基于多種接口互聯(lián)技術(shù)的煤礦遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

王聰慧 趙瑞林 白蕾

摘 要：目前我國大多數(shù)煤礦企業(yè)仍然是設(shè)備類型多樣，多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制共存的情況，難以實(shí)現(xiàn)集中及遠(yuǎn)程監(jiān)管，系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)管理仍是傳統(tǒng)人工操作，發(fā)現(xiàn)問題、診斷分析、及故障處理效率比較低?；赪INCC軟件，綜合運(yùn)用以太網(wǎng)技術(shù)和OPC等多種接口互聯(lián)技術(shù)對(duì)某煤礦企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改造，將多種不同系統(tǒng)集中在以太網(wǎng)平臺(tái)上，通過Web Navigator提供的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷與智能運(yùn)維，通過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)刷新率及故障處理速度明顯提高。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程運(yùn)維;接口互聯(lián)技術(shù);Web Navigator

Abstract：At present， most coal mining enterprises are still in a variety of equipment types， and multiple network protocols control coexistence. It is difficult to achieve centralized and remote supervision. The operation and maintenance management of the system is still a traditional manual operation. Problem discovery， diagnostic analysis， and troubleshooting efficiency It is relatively low. Based on WINCC software， this article comprehensively uses a variety of interface interconnection technologies such as Ethernet technology and OPC to transform the production system of a coal mine enterprise， concentrates a variety of different systems on the Ethernet platform， and provides network publishing functions through the Web Navigator ， Realized remote monitoring and diagnosis and intelligent operation and maintenance of the enterprise. Through actual operation， the system was found to be stable and reliable， and the real-time performance， network refresh rate and fault processing speed were significantly improved.

Key words：remote operation and maintenance; interface interconnection technology; Web Navigator

安全生產(chǎn)一直是煤礦行業(yè)的頭等大事，影響著結(jié)構(gòu)調(diào)整和運(yùn)行機(jī)制[1]，煤礦行業(yè)中傳統(tǒng)的運(yùn)維方式在監(jiān)控、問題發(fā)現(xiàn)、報(bào)警以及故障處理等各個(gè)環(huán)節(jié)均存在明顯不足，故障處理速度和工作效率低，導(dǎo)致現(xiàn)場運(yùn)維管理和技術(shù)服務(wù)跟不上[2]。隨著自動(dòng)化、信息化與智能化的深入融合，目前大多數(shù)企業(yè)面臨著傳統(tǒng)運(yùn)維方式的改變，期望通過云端、移動(dòng)端、遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息融合和集中調(diào)度[3]。本文以某煤礦企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)改造為背景，基于WINCC軟件，綜合運(yùn)用以太網(wǎng)技術(shù)和多種接口互聯(lián)技術(shù)對(duì)某煤礦企業(yè)進(jìn)行改造，將企業(yè)多種不同系統(tǒng)集中在以太網(wǎng)平臺(tái)上，通過Web Navigator提供的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷與智能運(yùn)維，通過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)刷新率及故障處理速度明顯提高。

1 煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)改造現(xiàn)狀

改造設(shè)計(jì)的煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括中央35 kV變電所子網(wǎng)系統(tǒng)、絞車系統(tǒng)、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、地磅系統(tǒng)、井下變電所和水泵系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、主通風(fēng)系統(tǒng)等[4]。改造設(shè)計(jì)之前每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立控制，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)類型：

（1）35 kV變電站系統(tǒng)采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition System）來完成數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制。

（2）絞車現(xiàn)場系統(tǒng)采用日本三菱公司FX2N-32MR系列PLC構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)核心，并擴(kuò)展若干模擬量及數(shù)字量I/O模塊，組成現(xiàn)場信息采集控制系統(tǒng)。地面生產(chǎn)集中監(jiān)控系統(tǒng)采用GE Fanuc的90-30系列PLC，并拓展一個(gè)以太網(wǎng)NIU單元完成現(xiàn)場信息的采集，采用iFix4.0組態(tài)軟件完成現(xiàn)場信息的監(jiān)控。礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用OMRON CP1H系列PLC進(jìn)行綜合管理。

