基于數(shù)字化礦山的自動控制中心設(shè)計(jì)

天地（常州）自動化股份有限公司 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司 閆兆振

基于數(shù)字化礦山的自動控制中心設(shè)計(jì)

天地（常州）自動化股份有限公司 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司 閆兆振

本文分析了煤炭行業(yè)數(shù)字化礦山的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論了建立礦井自動控制中心的必要性，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山的基礎(chǔ)上進(jìn)行業(yè)務(wù)流程的重組，建設(shè)多個自動控制中心，設(shè)計(jì)了一套較為實(shí)用的控制中心設(shè)計(jì)流程，并詳細(xì)介紹了控制中心的設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方案及關(guān)鍵技術(shù)。通過建設(shè)自動控制中心，可切實(shí)提高設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程重組，優(yōu)化控制流程，節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率。

數(shù)字化礦山；自動控制中心；流程重組

概述

目前，我國很多煤礦已經(jīng)進(jìn)行數(shù)字化礦山項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了井上井下監(jiān)測、控制數(shù)據(jù)的集中、高速傳輸，實(shí)現(xiàn)了對煤炭生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)測等實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)的自動采集，實(shí)現(xiàn)了煤礦的管-控一體化，使礦井在“采、掘、運(yùn)、洗、選、風(fēng)、水、電、安全”等環(huán)節(jié)全面實(shí)現(xiàn)信息化，并將礦井建設(shè)、生產(chǎn)、管理的各個環(huán)節(jié)，統(tǒng)一在同一個網(wǎng)絡(luò)平臺上，在煤礦安全生產(chǎn)過程中起到了重要作用[1-3]。

但是，國內(nèi)數(shù)字化礦山的建設(shè)經(jīng)過10多年研究應(yīng)用，目前還基本上處于“堆積自動化”階段，主要實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)的集成、數(shù)據(jù)集中展示及生產(chǎn)、安全、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集中存儲，但對數(shù)據(jù)的深度融合和智能決策支持方面成功案例較少；系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，在生產(chǎn)過程優(yōu)化控制、節(jié)能降耗管理和故障跟蹤定位方面未見相關(guān)應(yīng)用，沒有真正達(dá)到人本安全、節(jié)能降耗、減人提效的目的。因此，我們提出建立自動控制中心，基于現(xiàn)有數(shù)字化礦山建設(shè)的成果，分析煤礦整體生產(chǎn)工藝、業(yè)務(wù)流程及部門職責(zé)，在自動化系統(tǒng)控制過程的可靠性、控制系統(tǒng)分類的合理性及操控平臺的易操作性等方面進(jìn)行深入研究。

煤礦通過建立自動控制中心，大幅提高煤礦開采的機(jī)械化程度，盡量減少井下作業(yè)人員，充分利用生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化數(shù)據(jù)，將智能決策分析與生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤礦信息資源的有機(jī)整合，為煤礦的安全生產(chǎn)、過程控制、運(yùn)行與優(yōu)化管理提供保障，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷，切實(shí)提高設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)的可靠性；通過對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合及分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程重組，優(yōu)化控制流程，降低能耗，提高生產(chǎn)效率。

1 控制中心設(shè)計(jì)原則

通過研究煤礦生產(chǎn)工藝、業(yè)務(wù)流程及部門職責(zé)，考慮專業(yè)、工藝、閉鎖關(guān)系、啟動順序、停機(jī)條件、系統(tǒng)間聯(lián)動、數(shù)據(jù)影響等因素，對煤礦生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行合理重組，規(guī)劃采掘控制中心、電力控制中心、通風(fēng)控制中心、維運(yùn)控制中心、運(yùn)輸控制中心等五大控制中心。

