浅析数字化矿山系统

2010-08-15王芸博

太原城市职业技术学院学报 2010年10期

关键词：矿山监控工业

王芸博

（太原城市职业技术学院，山西太原 030027）

浅析数字化矿山系统

王芸博

（太原城市职业技术学院，山西太原 030027）

文章主要介绍了数字化矿山系统的内容与体系结构功能，阐述了层次架构的概念，数字化矿山体系及软体平台实现，数字化矿山子系统融合给煤矿行业带来的安全生产优越性，实施数字化矿山系统是为矿山安全生产保驾护航的意义所在。

数字化矿山；层次架构；软体平台；子系统

20世纪80年代后期，我国煤炭事业得到了大力发展与开拓。中国入世后进行了工业产业大发展，煤炭作为一个突出能源行业更是迎来了历史性的春天，出现了形形色色的矿山开采企业与开采工作。随之而来的是高风险、高事故的发生，给人们的生活、家庭带来了严重的影响，给社会也带来了严重不良后果，同时对矿山的开采更是带来了很大的难题。

我国矿山普遍存在高危隐患，如高瓦斯、高水量、高地热、松散岩层等等因素给矿山开采带来了重大课题。大家都在探讨寻求如何开好矿、如何保安全、如何增高产、如何高效率、如何提高矿山企业的竞争能力，拓宽企业的大发展路子成为了心中一愿。

时代的变迁发展，经历了几次工业革命，许多行业经历了机械化生产——自动化生产发——信息化生产——数字化生产管理，在一次次的变革中，为我们积累了经验、打下了基础。随着计算机技术、网络技术、自动化控制技术、数字空间技术的迅速发展，并在其他行业的应用，开始出现了集DCS、中央集控、调度、管理、经营于一体的综合数字化管理新模式，并将之引入矿山，给矿山安全生产发展带来了新的保障。

一、数字化矿山系统概述

数字化矿山系统，采用了高度的信息技术、数据空间技术、软件技术、网络硬件服务平台、自动化控制技术及仪器仪表的智能化技术。数字化矿山不是自动化、硬件、软件的一个简单相加，而是靠一体化纵览全局的高度的思维与实际深入的研究，设计出一套符合矿山时代意义的框架，将各个机能和谐完美地统一，将矿山安全生产调度的决策管理智能系统提升到一个新的领域。数字化矿山是从底层仪器工作设备、自动控制系统、网络通信平台、硬件服务支撑平台到软件的开发应用，从数据中心仓储到MIS、MES、ERP的有机结合。数字化矿山真正的概念是上升到做出正确的安全生产调度、安全决策分析，以及完美的控制与管理，将安全与生产并行、决策与管理同进。而综合自动化系统只是一个单一机能的建设，并非数字化矿山的全部概念。

数字化矿山系统，是对井上井下完全自动化、信息化、数字化，也达到无人值守的智能化控制管理平台，主要对矿山的风、水、电、采、掘、运、顶板、瓦斯、透水、洗选、产量监控、销售、办公信息化管理、井上井下工业自动化环网及信息化平台MES、矿山ERP等提出一套一体化解决方案，真正达到了管控一体化、智能化来为矿山安全生产发展保驾护航。

数字化矿山系统能对矿井实时情况实现无人值守而自动监测、自动报警、系统应急预警，能确保安全检查的准确、实时、快速运行，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，对煤炭开采各生产工作作出周密的调度管理，对煤炭开采各生产成本指标作出科学、全面的统计分析，对单位内部员工作出详尽、周密的人事安排管理，并提供全面系统的决策资料，成为各级领导对煤矿管理作出科学决策的最佳助手。

二、数字化矿山系统架构

数字化矿山是一个复杂的系统工程，其基本框架由工业基础自动化系统（包括工业自动化的三网络体系结构、工业总线、工业数据通信协议）、数据采集与分析处理系统、调度监控与安全预警系统、实时监控与实时安全预警系统、工业网络与办公网络及服务存储支持平台、综合管理信息系统、软件管理应用系统等多部分组成；从基础理论与模型、矿山空间信息的数字化及矿山数据仓库建设、矿山网络传输平台、矿山各子系统、各种相关业务流程、专业综合信息化平台相结合矿山MES、ERP等几方面进行总体建设。

1.数字化矿山系统总体架构

数字化矿山系统根据CIMS原理的三层架构 (即ERP／MES／PCS体系架构)理念，提出了数字化矿山体系结构思想。在这里，数字化矿山系统分为“信息层”“网络层”“控制层”和“设备层”四层体系结构。实现了井上、井下各个生产系统、各个生产环节的安全生产和设备运行状况的实时监测和集中、远程控制，对矿山的生产、运销、管理、存储进行有效的管理，提高了矿井生产自动化和管理现代化水平。实现全矿井的统一智能化管理（系统架构图文字解释）。

