礦井綜合自動化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討

【摘要】文章提出了對綜合自動化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)討論，包括高速網(wǎng)絡(luò)的建立、子系統(tǒng)接入標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)控數(shù)據(jù)中心、分控中心、數(shù)據(jù)分析中心等，從關(guān)鍵要點闡述了綜合自動化的現(xiàn)狀和發(fā)展，為行業(yè)內(nèi)綜合自動化技術(shù)的發(fā)展提供了參考思路。

【關(guān)鍵詞】綜合自動化;高速網(wǎng)絡(luò);分控中心;數(shù)據(jù)利用

1.前言

近幾年，全礦井綜合自動化“熱”在煤礦日漸升溫，截止到2010年底，保守估計全國已裝備各類全礦井綜合自動化系統(tǒng)數(shù)百套之多，為煤礦的信息化建設(shè)及安全生產(chǎn)發(fā)揮了積極的作用。但縱觀已裝備系統(tǒng)的現(xiàn)狀，普遍存在重接入子系統(tǒng)數(shù)量，輕子系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合利用的現(xiàn)象，將綜合自動化變成堆積自動化，形成系統(tǒng)內(nèi)的離散信息，造成綜合自動化系統(tǒng)投效比較低，影響綜合自動化系統(tǒng)技術(shù)及市場的健康發(fā)展。綜合自動化是基于礦井高速網(wǎng)絡(luò)，建立于各子系統(tǒng)之上的系統(tǒng)，其綜合各子系統(tǒng)信息，制定優(yōu)化控制策略，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)控制關(guān)系，對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理、深度挖掘產(chǎn)生出價值高于原始數(shù)據(jù)的信息，這就是綜合自動化的全部內(nèi)涵。本文就全礦井綜合自動化系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討。

2.礦井信息高速網(wǎng)絡(luò)

高速網(wǎng)絡(luò)是礦井綜合自動化的基礎(chǔ)，如果沒有高速信息網(wǎng)絡(luò)，礦井井下的海量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法及時傳輸上來，數(shù)據(jù)傳輸將成為綜合自動化發(fā)展的瓶頸。隨著高速網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用于井下，礦井綜合自動化已從專家學(xué)者研究課題，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€個工程案例。可見高速網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是這一轉(zhuǎn)變的重要推手。

目前，應(yīng)用在礦井的高速網(wǎng)絡(luò)類型主要有三種：a：工業(yè)以太環(huán)網(wǎng);b：無源光網(wǎng)絡(luò)（GEPON）;c：多信道工業(yè)環(huán)網(wǎng)（MCTP）。這三種網(wǎng)絡(luò)各自有其技術(shù)特點，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)以其技術(shù)穩(wěn)定、產(chǎn)品化程度高、網(wǎng)管軟件豐富等優(yōu)點著稱，但也存在帶寬利用率不高的缺點;無源光網(wǎng)絡(luò)帶寬可利用率高、主要傳輸設(shè)備無源，但對傳輸介質(zhì)光纜熔接損耗要求較高。

其中，礦井高速網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)居多，該架構(gòu)以成熟的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為基礎(chǔ)，經(jīng)過礦用化處理后應(yīng)用到煤礦井下。工業(yè)交換機(jī)礦用化處理主要包括隔爆或者本安處理，接口隔離、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換成總線接口、配置后備電池等等，只有經(jīng)過完善的礦用化處理，才適合在礦井下應(yīng)用。