1.1 采掘控制中心

采掘控制中心主要面向生產(chǎn)部門，實(shí)現(xiàn)對采掘工作面系統(tǒng)、采區(qū)皮帶、水泵、供電、大巷運(yùn)輸皮帶、以及主斜井皮帶等系列原煤生產(chǎn)流程相關(guān)的子系統(tǒng)集中監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、調(diào)度與管理。將采、掘、運(yùn)等與生產(chǎn)息息相關(guān)的環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)起來，統(tǒng)籌分析，通過煤流控制、系統(tǒng)聯(lián)動等自動化控制手段減人提效，減少事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動生產(chǎn)率，節(jié)約能源。

1.2 電力控制中心

建立電力控制中心，面向機(jī)電部門，實(shí)現(xiàn)全礦各變電所的遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控及供電信息分享，包括地面35KV變電所、井下中央變電所、采區(qū)變電所等礦井供電相關(guān)的系統(tǒng)；采用電力監(jiān)控站、專用綜合保護(hù)器、專用短路檢測模塊、防越級跳閘閉鎖控制器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)防越級跳閘功能；分析出供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備事故的影響范圍，如設(shè)備停電影響范圍、停電影響設(shè)備具備的等級、停電帶來連鎖反應(yīng)等，根據(jù)現(xiàn)場情況自動推送關(guān)聯(lián)連鎖分析結(jié)果，緊急情況下觸發(fā)相應(yīng)預(yù)案。

1.3 通風(fēng)控制中心

通風(fēng)控制中心主要面向通風(fēng)工區(qū)，主要負(fù)責(zé)安全監(jiān)測系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、防塵灑水系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線監(jiān)測及控制，配合已有的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)等將礦井的安全數(shù)據(jù)信息及時發(fā)布，提供給其他生產(chǎn)管理部門，對井下環(huán)境進(jìn)行綜合分析和科學(xué)判斷，確保煤礦安全生產(chǎn)。

1.4 維運(yùn)控制中心

維運(yùn)控制中心主要面向維運(yùn)工區(qū)，主要負(fù)責(zé)全礦井大動力維運(yùn)系統(tǒng)及全礦電力系統(tǒng)的監(jiān)測、調(diào)度與管理、維護(hù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電專業(yè)子系統(tǒng)集中控制與管理，實(shí)現(xiàn)智能供電，設(shè)備遠(yuǎn)程診斷。隨時掌握設(shè)備的健康狀況及生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行、控制情況保障大動力設(shè)備及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.5 運(yùn)輸控制中心

運(yùn)輸控制中心主要面向輔運(yùn)部門，實(shí)現(xiàn)對軌道運(yùn)輸自動控制、猴車控制系統(tǒng)、梭車控制系統(tǒng)的調(diào)度與管理，通過信集閉系統(tǒng)、井下物流系統(tǒng)、猴車控制系統(tǒng)、梭車控制系統(tǒng)與工業(yè)視頻、安全監(jiān)測、人員定位系統(tǒng)聯(lián)動等自動化控制手段減人提效，減少事故的發(fā)生。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 總體架構(gòu)

自動控制中心的總體構(gòu)架自上而下包括設(shè)備層、執(zhí)行層、管控層、控制層，以設(shè)備層、執(zhí)行層各子系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)在運(yùn)營層建立礦用管控層數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行層數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾、分析和信息融合，為管控層和控制層提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 控制中心架構(gòu)圖

2.2 控制中心建設(shè)

本文中以采掘控制中心為例，詳述自動控制中心的建設(shè)過程，其它控制中心的建設(shè)參照此過程。

采掘控制中心主要基于ABB 800xA平臺進(jìn)行建設(shè)，實(shí)現(xiàn)控制層、應(yīng)用層的系統(tǒng)、設(shè)備和儀表等無縫集成，平臺基于三層SCADA架構(gòu)[4]，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的人機(jī)交互和管理決策。ABB 800xA利用屬性對象技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，從而實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、圖像等數(shù)據(jù)的一體化集成、準(zhǔn)確可靠的監(jiān)控、設(shè)備在線監(jiān)測、故障報(bào)警預(yù)警、高效組態(tài)等?；诂F(xiàn)場子系統(tǒng)數(shù)據(jù)將各種情況的信息經(jīng)分類、處理后準(zhǔn)確、可靠、迅捷地反應(yīng)給控制中心及相應(yīng)的職能部門和主管領(lǐng)導(dǎo)，以便及時處理，指導(dǎo)和調(diào)節(jié)各生產(chǎn)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的運(yùn)行。