数字化矿山系统模型结构文字解释：

（1）信息层（其涵盖范围定位）：移动远程监控管理；多级连网业务合作监控管理；称动办公系统门户；MES；MIS；ERP；软体集成；GIS（虚拟现实）；数据仓储中心；多业务数据库；数据服务。

（2）网络层（其涵盖范围定位）：数据信息传输平台；无线通信；工业环网；企业信息网；安全监管系统。

（3）控制层（其涵盖范围定位）：工业三层模型结构；PLC；PAC；DCS；数据采集协议（P、M、I）。

（4）设备底层（其涵盖范围定位）：数据采集；智能设备；各生产系统设备；I/O模块；嵌入式接口等。

2.工业自动化三层模型

自动化控制系统采用自动化领域的三层网络结构思想，分为 Device Net、Control Net、Ether Net进行设计规划，主线是现场总线架以太网络的方式去实现各个子系统的管理与控制，信息化的发布与传播及环境参数等的连续监测和数据采集、传送、记录、图形显示、数据分析计算、控制设备动作、报表输出等功能。

（1）DeviceNet(设备层)

设备层，结合了高低压配电集成、仪器、电器设备、变频软启、智能开关等等以工业总线方式进行整合来为控制层提供服务。

随着矿山智能设备、安全设备的产生与加工配套，提供了一套可行性智能型底层智能仪器仪表设备（通过实际应用与研究开发），我们将智能化深入基层，从而提高上层更为可管控的智能化程度，从而达到传统与现代的结合，并用于我们的生产中。

（2）ControlNet（控制层）

控制层，是总线协议结构体，实现生产过程中监控、操作、管理配置，对系统编程管控，现场生产管控执行，它结合了工业自控专属协议（如：Modbus、profibus等），以PLC、PAC、嵌入式等可编程控制设备来完成对底层设备的启停与监控相结合。控制层是对各系统的监测与控制，对工艺生产流程进行准确控制，并为上位系统提供精确的HMI监控管理数据。

（3）EtherNet（信息层）

信息层，为工业生产系统提供了形象的HMI工艺监控业务流程、事件控制和告警，并以信息化的手段进行监控管理，可对各工业系统进行流程控制与生产过程操作控制，完成工业自动控制监管全过程。

数字化矿山系统中工业三层模型是完成工业生产控制与集散控制的核心所在，它完成了工业自动化的一个时代意义。工业自动化三层模型是将工业生产过程管理与信息管理、设备管理、集散控制进行了分布式整合，完美统一于工业自动生产中，使机械大生产转型为工业自动控制生产。它将工业生产过程实现检测、控制、调度、管理，以达到提高产品品质和产量、降低生产消耗、确保安全等目的。

3.矿山工业环网系统

工业以太网络技术是现代自动控制技术和信息网络技术相结合的产物，无论过程控制或离散控制，工业以太网都将是广大工业自动化用户的最佳选择。

在监控工程控制系统中，采用基于工业以太网的集成式分布控制系统具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和互操作性的特点，同时也可以做到数据、语音和视频“三网合一”。

工业环网建设采用以太网＋TCP/IP协议作为其通信与控制标准。工业环网采用光纤双环藕合结构，千兆工业环网的实施成功既避免了网络传输瓶颈，又大大节省了投资。网络结构以三层网络模型为主导（核心层、藕合层、接入层）主干以全千兆全双工模式，接入以百兆方式进行接入，藕合有一点的分中心功能进行设计。

工业环网保证了数字矿山系统运行，基于数据采集、数据传输、监管与控制相融合统一，在工业生产过程中，监控管理和谐统一，将各生产子系统完美整合到一个监管平台中来，结束了工业时代的“八国连军”混战的局面，将分散的生产系统整合，将矿山信息孤岛进行融会贯通。

4.矿山办公网络系统

作为重要的能源生产型行业，没有信息化网络将对其发展产生重大制约，对矿山安全生产管理、科学化管理、科学化策略等方面有重大影响。矿山的高度发展，应当以当代先进的科学武器为后盾，以更为科学化的生产方式、管理方法来迎接明天的辉煌，因此我们就要用最先进的利器“网络”来为我们提供服务。

信息网络建设采用TCP/IP协议作为其通信标准，以信息化园区网络结构为主导思想，将网络分级分工，易于操作与管理。信息网络模式采用光纤分布星型与扩展星型结构架设，可采用大型应用，选择多业务化多元化的分段分工，走全动态路由或全静态路由模式进行分工合作，在网络安全上也做出标准定位，保证网络安全、信息大集成、融合各部各业务范围。