（3）煤礦井下供電綜保系統(tǒng)是煤礦電力系統(tǒng)的主要組成[5]，采用西門子S7-300系列PLC，以315-2DP系列CPU作為控制系統(tǒng)的核心，并附加模擬量及數(shù)字量I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。另外，采用CSU通信處理機(jī)采集現(xiàn)場的綜保系統(tǒng)信息，并與西門子PLC進(jìn)行通信，將綜保系統(tǒng)的信息保存在CPU的數(shù)據(jù)塊內(nèi)。

（4）地磅系統(tǒng)采用磅房稱重管理系統(tǒng)計(jì)量售煤噸數(shù)，磅房稱重管理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)計(jì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)自形成網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)電腦采用RS232串行接口與磅秤系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并實(shí)時(shí)的將售煤噸數(shù)存儲(chǔ)到MS SQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，便于進(jìn)行查詢及生成歷史報(bào)表。礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采用專用產(chǎn)品及軟件，所有監(jiān)控信息集中貯存在計(jì)算機(jī)中的終端軟件中，對(duì)井下的瓦斯信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

由實(shí)際系統(tǒng)現(xiàn)狀可以看出，這是一個(gè)多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維存在以下問題：

（1）礦井生產(chǎn)設(shè)備多種多樣，系統(tǒng)復(fù)雜，有不同類型的DCS、FCS、PLC和其他現(xiàn)場控制設(shè)備。

（2）品牌差異造成了協(xié)議的不同，各品牌大多都遵循自己的通訊協(xié)議自成系統(tǒng)，數(shù)據(jù)共享困難。

（3）控制設(shè)備數(shù)量多、監(jiān)測點(diǎn)多，造成集中遠(yuǎn)程監(jiān)控的點(diǎn)數(shù)多，影響數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。

（4）監(jiān)控范圍廣，各種設(shè)備分散在煤礦生產(chǎn)企業(yè)的各個(gè)區(qū)域，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸有難度。

針對(duì)以上問題，綜合運(yùn)用以太網(wǎng)技術(shù)和多種接口互聯(lián)技術(shù)對(duì)某煤礦企業(yè)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 遠(yuǎn)程運(yùn)維上位機(jī)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)、故障報(bào)警、設(shè)備參數(shù)、維修歷史、人員信息等多種參數(shù)統(tǒng)一有機(jī)結(jié)合[6]。本文設(shè)計(jì)中，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)上位機(jī)管理平臺(tái)主要由管理信息網(wǎng)、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和中央調(diào)度平臺(tái)構(gòu)成。

（1）管理信息網(wǎng)平臺(tái)采用100 M快速以太網(wǎng)，采用星型拓?fù)洌诰W(wǎng)絡(luò)的對(duì)外出口設(shè)置防火墻，通過實(shí)施網(wǎng)絡(luò)管理策略保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)的安全，在防火墻的DMZ區(qū)設(shè)置Web服務(wù)器作為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的平臺(tái)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息中心設(shè)置2臺(tái)服務(wù)器，按其功能分別為WinCC（Windows Control Center）數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)器1臺(tái)、Web服務(wù)器1臺(tái)。自動(dòng)化平臺(tái)主要由100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)傳輸。設(shè)置1臺(tái)工控機(jī)作為各子系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)，各子系統(tǒng)信息可以在DLP（Digital Light Processing）大屏幕上顯示，也可以在各控制機(jī)屏幕上顯示。

（2）自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)由8臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成，分別在各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置一臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的連接。利用光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性、冗余性及穩(wěn)定性。這些以太網(wǎng)交換機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用和快速冗余（<20 ms），便于實(shí)現(xiàn)后續(xù)網(wǎng)絡(luò)的連接和擴(kuò)展。在以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)還可以通過不同的報(bào)警機(jī)制向相關(guān)人員提出報(bào)警（繼電器輸出和Email輸出）。另外，利用Web配置還可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)交換機(jī)進(jìn)行配置。

（3）在中央調(diào)度室的Web服務(wù)器中，安裝Siemens公司的Web Navigator軟件，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，互聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)就可以登陸到Web服務(wù)器的站點(diǎn)，打開Web服務(wù)器發(fā)送的畫面，通過畫面中顯示的數(shù)據(jù)信息，查閱生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行報(bào)告。