首先，對采掘過程中的每個設(shè)備的基礎(chǔ)信息（包括采煤機(jī)、皮帶、水泵等）、控制系統(tǒng)及保護(hù)安裝的相關(guān)狀況，分析各種保護(hù)的工作狀態(tài)，各種保護(hù)對皮帶運(yùn)行的影響，皮帶啟停的工作流程，與采掘系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)的其他系統(tǒng)（包括供電系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等）的安裝及工作狀態(tài)等方面做深入的調(diào)研。

第二，對每個設(shè)備的控制流程進(jìn)行綜合評測。對于控制系統(tǒng)可靠的子系統(tǒng)采用OPC方式進(jìn)行控制；對于控制系統(tǒng)不太穩(wěn)定或者未安裝控制系統(tǒng)的設(shè)備，通過安裝統(tǒng)一的AC800M控制器與井下設(shè)備的控制器通訊，通過實(shí)時可靠的傳輸協(xié)議獲取設(shè)備運(yùn)行、監(jiān)控狀態(tài)參數(shù)及控制點(diǎn)，將井下設(shè)備統(tǒng)一集成到800xA平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

第三，建立面向生產(chǎn)部門的采掘控制中心，實(shí)現(xiàn)對采掘過程，包括采掘工作面系統(tǒng)、運(yùn)輸順槽、大巷運(yùn)輸、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；通過控制中心實(shí)現(xiàn)對主運(yùn)輸系統(tǒng)的遠(yuǎn)程一鍵式流程起?？刂?；根據(jù)產(chǎn)量計(jì)量均衡各工作面的出煤量，自動調(diào)整采煤機(jī)割煤進(jìn)度；主運(yùn)輸環(huán)節(jié)與相關(guān)安全保障系統(tǒng)的智能聯(lián)動。

最后，部署操控平臺。操控平臺如圖2所示，常規(guī)的操控平臺搭配3臺大屏、6臺顯示器、2套揚(yáng)聲器、1臺話筒、1個攝像頭、1個多功能鍵盤、1個鼠標(biāo)和一套照明系統(tǒng)[4]，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。3臺大屏顯示分別顯示關(guān)鍵點(diǎn)視頻信號、當(dāng)前操作畫面和當(dāng)前報(bào)警提醒，顯示器顯示用于顯示控制中心的總體監(jiān)控畫面及各子系統(tǒng)的整體監(jiān)控畫面，當(dāng)操作某個畫面時，該畫面自動投射到中間的大屏上進(jìn)行顯示。

圖2 操控平臺示意圖

2.3 控制流程

實(shí)現(xiàn)順槽、裝載、主井、上倉等與原煤生產(chǎn)流程相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)測、控制及流程優(yōu)化。

啟動流程：先對裝載、主井、上倉皮帶運(yùn)輸機(jī)①設(shè)備是否健康、②通風(fēng)情況是否良好、③區(qū)域環(huán)境是否良好、④設(shè)備供電是否正常，結(jié)合各個⑤視頻監(jiān)控點(diǎn)信息、⑥人員所在位置信息、⑦設(shè)備閉鎖關(guān)系進(jìn)行綜合評估，一旦出現(xiàn)有一項(xiàng)不符合設(shè)備啟動條件的，平臺將無法進(jìn)行集中流程啟動，并通過平臺返回相應(yīng)提示信息，告知調(diào)度人員，待處理完畢后才能啟動。其中①、③的結(jié)果來源于數(shù)據(jù)分析與專家決策系統(tǒng)。

