頻監控聯動。為了能讓調度人員看清井下通話者區域的圖像信息，了解現場的真實情況，通過網絡將視頻監控系統與多媒體調度通信系統互聯，通過配置將井下攝像機與多媒體通信基站或礦用本安型電話綁定。一旦被設置的多媒體通信基站或礦用本安型電話向調度中心發起通話，調度中心的調度員立即可以查看到井下通話人員周圍的環境情況，當電話掛斷后，圖像信息立即消失；或者調度中心調度人員想了解井下的實時動態信息，通過多媒體調度臺向井下多媒體通信基站或礦用本安型電話發起通話時，多媒體調度臺客戶端自動調取視頻圖像供調度人員查看，一旦掛斷電話，視頻圖像自動消失。

5.7 聯動展示

(1)顯示聯動。將各個系統界面進行聯動，將調度指揮中心大屏、計算機端、手機端、管理系統各個界面聯動，按照預先設定的流程，進行多指令界面并發。例如，1臺設備發生故障，在調度指揮中心界面觸發報警后，在這個設備責任單位計算機監控端界面進行報警，同時設備當班值班人員的手持終端也接收到報警信息，各單位協同工作處理故障，改變以往調度指揮中心逐級電話匯報通知反饋的故障處理模式。經過責任單位判斷后，立即安排值班維修人員處理故障，并將處理過程實時上傳，智能技術分析系統通過這些數據進行技術支持。故障處理過程中，可以將相關的處理方法意見實時推送到維修人員手持終端，并同時調配相關的備件。

(2)語音聯動。依據全礦井監控系統設定的預警、報警閾值，實時進行語音播報，提示集控員關注相關報警信息，從而依據報警信息類型做出相應判斷。實現煤流沿線語音信號接入到集控室，集控員與沿線檢修人員、值班人員之間的對講及開機前人工預警，依據膠帶分布，實現了分區選擇及集中選擇功能。

(3)視頻聯動。在環境監測系統產生超限或設備出現故障時，就近范圍內的視頻終端能及時彈出桌面顯示并報警，便于操作員對事故現場情況的了解。①當環境監測系統監測到現場數據超限時，如變電所溫度超限、工作面甲烷/溫度超限等，系統依據設定的預警級別自動觸發聲光報警功能(識別卡報警+語音播報)，同時在平臺中自動彈出超限地點視頻畫面。②變電所、帶式輸送機等系統設備出現故障時，系統依據設定的預警級別自動觸發聲光報警功能(識別卡報警+語音播報)，同時在系統界面中自動彈出故障點視頻畫面。

6 結語

在智能礦山建設的整體框架下，采用國內一流和世界先進的技術和裝備，建成一個能用、實用、管用、高效運行的智能化礦井，實現礦井“管、控、營”一體化，實現礦井安全可靠化、管理高效化、成本最小化、效益最大化。車集礦安全生產智能管控平臺建設按照“總體規劃、分步實施、因地制宜、效益優先”的總體要求，堅持“前瞻性、先進性、可靠性、實用性、開放性”的設計原則，吸收國內外成熟、先進的智能化技術，并進行應用創新，建設成一個國內領先的安全、高效、綠色、智能的礦山。

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