工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在煤礦集中監(jiān)測監(jiān)控管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

張大勇

【摘要】本文針對國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)通訊協(xié)議和信息交換標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)困難、無法做到數(shù)據(jù)共享的缺點(diǎn)，提出一種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)集中監(jiān)測監(jiān)控管理系統(tǒng)方案，構(gòu)建一個(gè)具有分散性、實(shí)時(shí)性、可靠性、開放性和互操作性特點(diǎn)，符合礦井安全要求的生產(chǎn)與管理信息傳輸平臺。

【關(guān)鍵詞】安全生產(chǎn)；工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)；集中監(jiān)測監(jiān)控管理系統(tǒng)；核心交換機(jī)；網(wǎng)絡(luò)安全

一、引言

目前我國大部分煤礦均已不同程度地建立或準(zhǔn)備建立安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，但從系統(tǒng)集成的角度來看，有關(guān)生產(chǎn)、管理的自動化與信息化水平相對較低，特別是煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)尚沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各廠家都是自行制定傳輸協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)，各分（子）系統(tǒng)之間不能互通和兼容，存在著信息孤島現(xiàn)象，信息資源難于共享，監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動；從產(chǎn)業(yè)的角度看，目前煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)軟硬件研發(fā)和服務(wù)保障系統(tǒng)相對落后，研發(fā)力量薄弱，適合煤礦行業(yè)特點(diǎn)和需求的軟硬件和電子專用設(shè)備、儀器目前仍比較缺乏，還難以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求和技術(shù)升級的需要。

本文結(jié)合山西潞安溫莊煤業(yè)有限責(zé)任公司礦井生產(chǎn)和安全監(jiān)控系統(tǒng)集成工程建設(shè)，采用最新的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、光纖通信和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行安全生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個(gè)符合礦井安全要求的礦井生產(chǎn)與管理信息綜合系統(tǒng)的傳輸平臺。

二、設(shè)計(jì)原則

根據(jù)該礦目前的實(shí)際情況，煤礦的生產(chǎn)與管理信息綜合集成系統(tǒng)包括井下煤炭安全生產(chǎn)自動監(jiān)控監(jiān)視系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)兩大方面。本系統(tǒng)是為煤炭行業(yè)、大中型煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)管理科學(xué)化而設(shè)計(jì)開發(fā)的，旨在為煤礦生產(chǎn)節(jié)約成本、強(qiáng)化生產(chǎn)安全管理、提高工作效率，能確保安全監(jiān)察業(yè)務(wù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速的運(yùn)行，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的高效運(yùn)作，對煤炭開采各生產(chǎn)成本指標(biāo)作出科學(xué)、全面的統(tǒng)計(jì)分析，并提供全面系統(tǒng)的決策資料，是對煤礦管理做出科學(xué)決策的最佳助手。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著先進(jìn)性、開放性、可擴(kuò)充性、可維護(hù)性的原則，根據(jù)目前業(yè)務(wù)實(shí)際，并充分考慮今后業(yè)務(wù)發(fā)展需要，采用瀏覽器/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)與客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合的多層應(yīng)用結(jié)構(gòu)，使用當(dāng)前先進(jìn)的系統(tǒng)平臺、面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法、可視化的開發(fā)工具，設(shè)計(jì)出一套較為完善的適用于煤礦實(shí)際的管理科學(xué)化、安全生產(chǎn)自動化的綜合信息化解決方案。本方案設(shè)計(jì)主要注重：先進(jìn)性和成熟性：采用目前比較成熟的先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，以國內(nèi)現(xiàn)有的綜合信息集成系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，不必重新開發(fā)綜合系統(tǒng)。開放性和標(biāo)準(zhǔn)性：采用有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范。實(shí)效性和共享性：能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、動態(tài)地更新煤礦信息。并提供信息資源高度共享。傳遞性和安全性：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫三層結(jié)構(gòu)安全管理，支持多級權(quán)限管理，使系統(tǒng)安全性有穩(wěn)固的保障；從操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件等多層次設(shè)置安全屏障，有效保證數(shù)據(jù)安全，保證了客戶數(shù)據(jù)不被篡改，保證網(wǎng)絡(luò)信息的安全性、完整性。

三、設(shè)計(jì)目標(biāo)

1、建立煤礦安全生產(chǎn)所必須的測控系統(tǒng)，覆蓋企業(yè)安全生產(chǎn)所涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)。要設(shè)計(jì)或改造的生產(chǎn)自動監(jiān)控系統(tǒng)包括：