3.監(jiān)控數(shù)據(jù)中心

目前，煤礦各個子系統(tǒng)的自動化應(yīng)用已基本建立，各種傳感器應(yīng)用也比較廣泛，在各個子系統(tǒng)中也保存了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。對于各個子系統(tǒng)來說，只能對自己本系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有限的利用，而想要利用其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)則存在一定的困難，比如由于各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封閉，外部系統(tǒng)很難有效獲取數(shù)據(jù)，包括原始的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和分析的結(jié)果。礦井綜合自動化系統(tǒng)在用戶的應(yīng)用情況并不算良好，多數(shù)還只是停留在子系統(tǒng)的搬移，即只是將原來子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、畫面等搬到所謂的自動化平臺中，而缺乏對這些數(shù)據(jù)的進(jìn)一步的綜合利用，而且這個平臺對于用戶的管理系統(tǒng)，決策支持系統(tǒng)等來說，同樣存在數(shù)據(jù)無法共享的問題，使其成為了一個更大的信息孤島，無法為外界提供更有用的信息，沒能發(fā)揮進(jìn)一步的作用。各個部門的信息仍處于孤島狀態(tài)，這不利于煤礦管理人員、煤礦安全監(jiān)督人員實行監(jiān)管和開展安全事故應(yīng)急處理。[1]

綜合自動化發(fā)展需要建立一個煤礦監(jiān)控數(shù)據(jù)中心，提供開放的一致的數(shù)據(jù)共享平臺，在這個平臺中除了能將數(shù)據(jù)原本再現(xiàn)外，同時能提供廣泛的業(yè)務(wù)邏輯支持。建立數(shù)據(jù)接入組件，支持文本文件、OPC、數(shù)據(jù)庫等方式獲取各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后將所有獲取到的數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一的對外發(fā)布的接口，將數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)壓縮與存儲程序，根據(jù)預(yù)定的數(shù)據(jù)壓縮算法，將數(shù)據(jù)壓縮處理后，存儲到事務(wù)型數(shù)據(jù)庫中。壓縮算法的選擇需綜合考慮壓縮率、實現(xiàn)難度、處理效率等因素。

根據(jù)確定的煤礦業(yè)務(wù)，通過建模工具建立數(shù)據(jù)分析模型，同時需要建立從事務(wù)型數(shù)據(jù)庫到數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，將歷史數(shù)據(jù)從事務(wù)型數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入到數(shù)據(jù)倉庫，數(shù)據(jù)分析服務(wù)根據(jù)分析模型就可以得出分析結(jié)果。如果煤礦業(yè)務(wù)需求發(fā)生變化，或者用戶提出新的需求，則需要修改或新建數(shù)據(jù)分析模型，數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)也可能需要重新加載，以適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求。數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)提供業(yè)務(wù)分析的結(jié)果，以及相關(guān)的實時和歷史數(shù)據(jù)，供展現(xiàn)層或第三方使用。

4.分控中心

綜合自動化基本功能要實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動控制，但綜合自動化平臺上的控制是基于系統(tǒng)集控的，數(shù)據(jù)與控制來源于子系統(tǒng)單機(jī)控制，但高于單機(jī)系統(tǒng)。主要有兩大特點：（1）有邏輯閉鎖關(guān)聯(lián)關(guān)系的相關(guān)子系統(tǒng)間實現(xiàn)聯(lián)合集控;（2）集控系統(tǒng)平臺要面向?qū)ο?，面向使用部門，面向管理部門，建設(shè)一個基于實用為目的的綜合自動化分控中心。

綜合自動化軟件平臺基于分控中心模式架構(gòu)，主要實現(xiàn)以下功能：面向使用部門，面向關(guān)注對象，將相關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)匯總建立分控中心，實現(xiàn)子系統(tǒng)高效遠(yuǎn)程集控;在接入礦井多個子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立分層控制架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)分層分級控制。以某個礦井綜合自動化分控中心為例，按礦井部門職能設(shè)立原煤生產(chǎn)分控中心、電力系統(tǒng)分控中心、機(jī)電分控中心、通風(fēng)分控中心四大分控中心和輔助監(jiān)測中心，相關(guān)子系統(tǒng)按類別分組，通過分控中心實現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中控制。

其中，相應(yīng)的分控中心面向管理部門如下：

（1）原煤生產(chǎn)分控中心：面向生產(chǎn)科，實現(xiàn)對原煤系統(tǒng)，包括采掘工作面系統(tǒng)、井底配倉、綜采運(yùn)輸順槽、采區(qū)大巷運(yùn)輸、一水平東翼運(yùn)輸膠帶、主斜井皮帶等系列原煤生產(chǎn)流程相關(guān)的子系統(tǒng)集中遠(yuǎn)程控制。

