數(shù)字化礦山平臺(tái)規(guī)劃的分析

田 心

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京市西城區(qū)，100120）

隨著我國煤礦自動(dòng)化程度的逐漸提高，實(shí)現(xiàn)礦井的數(shù)字化生產(chǎn)與管理是確保煤礦安全生產(chǎn)、減員增效和綠色節(jié)能的重要舉措。由于目前我國煤礦數(shù)字化程度和所要完成的功能不同，自動(dòng)化平臺(tái)構(gòu)架也不盡相同，提出一個(gè)相對完整又具有一定先進(jìn)性的平臺(tái)構(gòu)架作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦井的建設(shè)核心很有必要。本文以陜煤集團(tuán)小保當(dāng)煤礦礦井?dāng)?shù)字化規(guī)劃為例，重點(diǎn)介紹了 “4層+2個(gè)支撐系統(tǒng)”的數(shù)字化礦山平臺(tái)邏輯構(gòu)架體系、拓?fù)涮攸c(diǎn)及應(yīng)用情況。

1 自動(dòng)化平臺(tái)現(xiàn)狀及發(fā)展

目前我國礦井單一自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，絕大多數(shù)單系統(tǒng)例如主排水和主運(yùn)輸?shù)榷家褜?shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制與管理。但到目前為止，雖然高速網(wǎng)絡(luò)及軟件技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但數(shù)字化礦山建設(shè)在絕大多數(shù)礦井仍然處于淺層次的綜合自動(dòng)化水平，主要實(shí)現(xiàn)了地面的遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控。只有在單系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，通過高速網(wǎng)絡(luò)接入各單系統(tǒng)使數(shù)據(jù)得到充分的融合，建立合理的聯(lián)動(dòng)機(jī)制才能完成從單系統(tǒng)自動(dòng)化到綜合自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變。

但是從綜合自動(dòng)化向數(shù)字礦山發(fā)展，涉及到空間數(shù)字化及管理信息化兩方面的有機(jī)融合，再通過三維可視化平臺(tái)進(jìn)行展示，同時(shí)通過科學(xué)合理的管理制度和流程加以應(yīng)用，在合適的環(huán)節(jié)建立有效的決策分析系統(tǒng)，才能夠?yàn)轭I(lǐng)導(dǎo)層提供生產(chǎn)經(jīng)營管理的決策依據(jù)，自動(dòng)化平臺(tái)發(fā)展見圖1。

圖1 自動(dòng)化平臺(tái)發(fā)展

2 數(shù)字化平臺(tái)規(guī)劃

目前我國煤炭行業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)構(gòu)架沒有一個(gè)相對固定的格式，國內(nèi)各個(gè)礦井根據(jù)規(guī)模的不同，其平臺(tái)構(gòu)架方式和使用功能也都不盡相同。通過對近

年來一些礦井的自動(dòng)化平臺(tái)進(jìn)行比較后，對陜煤集團(tuán)小保當(dāng)煤礦礦井?dāng)?shù)字化自動(dòng)化平臺(tái)進(jìn)行規(guī)劃。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

礦井自動(dòng)化平臺(tái)系統(tǒng)整體構(gòu)架可分為 “4個(gè)層次+2個(gè)支撐系統(tǒng)”，4 個(gè)層次分別代表設(shè)備執(zhí)行層、數(shù)據(jù)傳輸層、運(yùn)營管控層和經(jīng)營管理層；2個(gè)支撐系統(tǒng)代表云計(jì)算數(shù)據(jù)中心、二維及三維可視化展示，平臺(tái)規(guī)劃構(gòu)架圖見圖2。

圖2 平臺(tái)規(guī)劃構(gòu)架圖

2.1.1 設(shè)備執(zhí)行層

設(shè)備執(zhí)行層是自動(dòng)化平臺(tái)構(gòu)架的基礎(chǔ)，既是數(shù)據(jù)的采集者，也是決策信息的執(zhí)行者，包括以下3個(gè)層次的內(nèi)容：