有了网络，我们能信息一体化、管理一体化、生产一体化、安全生产管理一体化，最终实现了矿山所需要的“管控一体化服务”，这样上级与下级直到生产现场都是一个透明的管理过程，更有利于发展，更有利于生产效率的提高，对生产、管理、煤矿安全控制更为有效。

5.工业子系统接入

矿山工业子系统融合接入是数字化矿山实现的重要点，它将矿山各功能子系统完美统一到一个平台中管理监测与控制，由此也将工业自动化中的“DCS”进行了新意义的诠释。

矿山子系统从数量功能上、工业标准上、数据通讯协议上、地域位置上都各有不同、混乱不堪，如何走统一路线呢？这就需要我们从工业总线时代向信息TCP/IP时代靠近过渡。在子系统接入方面，我们采用如下方式进行接入：上位机接入、PLC接入、子网络接入、扩展接入、自主研发嵌入式接入、子系统软件接入方式、OPC通讯、驱动通讯、DDE/NetDDE。

子系统的接入需要编程开发、嵌入式二次开发、数采集器与通信网络和网络服务通信接口、数据通讯接口等来整合到统一管理平台中来。

接入后系统保证功能与性能完整，接入管理平台是以嵌入式开发，系统完全符合各矿山应用监控系统工艺流程与监控监测，并集成原有系统的主要功能，提供集散控制方式、远程控制方式。

通过子系统的融合，我们初步让矿山实现了一个中高度的统一合作，生产、分工管理、监视、监控统一到一个平台中来，同时也为我们的上层建筑提供了服务基础。

6.系统联动集成

数字化矿山系统的高度与标准就是一体化的监控管理与服务、系统的联动集成完美统一。让管理者、决策者足不出户或是让远程监管者只需动动鼠标便能了解矿山的整体情况与各生产系统的详情、矿山各业务部门的工作情况等等，让管理者更为出色，让决策者更为精明，对矿山的安全生产运行、动态分配监管了如指掌。

数字化矿山系统联动集成涵盖了以下方面：

（1）软件方面

软体是矿山管理最为形象与直观的管理手段，一切都在标准中进行。各个业务系统的不同更有相应的软件作为支撑，如何让这些业务进行融合，矿山软体如何监测控制数据分析处理、仓储、生产监控、运销供存、财务管理、辅佐决策生产，让各类软件系统统一到一个软件平台上来，这都是我们要达到的目标，也是我们所说的多级模型联动管控。

系统需要融合一个作业多链来完成，简述为“PCS向MES提升，MES向MIS提升，MIS向ERP融合”。打造出一套符合安全生产、符合调度管理、符合决策辅佐，并分级分模块化，数据仓储中心，分级管理级别与权限化实施。

虚拟现实监控监测，数字三维真实地模拟出矿山的现实场景，数字化三维矿井集成了先进的信息技术、矿山控制技术、三维虚拟现实技术等，在此基础上也高度地集成了矿井安全监控信息、人员定位信息、设备管理信息、井下智能交通信息、矿井储量与煤层分布信息、产量监控信息、灾害预警信息、矿井综合自动化等系统信息，描述了矿山中每一点的全部信息，并将所有信息通过三维框架直观地展示，赋予了煤炭工业崭新的内容。

（2）硬件平台方面

将各业务系统尽可能统一通讯监控管理接口，统一传输方式与传输介质，硬件方面实现最大的兼容性、和谐性，将纷繁复杂的进行简单快捷化。

（3）业务系统方面

业务系统以最优化方式进行融合，技改所有的发布方式，采用B/S方式，采用多业务、多元化、多接口化进行系统部署。

（4）功能监控方面

系统功能联动实现，将矿山的“一通三防”井上下的风水电采掘运、安全监控系统、地面生产辅佐系统、调度监管系统、决策管理系统上下统一，牵一发而动全身。如矿山中的瓦斯过高——风机风量加大启动——人员安全疏散启动——应急预案系统启动——调度指挥启动——决策管理启，从而来保证矿山系统生产安全，同时也体现数字化矿山的优势所在。

7.Portal门户移动办公远程管控

随着电子商务的发展，越来越多的企业正在考虑或建设不同程度的企业信息门户平台来进一步提升企业的核心竞争力。矿山发展的竞争力也在于对外形象的展示，让外界了解认识，从而提高矿山知名度，提高经济效益。

门户从功能特性上讲，对内则是管理和查询日常业务的公用平台，同时也可远程OA办公、监控管理；对外则是网站及时向客户和合作伙伴提供产品、服务的信息平台。将行业渗透、信息互动、及时交流融为一体，从而为矿山发展提供动力。