（2）電力系統(tǒng)分控中心：面向動力科，實現(xiàn)對地面110KV變電所、副井10KV變電所，井下中央變電所、3-1采區(qū)變電所、2-1采區(qū)變電所等礦井動力相關(guān)的系統(tǒng)集中遠(yuǎn)程控制。

（3）機(jī)電分控中心：面向機(jī)電部，實現(xiàn)對井下主排水、礦井水處理、生活污水處理等與水處理有關(guān)的系統(tǒng)控制，實現(xiàn)對壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、熱交換站控制系統(tǒng)、副井提升監(jiān)控系統(tǒng)等與機(jī)電有關(guān)的各類控制系統(tǒng)。

（4）通風(fēng)分控中心：面向通風(fēng)科，實現(xiàn)對主扇通風(fēng)控制系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)束管監(jiān)測系統(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。

圖1 綜合自動化架構(gòu)圖

子系統(tǒng)接入分控中心可以通過兩種途徑，子系統(tǒng)存在上位機(jī)的，直接通過上位機(jī)以太網(wǎng)接口接入，軟件接口可采用OPC或者PLC、電力系統(tǒng)等專業(yè)接口;子系統(tǒng)無上位機(jī)的，則由子系統(tǒng)PLC或其他專業(yè)執(zhí)行器直接接入分控中心，接口同樣可以采用OPC或其他標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)接口;按專業(yè)配置基于組態(tài)軟件或?qū)I(yè)后臺軟件的控制軟件，實現(xiàn)對關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的控制，并對綜合自動化系統(tǒng)平臺提供數(shù)據(jù)接口。

5.數(shù)據(jù)分析與利用

數(shù)據(jù)的分析與利用主要通過數(shù)據(jù)分析中心實現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析中心是綜合自動化平臺除分控中心以外的另一個重要模塊，在采集各分控中心數(shù)據(jù)及各類監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井管理需求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，按功能進(jìn)行專業(yè)處理，完成數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)變過程，將采集上來的子系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀、有用的信息提供給使用者做決策參考。綜合自動化平臺通過數(shù)據(jù)分析中心主要實現(xiàn)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理，轉(zhuǎn)化成信息展示。從枯燥繁瑣的數(shù)據(jù)，變成有用的信息，讓子系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)揮作用。

綜合自動化平臺數(shù)據(jù)分析中心軟件按管理需求分層次設(shè)計，調(diào)度指揮中心、機(jī)電各部門、生產(chǎn)各部門可根據(jù)業(yè)務(wù)需求定制相應(yīng)的控制模塊和信息化處理模塊，實現(xiàn)對子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的挖掘利用與增值處理。

數(shù)據(jù)的挖掘處理是在接入系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各專業(yè)分析理論或者生產(chǎn)工藝，提煉出對安全、生產(chǎn)有價值的信息，主要的數(shù)據(jù)信息化處理如下：

（1）信息處理1：區(qū)域生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境評估

通過對各子系統(tǒng)已接入的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行重組和計算得出每個區(qū)域的評價結(jié)果，也可結(jié)合現(xiàn)有其它系統(tǒng)（如：通風(fēng)瓦斯預(yù)測、安全量化評估管理系統(tǒng)、人員監(jiān)測系統(tǒng)等）進(jìn)行區(qū)域狀態(tài)的綜合評定，并在圖中實時顯示，系統(tǒng)可輸入算數(shù)、邏輯等各種表達(dá)式進(jìn)行運(yùn)算得到評價結(jié)果?？梢云鸬降V井安全多層防護(hù)作用，加快安全事故隱患排查效率，達(dá)到事前預(yù)警，從而提高礦井災(zāi)害預(yù)防能力。實現(xiàn)目標(biāo)：平臺操作人員能簡單地、一目了然了解礦井各區(qū)域安全情況和實時人數(shù)，通過屏幕上紅色、橙色、綠色等顏色直觀地判斷目標(biāo)區(qū)域是否安全。