（1）井下通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)（2）皮帶運(yùn)輸監(jiān)控子系統(tǒng)（3）自動排水監(jiān)控子系統(tǒng)（4）電網(wǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)（5）環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)（6）人員定位與考勤子系統(tǒng)（7）提升監(jiān)控子系統(tǒng)（8）自動乘人子系統(tǒng)（9）工業(yè)電視監(jiān)控子系統(tǒng)其中工業(yè)電視監(jiān)控子系統(tǒng)將上述8個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全程電視監(jiān)控，并做到在內(nèi)部網(wǎng)上瀏覽所關(guān)心的畫面，并可實(shí)時(shí)錄相。以上子系統(tǒng)可根據(jù)煤礦輕重緩急的要求，分步實(shí)施，每上一個(gè)子系統(tǒng)即將其與管理信息系統(tǒng)集成在一起。

2、建立對生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的管理子系統(tǒng)。

通過對有關(guān)生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行的原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)過程參數(shù)的分析，提高生產(chǎn)調(diào)度、管理的準(zhǔn)確性與及時(shí)性，減少和避免重大故障，提高運(yùn)行可靠性，從而保障機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行。建立健全積極、主動的維護(hù)保養(yǎng)循環(huán)體系，根據(jù)設(shè)備的性能和特點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定點(diǎn)、定量的維護(hù)檢查，并提供多種形式的設(shè)備運(yùn)行狀況預(yù)警，確保機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行。

3、網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建分為兩個(gè)工期：第一期工程：井下共設(shè)計(jì)兩個(gè)環(huán)網(wǎng)、分別是一個(gè)1000M環(huán)網(wǎng)，一個(gè)100M環(huán)網(wǎng)。1000M供全礦井所有子系統(tǒng)接入，100M供安全監(jiān)控系統(tǒng)接入。第二期工程：按礦井技改建設(shè)進(jìn)度和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)地面1000M環(huán)網(wǎng)。全礦網(wǎng)絡(luò)各環(huán)的交換機(jī)支光纖直接接入調(diào)度室的核心交換機(jī)，形成獨(dú)立環(huán)網(wǎng)。調(diào)度室配置兩臺核心交換機(jī)，核心交換機(jī)配備備用光口，降低網(wǎng)絡(luò)故障率。該平臺作為一個(gè)整體進(jìn)行監(jiān)控與管理，使礦井在“采、掘、運(yùn)、風(fēng)、水、電、安全”等生產(chǎn)環(huán)節(jié)全面實(shí)現(xiàn)信息化，實(shí)時(shí)掌握全礦井安全、生產(chǎn)、人員、經(jīng)營等所有方面的信息，形成統(tǒng)一、完整的有機(jī)整體，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理，建立起礦井集中監(jiān)測監(jiān)控管理系統(tǒng)。

四、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)硬件系統(tǒng)由井下現(xiàn)場設(shè)備層及防爆交換機(jī)、地面控制層以及煤礦管理信息中心等構(gòu)成。

井下現(xiàn)場設(shè)備層包括各監(jiān)控子系統(tǒng)分站和井下防爆交換機(jī)，各監(jiān)控子系統(tǒng)分站負(fù)責(zé)各自的設(shè)備監(jiān)控與運(yùn)行；井下防爆交換機(jī)將井下各監(jiān)控子系統(tǒng)分站的信息集中，通過光纖將信息經(jīng)過井上交換機(jī)傳輸?shù)礁鞅O(jiān)控主機(jī)，同時(shí)接收井上信息中心通過監(jiān)控主機(jī)及交換機(jī)傳來的監(jiān)控命令，以向井下監(jiān)控分站下達(dá)監(jiān)控命令來控制設(shè)備的正常運(yùn)行。地面控制層包括各監(jiān)控子系統(tǒng)主機(jī)及服務(wù)器和交換機(jī)，各監(jiān)控主機(jī)負(fù)責(zé)對各自井下分站的直接監(jiān)控，監(jiān)控主機(jī)通過防火墻與煤礦管理信息中心局域網(wǎng)相連，將得到的設(shè)備運(yùn)行情況等信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，以便管理者網(wǎng)上瀏覽。煤礦管理信息中心由WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、備份服務(wù)器以及交換機(jī)和防火墻等組成，實(shí)現(xiàn)對井下設(shè)備和地面管理等信息的存儲、檢索、管理和監(jiān)視。實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)與管理綜合信息的集成。