2.2 聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）35 kV變電站設(shè)計(jì)：為了保證監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并且為了能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，本文對(duì)35 kV變電站設(shè)計(jì)如圖2所示。

（2）絞車、地面生產(chǎn)、主通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：現(xiàn)場這三個(gè)系統(tǒng)使用不同品牌PLC（三菱、GE、OMRON）實(shí)現(xiàn)各自控制，它們都支持OPC方式[7]，PLC系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)經(jīng)過不同形式的軟件驅(qū)動(dòng)方式采集之后，可作為OPC服務(wù)器向上層監(jiān)控層提供數(shù)據(jù)[8]。因此設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，為了使絞車系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口連接到中央監(jiān)控主機(jī)，在中央監(jiān)控室數(shù)據(jù)服務(wù)器上安裝三菱OPC Server軟件，確定了各數(shù)據(jù)的地址，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享及整合。而地面生產(chǎn)系統(tǒng)和主通風(fēng)系統(tǒng)分別使用KEPServerEX OPC Server軟件和SYSMAC OPC Server軟件，其它設(shè)計(jì)思路一致。

（3）井下供電綜保系統(tǒng)設(shè)計(jì)：現(xiàn)場控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列315-2DP系列CPU作為控制系統(tǒng)的核心，中央調(diào)度室采用西門子WinCC軟件系統(tǒng)，西門子上位機(jī)軟件本身對(duì)西門子PLC具有很強(qiáng)的通信能力，只需要直接在原系統(tǒng)上配置以太網(wǎng)模塊，將DP總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP的協(xié)議形，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

（4）地磅、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)：地磅和瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場都使用專用產(chǎn)品和數(shù)據(jù)庫，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，它們都可以選擇ODBC數(shù)據(jù)傳輸方式將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到控制中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，然后通過WinCC組態(tài)軟件顯示在售煤畫面和瓦斯監(jiān)控畫面，并在調(diào)度報(bào)表統(tǒng)計(jì)打印每日的銷售煤總噸數(shù)和瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)采用WinCC軟件作為客戶端采集各數(shù)據(jù)接口提供的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、監(jiān)控及運(yùn)維功能。井下綜保系統(tǒng)程序流程如圖5（a） 所示，中央35 kV變電站系統(tǒng)、地磅系統(tǒng)及瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信過程采用ODBC方式，如圖5（b）所示。地面生產(chǎn)、絞車系統(tǒng)及主通風(fēng)系統(tǒng)采用OPC方式，實(shí)現(xiàn)過程如圖5（c）所示。此種方式需要將各自的OPC Server軟件安裝到數(shù)據(jù)服務(wù)器上，將WinCC作為Client完成遠(yuǎn)程通信[9]。將所有PLC的OPC Server軟件安裝到同一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器上可以有效的避免多臺(tái)Client讀取Server數(shù)據(jù)，而造成的PLC系統(tǒng)死機(jī)問題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多數(shù)據(jù)的集中管理[10]。

4 系統(tǒng)的現(xiàn)場運(yùn)行效果及分析

設(shè)計(jì)改造的煤礦生產(chǎn)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，管理平臺(tái)上運(yùn)行畫面如圖6所示，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問時(shí)，只需要在瀏覽器輸入Web服務(wù)器的IP地址，就可以登陸到Web服務(wù)器的站點(diǎn)，打開管理平臺(tái)畫面和各種數(shù)據(jù)。Web Navigator網(wǎng)絡(luò)發(fā)布圖如圖7所示。

5 結(jié) 論

從現(xiàn)場運(yùn)行效果看，基于WINCC軟件，綜合運(yùn)用以太網(wǎng)技術(shù)和多種接口互聯(lián)技術(shù)對(duì)某煤礦企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改造，不僅實(shí)現(xiàn)了企業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷與智能運(yùn)維，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)刷新率及故障處理速度明顯提高，而且通過Web Navigator提供的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問調(diào)度功能。此外本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)全開放式系統(tǒng)，具有很強(qiáng)移植性和技術(shù)升級(jí)空間，降低了企業(yè)的改造成本，可以很容易地應(yīng)用到電力等其他領(lǐng)域。

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