（2）信息處理2：系統(tǒng)或設(shè)備聯(lián)動

實現(xiàn)設(shè)備啟動、停車或異常時，相關(guān)系統(tǒng)及時彈出信息，關(guān)聯(lián)顯示當(dāng)前狀態(tài)，確保設(shè)備運(yùn)行安全和穩(wěn)定。如膠帶機(jī)啟車時，相關(guān)電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的及時顯示和膠帶機(jī)機(jī)頭或機(jī)尾攝像頭圖像的顯示。實現(xiàn)目標(biāo)：設(shè)備異?；騿⑼r，操作人員無需更進(jìn)一步操作，即可在一個統(tǒng)一界面上觀察到該狀態(tài)操作人員必須觀察的運(yùn)行數(shù)據(jù)、實況圖像等。

（3）信息處理3：生產(chǎn)設(shè)備在線管理

實現(xiàn)在線設(shè)備的狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)的實時監(jiān)測，協(xié)助（庫存狀況）和監(jiān)督（實時提醒）在線設(shè)備的及時檢修，提高煤礦生產(chǎn)效率及生產(chǎn)安全性;實現(xiàn)目標(biāo)：重點設(shè)備的維護(hù)實現(xiàn)無紙化、實時、高效。

（4）信息處理4：生產(chǎn)效能評估

通過對當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計，得出全礦各系統(tǒng)在某段時間內(nèi)累計影響生產(chǎn)的時間以及影響生產(chǎn)的主要因素，通過歷史追憶的形式分析得出全礦井的能耗比、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的故障率，從而減少各類故障和資源浪費(fèi)，實現(xiàn)節(jié)能增效。實現(xiàn)目標(biāo)：生產(chǎn)投入與產(chǎn)出透明展示，能耗、效益直觀顯示。

（5）信息處理5：自動預(yù)警

通過礦用監(jiān)控數(shù)據(jù)中心接入各個子系統(tǒng)，然后對已接入的測點進(jìn)行自動分類監(jiān)測、處理，由已接入測點的設(shè)置和一段時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)警值算法計算得出該測點的預(yù)警參考值，并由此參考值對測點的實時值進(jìn)行處理得到測點的預(yù)警狀態(tài)。實現(xiàn)目標(biāo)：在沒有達(dá)到報警狀態(tài)前就掌握目標(biāo)的變化趨勢，讓各種超限報警消失在萌芽狀態(tài)。

（6）信息處理6：應(yīng)急預(yù)案管理

礦井生產(chǎn)的情況瞬息萬變，一旦發(fā)生異常需要及時處理以保障人員和設(shè)備安全，降低風(fēng)險。應(yīng)急預(yù)案管理可在異常事件發(fā)生時，自動按照預(yù)案的設(shè)計啟動處理流程而不需要人員的干預(yù)，同時調(diào)度人員根據(jù)實際情況做出的判斷，也可以通過該管理平臺向外發(fā)布，進(jìn)行及時的應(yīng)急指揮。實現(xiàn)目標(biāo)：礦井各類預(yù)案進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行無紙流程化處理，遇到緊急情況按預(yù)案過程提示一步步進(jìn)行處理，減少次生事故的發(fā)生。

6.結(jié)束語

將煤礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)就近接入高可靠性、高速率的綜合監(jiān)控主干網(wǎng)絡(luò)是必然的發(fā)展趨勢[3]，綜合自動化平臺在子系統(tǒng)接入的基礎(chǔ)上發(fā)展，在國內(nèi)剛剛發(fā)展了不到十年，基本經(jīng)歷了數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)匯總階段，目前正朝著數(shù)據(jù)增值利用的方向發(fā)展。只有真正把采集到的海量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理，形成數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行分析和增值處理，礦井綜合自動化系統(tǒng)才能更健康地發(fā)展、有效地提供礦井輔助管理手段。

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[3]陳榮光，閆曉峰，李娟.礦用GEPON系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].工礦自動化，2008（5）：44-47.

作者信息：段瑞威（1981—），男，江蘇東海人，現(xiàn)供職于天地（常州）自動化股份有限公司，一直從事煤炭信息化工作。