（1）安全生產(chǎn)井上和井下動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線信息的采集。這里主要包括生產(chǎn)環(huán)境在線檢測系統(tǒng) （如水、火、瓦斯、頂板和人員定位等）、綜合自動(dòng)化系統(tǒng) （如綜采工作面控制系統(tǒng)主帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)等）、其它生產(chǎn)指揮信息采集系統(tǒng) （井下工業(yè)電視系統(tǒng)等）。

（2）生產(chǎn)技術(shù)和運(yùn)營管理數(shù)據(jù)的采集。這里主要包括鉆孔、地震、機(jī)電設(shè)備和通風(fēng)阻力測定成果等非實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及財(cái)務(wù)管理、運(yùn)銷管理和人力資源管理等運(yùn)營管理的數(shù)據(jù)。

（3）執(zhí)行控制層或管理決策層信息。通過管理決策層的分析和處理，其結(jié)果通過控制層和傳輸層達(dá)到執(zhí)行層，完成對設(shè)備的控制、礦體的空間形態(tài)和屬性的動(dòng)態(tài)修正。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層采用以太網(wǎng)技術(shù)，由工業(yè)環(huán)網(wǎng)與信息網(wǎng)組成，采用網(wǎng)閘加防火墻技術(shù)進(jìn)行安全隔離。其中工業(yè)環(huán)網(wǎng)包括安全、控制和視頻等獨(dú)立的環(huán)節(jié)，整個(gè)礦井采用有線和無線結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

2.1.3 運(yùn)營管控層

運(yùn)營管控層通過對綜采工作面、主煤流運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸、供配電、安全保障、生產(chǎn)輔控和調(diào)度通信等環(huán)節(jié)協(xié)同控制，完成生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備及人員等管理，并提供礦井安全的通風(fēng)、防瓦斯、防火災(zāi)、防水害、防頂板災(zāi)害以及防游離煤塵等決策。運(yùn)營管控層主要包括以下8個(gè)部分：

（1）綜采工作面分控中心。實(shí)現(xiàn)對工作面采煤機(jī)、三機(jī)、支架電液控、泵站和采面供電設(shè)備等的自動(dòng)化控制。

（2）主煤流運(yùn)輸分控中心。實(shí)現(xiàn)對主運(yùn)輸系統(tǒng)的控制，包括采面膠帶工作面、盤區(qū)大巷膠帶、主斜井膠帶等一系列原煤生產(chǎn)流程相關(guān)的子系統(tǒng)集中遠(yuǎn)程控制。

（3）供配電系統(tǒng)分控中心。實(shí)現(xiàn)對地面及井下各變電所集中遠(yuǎn)程控制。

（4）安全保障分控中心。實(shí)現(xiàn)對人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下光纖測溫系統(tǒng)、頂板壓力安全監(jiān)測系統(tǒng)、礦燈房信息管理系統(tǒng)等與通風(fēng)管理相關(guān)的系統(tǒng)集中控制和監(jiān)測。

（5）生產(chǎn)輔助分控中心。實(shí)現(xiàn)對主通風(fēng)系統(tǒng)、主排水系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、計(jì)量稱重系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng)、機(jī)房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)房門禁系統(tǒng)以及工業(yè)電視系統(tǒng)等各類輔助監(jiān)測系統(tǒng)的集中監(jiān)測和控制。

（6）輔助運(yùn)輸分控中心。實(shí)現(xiàn)對地面及井下各類輔助運(yùn)輸車輛管理監(jiān)測與控制。

（7）調(diào)度中心。實(shí)現(xiàn)對地面及井下通信調(diào)度系統(tǒng)及動(dòng)目標(biāo)運(yùn)維系統(tǒng)的綜合管理及監(jiān)控。

（8）決策中心系統(tǒng)?；谠诰€檢測系統(tǒng)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、知識庫和模型庫等，建立水、火、瓦斯和頂板重大危險(xiǎn)源預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，應(yīng)用GIS 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對重大危險(xiǎn)源進(jìn)行檢測、識別及預(yù)測預(yù)警，將煤礦井下各類危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)集成于同一平臺(tái)，基于WebGIS統(tǒng)一展示，實(shí)現(xiàn)重大危險(xiǎn)的早期預(yù)測預(yù)警，以提高煤礦重大危險(xiǎn)源預(yù)警能力，降低重大危險(xiǎn)源事故發(fā)生率。