五、系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

系統(tǒng)安全是信息化建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，需要全方位考慮。既要確保系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難后能夠盡快恢復(fù)，又要確保信息不被非法訪問和篡改。常用方法包括：系統(tǒng)的熱備份、密鑰、數(shù)字證書、防火墻、遠(yuǎn)程容災(zāi)、入侵檢測等。

安全方案主要技術(shù)特點(diǎn)如下：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完全、自動備份，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多次存儲，極大程度的保證了數(shù)據(jù)的安全性。主備服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)自動切換，也可以人為強(qiáng)行切換。當(dāng)主服務(wù)器遇到故障，比如斷網(wǎng)、死機(jī)、斷電等情況，會實(shí)現(xiàn)到備份服務(wù)器的自動切換。雙機(jī)進(jìn)行切換不影響系統(tǒng)的運(yùn)行，穩(wěn)定性好。雙機(jī)熱備軟件的安裝與配置都較為簡單。雙機(jī)熱備采用純軟方式，成本低，不需要購買昂貴的磁盤陣列柜，兩臺服務(wù)器之間不受距離的限制，可靠性更高一些。采用硬陣列的方式，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。磁盤陣列其實(shí)也分為軟陣列 （Software Raid）和硬陣列 （Hardware Raid） 兩種。軟陣列即通過軟件程序并由計(jì)算機(jī)的CPU提供運(yùn)行能力所成。由于軟件程式不是一個(gè)完整系統(tǒng)，只能提供最基本的RAID容錯(cuò)功能。硬陣列是由獨(dú)立操作的硬件提供整個(gè)磁盤陣列的控制和計(jì)算功能，不依靠系統(tǒng)的CPU資源。由于硬陣列是一個(gè)完整的系統(tǒng)，所有需要的功能均可以做進(jìn)去，所以硬陣列所提供的功能和性能均比軟陣列好。RAID技術(shù)的采用提高了磁盤的存取（access）速度，防止數(shù)據(jù)因磁盤的故障而丟失以及有效的利用了磁盤空間。RAID通過在多個(gè)磁盤上同時(shí)存儲和讀取數(shù)據(jù)來大幅提高存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。在RAID中，可以讓很多磁盤驅(qū)動器同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，而這些磁盤驅(qū)動器在邏輯上又是一個(gè)磁盤驅(qū)動器，所以使用RAID可以達(dá)到單個(gè)磁盤驅(qū)動器幾倍、幾十倍甚至上百倍的速率。實(shí)現(xiàn)了同一臺服務(wù)器上兩塊硬盤的完全、自動備份。

支持硬盤擴(kuò)展。

六、接口方案設(shè)計(jì)

改造前該煤礦地面調(diào)度中心的主計(jì)算機(jī)已可對井下的排水系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等原有的自動化分系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)測和控制。因此對原有系統(tǒng)或準(zhǔn)備建立的第三方系統(tǒng)的集成是煤礦監(jiān)測與管理綜合信息集成系統(tǒng)的關(guān)鍵，并且由于我國對煤礦自動化設(shè)備的接口沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，系統(tǒng)集成必須根據(jù)不同的設(shè)備情況采取不同的集成策略。支持TCP/IP的監(jiān)測設(shè)備：可以直接通過IP的連接實(shí)現(xiàn)功能集成。調(diào)度室具有控制計(jì)算機(jī)的井下監(jiān)測設(shè)備：一般這類系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存放在控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)集成時(shí)可以考慮從數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的集中展示；對該類設(shè)備的集中控制則需通過該設(shè)備的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

其他設(shè)備：有些設(shè)備是非標(biāo)設(shè)備，并且沒有主控計(jì)算機(jī)，其信息的采集及設(shè)備控制只能通過改造通訊接口的方式與控制設(shè)備進(jìn)行通訊，以實(shí)現(xiàn)信息的采集和控制。

七、結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、WEB技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件工程技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，重點(diǎn)解決安全監(jiān)控信息的集成處理與發(fā)布、生產(chǎn)信息的集成與可視化、各種管理信息系統(tǒng)的規(guī)范與集成，構(gòu)建具有煤礦企業(yè)特色的綜合信息自動化管理體系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間的緊密集成，提高管理信息中有關(guān)生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

[1]陸錚，汪叢笑.工業(yè)以太網(wǎng)在全礦井綜合自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動化，2006年03期.