必要條件：①設(shè)備是否健康；②通風(fēng)情況是否良好；④設(shè)備供電是否正常；⑦設(shè)備閉鎖關(guān)系。

參考條件：③區(qū)域環(huán)境是否良好；⑤視頻監(jiān)控點(diǎn)信息；⑥人員所在位置信息。

應(yīng)急預(yù)案：當(dāng)流程無法啟動或停止時，需結(jié)合平臺返回的信息，由調(diào)度人員決定是否待問題處理完畢后再啟動，還是進(jìn)行解鎖單設(shè)備啟動或停止，以免影響生產(chǎn)和影響安全。

3 關(guān)鍵技術(shù)

自動控制中心的規(guī)劃，立足煤礦安全、生產(chǎn)、管理體系進(jìn)行全方位設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)控制的高可靠性及操控平臺的高效性。因此，控制中心需要從被控設(shè)備、執(zhí)行器、控制平臺、控制操作臺等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的評測[5-6]，對整個控制過程中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的升級改造，以目前國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，以國外先進(jìn)技術(shù)為支撐，建設(shè)高效、實(shí)用、可靠的控制中心。主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：

3.1 研究被控制設(shè)備運(yùn)行完好性的檢測方法及標(biāo)準(zhǔn)

綜合運(yùn)用集成的設(shè)備數(shù)據(jù)，設(shè)備故障檢測情況，設(shè)備檢修情況、設(shè)備運(yùn)行狀況等，研究確定被控設(shè)備運(yùn)行完好性的動靜態(tài)檢測的方法及標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 研究并選用先進(jìn)可靠的傳感器與執(zhí)行器

根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場的特殊環(huán)境，結(jié)合設(shè)備及子系統(tǒng)的特性，研究不同種類傳感器與執(zhí)行器的特性，研究確定執(zhí)行器完好性及相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以確保執(zhí)行器可靠運(yùn)行，根據(jù)使用場合選用國內(nèi)外先進(jìn)可靠的傳感器與執(zhí)行器。

3.3 控制平臺的可靠性研究及評價(jià)方法

利用現(xiàn)有成熟軟件平臺以及先進(jìn)技術(shù)，研究適合煤礦行業(yè)可靠的控制平臺，建立標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)方法以確?？刂破脚_的可靠性。

3.4 選用先進(jìn)高效的操控平臺

根據(jù)控制中心的需要，研究并選用適合煤礦的一體化操控平臺，通過多屏幕、廣播、音視頻通話等全方位的監(jiān)測生產(chǎn)過程現(xiàn)場，根據(jù)每個控制中心的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合該控制中心的監(jiān)控畫面、報(bào)警方式、操作模式等。

4 結(jié)語

通過建設(shè)自動控制中心，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的故障診斷及自診斷，切實(shí)提高設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)的可靠性；通過對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合及分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程重組，優(yōu)化控制流程，提高系統(tǒng)的可靠性，降低能耗，提高生產(chǎn)效率。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)的結(jié)合，降低運(yùn)營成本，全面提升企業(yè)運(yùn)行管理水平。

[1]呂鵬飛,郭軍.我國煤礦數(shù)字化礦山發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)探討[J].工礦自動化,2009(9).

[2]吳義祥.煤礦綜合自動化系統(tǒng)的研究[J].工礦自動化,2010(9).

[3]吳立新.數(shù)字礦山的若干問題[R].山東泰安:山東省煤管局、國際礦山測量委員會中國委員會,2007.

[4]http://www.abb.com.ABB網(wǎng)站.

[5]孫繼平.煤礦物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011(1).

[6]張群英.電氣自動化控制設(shè)備可靠性測試研究[J].煤炭技術(shù),2012(4).

[7]廖志強(qiáng),陳東春,劉水文.煤礦井下電磁干擾源及抗干擾技術(shù)研究[J].工礦自動化,2012(7).

中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目（編號：2014MS027）。

閆兆振（1981－），男，山東菏澤人，碩士，副研究員，現(xiàn)主要從事煤礦軟件產(chǎn)品與系統(tǒng)的研發(fā)工作。