2.1.4 經(jīng)營管理層

（1）運(yùn)營管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和數(shù)據(jù)倉庫，實(shí)現(xiàn)對人力資源、財(cái)務(wù)、物資、設(shè)備、生產(chǎn)計(jì)劃、成本管理、安全管理、運(yùn)銷管理和協(xié)作平臺(tái)等數(shù)字化管理。

（2）生產(chǎn)技術(shù)綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”整個(gè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程中地質(zhì)、測量、水文、儲(chǔ)量、“一通三防”、采礦輔助設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)計(jì)、設(shè)備選型等的完全信息化和網(wǎng)絡(luò)化管理。該系統(tǒng)包括安全生產(chǎn)信息調(diào)度報(bào)表系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、地測管理信息系統(tǒng)以及任務(wù)閉環(huán)管理系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)。

2.1.5 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心

建立運(yùn)營管控云計(jì)算數(shù)據(jù)中心和經(jīng)營管理云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和災(zāi)備處理等，該中心主要針對于構(gòu)架中運(yùn)營管控層和經(jīng)營管理層兩個(gè)區(qū)域。管控層和管理層各建立一個(gè)虛擬化云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心采用存儲(chǔ)不同建筑物異地容災(zāi)備份，兩個(gè)數(shù)據(jù)中心采用網(wǎng)閘+防火墻的方式進(jìn)行隔離。

2.1.6 二維及三維可視化展示

基于三維GIS或三維可視化系統(tǒng)或虛擬礦井平臺(tái)，利用實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建井上和井下的虛擬環(huán)境，并能夠通過與其它系統(tǒng)的接口 （如瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)等），顯示監(jiān)測和供電等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，瀏覽和查詢井下設(shè)備的各種參數(shù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山主要管控過程的可視化展示、分析和操作。

2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)所需覆蓋的范圍廣、規(guī)模大、控制距離長、涉及工藝多和信息量大，點(diǎn)對點(diǎn)的控制無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的實(shí)際要求，為了最大限度地保證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，就必須采用多級異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。根據(jù)自動(dòng)化各組成部分的不同需求，礦井工業(yè)場地和風(fēng)井工業(yè)場地各設(shè)置獨(dú)立的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，目前主流的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下3種：

（1）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。這種方案是將全礦井的控制系統(tǒng)都通過控制網(wǎng)總線連接，結(jié)構(gòu)簡單，通過網(wǎng)關(guān)連接至自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。這種方案是目前主流技術(shù)，各交換節(jié)點(diǎn)通過EtherNet連接，提供高速數(shù)據(jù)交換，具有很高的可靠性。

（3）GEPON 網(wǎng)絡(luò)。GEPON 是一種無源光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，可在一根光纖中同時(shí)雙向傳輸各種信息，井下設(shè)備簡單，分光器無源；系統(tǒng)帶寬利用率高，適合相對占用帶寬的視頻傳輸。

圖3 系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在上述3種網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場總線網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于絕大部分自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架，標(biāo)準(zhǔn)開放且支持的廠家多。GEPON 可提供全套設(shè)備的廠家較少，且受最遠(yuǎn)交換節(jié)點(diǎn)距離限制。工業(yè)環(huán)網(wǎng)平臺(tái)根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用不同，分別設(shè)置控制通信環(huán)網(wǎng)、視頻環(huán)網(wǎng)和安全環(huán)網(wǎng)，在井上和井下分別設(shè)置獨(dú)立的冗余環(huán)。井下自動(dòng)化線纜在敷設(shè)中可事先埋入，系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 平臺(tái)軟件系統(tǒng)

2.3.1 平臺(tái)軟件的特點(diǎn)及選型

煤炭行業(yè)有著其特殊性，與其他制造業(yè)不同，在信息集成和控制方面，不僅僅是生產(chǎn)過程，還要協(xié)調(diào)生產(chǎn)和組織安全。目前主要數(shù)字化礦山建設(shè)基礎(chǔ)軟件平臺(tái)一般有3種技術(shù)。

（1）各類組態(tài)+定制。采用組態(tài)SCADA 采集支持的通訊協(xié)議豐富，對底層設(shè)備接入的實(shí)時(shí)性和兼容性較好；除了遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控外，如進(jìn)行一些優(yōu)化功能應(yīng)用，需從底層進(jìn)行二次開發(fā)，沒有專門的建模工具，開發(fā)難度大，一致性和可復(fù)制性差。

（2）PSI mining?；赟UN 公司的Solaris操作系統(tǒng)是一套SCADA 系統(tǒng)，不是一套自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)，適合自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和展現(xiàn)。該系統(tǒng)開發(fā)了一些針對煤礦的應(yīng)用功能，但易用性 （客戶體驗(yàn)）、實(shí)用性和可靠性需要進(jìn)一步考量。

（3）ABB 800XA。先進(jìn)的協(xié)同過程自動(dòng)化系統(tǒng)，其基于協(xié)同過程自動(dòng)化 （CPAS）的思路：人員、系統(tǒng)、設(shè)備的協(xié)同；Aspect Object技術(shù)，易于集成，提高集成效率、規(guī)模及集成度；Video 集成；電氣集成；信息管理及數(shù)據(jù)決策分析；電力和自動(dòng)化集成；支持通訊協(xié)議豐富。

2.3.2 平臺(tái)軟件系統(tǒng)內(nèi)容

數(shù)字化礦山平臺(tái)軟件支撐主要包括安全生產(chǎn)運(yùn)營管控基礎(chǔ)平臺(tái)、煤礦企業(yè)經(jīng)營管理基礎(chǔ)平臺(tái)、三維可視化平臺(tái)三大部分。

3 平臺(tái)構(gòu)架特點(diǎn)

綜上所述，平臺(tái)構(gòu)架有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心、統(tǒng)一的二維和三維展示。根據(jù)礦井管理分工的不同，整個(gè)應(yīng)用平臺(tái)根據(jù)運(yùn)營和經(jīng)營，分為偏向于控制的運(yùn)營管控平臺(tái)和偏向于管理的經(jīng)營管理平臺(tái)，符合煤礦的管理特點(diǎn)。

（2）管控平臺(tái)根據(jù)應(yīng)用對象的不同，以實(shí)際生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)為紐帶，劃分成三大中心和八大環(huán)節(jié)，平臺(tái)兼顧集中與分布控制特點(diǎn)，改變了原有煤礦自動(dòng)化常規(guī)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及劃分方法。

（3）采用控制和管理分開的兩個(gè)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)，包括存儲(chǔ)移動(dòng)災(zāi)備設(shè)計(jì)，所有的應(yīng)用部署于私有云中，保障整個(gè)信息化應(yīng)用平臺(tái)的穩(wěn)定和彈性擴(kuò)展。

（4）工業(yè)環(huán)網(wǎng)按業(yè)務(wù)應(yīng)用采用多環(huán)設(shè)計(jì)，包括控制、視頻和安全等完全硬件獨(dú)立的環(huán)網(wǎng)，并且配置了環(huán)網(wǎng)交換機(jī)光纖斷電續(xù)接功能，保障光網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性。

4 結(jié)語

上述平臺(tái)構(gòu)架已應(yīng)用于煤炭工業(yè)建設(shè) “十二五”示范礦井——陜煤集團(tuán)小保當(dāng)煤礦數(shù)字化礦山的規(guī)劃方案，目前煤礦數(shù)字化平臺(tái)還有許多問題有待解決，隨著信息化的不斷發(fā)展，一些更新的技術(shù)會(huì)融入其中，這需要一個(gè)不斷完善提高、不斷深化發(fā)展的過程，最終達(dá)到安全運(yùn)行、高效生產(chǎn)、科學(xué)管理和減人提效的目的。

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