基于矿井综合自动化信息化系统的设计
2015-02-05中煤科工集团重庆研究院有限公司卫文慧
中煤科工集团重庆研究院有限公司 卫文慧
基于矿井综合自动化信息化系统的设计
中煤科工集团重庆研究院有限公司 卫文慧
针对煤矿矿井生产过程的特点，介绍了基于工业以太网的综合自动化信息化系统结构，将煤矿井上、井下各生产环节的生产工况信息进行有效集成、实时监控，并对监控数据进行分析，实时监控各个环节的生产状态，达到“及时管控、及时调度、及时指挥、及时决策”的目标。
综合自动化信息化系统；现场总线；工业以太网；接入方式
1 系统概述
矿井综合自动化信息化系统[1]是在安全监控、生产过程控制等各环节,利用工业以太网平台,实现信息的采集、传输、处理、存储、监视、控制、联动和信息的综合分析,达到生产过程中的无人化或少人化,以提高矿井的生产效率和安全系数。它将自动控制技术、通讯技术、信息技术和现代化管理技术结合,实现系统的优化运行、控制和管理。
根据某煤矿的地理环境、气候条件、人为、经济和系统的设计固有原则(安全性、成熟性、规范化、扩展化和可管理性原则)等因素,本文研究设计了一套符合现场生产要求的综合自动化信息化系统。系统建成后,可实现对矿井各生产部门每一个环节的自动化控制,打破传统煤矿“只监视不控制”的概念,将矿井的各监控监测系统及系统组成传感器、监控分站、通信系统、人员管理系统、工作面状态系统、交换机等各系统接入,集成到上位机的软件平台进行处理,并通过组态软件进行数据显示、超限报警提示等信息,并实现对矿井各生产设备的运程监控和控制处理。
本系统实现的基本功能:实时数据采集与存储、各生产设备的实时监控、全局概要显示、报警设备状态显示、在线组态设计、数据综合分析、能够对各子系统数据进行管理、分析与处理,各子系统以通用的接口和协议进行数据传送,定期提示影响煤矿生产的因素和时间,为监控人员提供参考依据,通过联动控制功能模块实现各个子系统之间的信息共享及联动,从而使各个独立的系统紧密的联系在一起。分析矿井生产过程中能耗与产量的关联信息,指导管理人员对生产各环节进行优化控制,节约能耗,提高产量,并建立数据库,方便查询。
2 系统总体结构设计
图1是系统总体结构图,整个系统分为硬、软件两个部分。
图1 系统总体结构图
2.1 硬件体系结构
硬件体系结构分为管理层、控制层和设备层三层结构,各层结构分别集成到统一的数据传输管理监控平台。管理层由环网构成,管理人员在软件集中平台查看各生产设备的运行状态信息,并将信息公布,方便全矿的信息化管理,管理层主要设备包括服务器、信息层、核心交换机等。
控制层在工业以太网上接入的工作站上,通过软件集中平台向设备层发送指令,并实现对各子系统设备的集中控制,或对所有设备和环境参数的监测。控制层设备主要由操作站、数据库服务器和网络交换机等设备组成。
设备层控制矿井各子系统,实时监控各子系统的状态,并保证各子系统的可靠性,设备层现场总线的接入,易于与信息层实现数据的共享,具有良好的扩展性,实现管控一体化,设备层是具体的执行者。
2.2 软件体系结构
软件体系结构包含集成平台软件、组态软件、信息交流软件和组网软件等,能够实现整个系统的运行集成控制、实时监视和信息共享,自动化软件由定制软件实现对信息集成处理,以确保对PLC类系统和非PLC类系统的全面支持。利用交换机传送的数据,将各生产设备的运行状态信息集中处理,为管理人员提供依据,并提供强大的数据库技术支持,形成环网综合分析处理决策系统,将所有设备的运行状态信息集中在上位机显示。图2为软件体系结构。
图2 软件体系结构
3 数据传输平台设计
由于各个子系统所用设备和通信技术不同,为达到全系统自动控制、信息交互,需选择一个开放的通信平台,将各个子系统的通信统一到标准的通信平台上。本方案选择工业以太网TCP/IP技术作为整个系统的通信标准[2],其他总线结构方式均通过总线端口转换为工业以太网信息包,以满足系统良好的兼容性和扩展性。
为保证工业以太网数据传输不发生网络堵塞现象和考虑冗余问题,本文选择建设1000Mbit/s以太网作为传输平台。另外,为了保证数据的实时性和可靠性[3],各个子系统内部采用现场总线方式通信,各个子系统现场设备采集的数据经现场总线传输到PLC或其控制站,然后通过以太网接口上传到工业以太网进行传输。因此,整个系统采用工业以太网+现场总线方式进行通信。
3.1 数据传输平台要求
(1)地面主干网速率:1000Mbps;
(2)井下主干网速率:1000Mbps;
(3)环网重构时间:〉50ms;
(4)支持基于WEB的网络管理系统;
(5)支持全双工,半双工运转;
(6)整个系统控制网采用工业级设备;
(7)系统支持光纤冗余环网工作模式,节点故障不影响整个系统的运行,自恢复时间短;
(8)多主井并发模式,支持组态软件,组建监控软件平台。
3.2 环网冗余方式
采用单节点环网冗余方式,允许出现一处光线断点,设计在井下和地面各组建一个环网,核心交换机采用双冗余方式。
3.3 网络拓扑结构
本设计网络拓扑结构式在指挥调度台设置交换机,交换机采用环网光纤数据通讯技术,形成一个整体结构。环网覆盖范围如下:
(1)机房核心交换机:在调度中心机房配置2台三层核心交换机;
(2)地面环网:在110KV变电站,通风机房,主、副井提升机房等7个节点,设7台1000M三层环网交换机,组成地面环网,并配置1台扩展设备;
(3)井下环网:在上仓胶带机头,各采区变电所,井下中央变电站等6个节点,设6台1000M三层环网交换机,组成井下环网,并配置1台扩展设备。
4 子系统接入设计
矿井综合自动化信息化系统的建设[4],要保证系统硬软件平台与各个子系统进行可靠、实时和高效的信息交互,就必须满足两个基本条件:(1)实现子系统设备与软件处理平台之间形成有效的数据连接,并对需要采集的数据信息、设备的状态进行定义;(2)提供有效的交流平台,方便数据的互访模式。
4.1 硬件接入方式
根据各系统的特点,考虑矿井设备位置的分布和接入技术的特点,可考虑以下四种接入方式。
(1)上位机接入方式:实现上位机与交换机进行物理上的网络连接,上位机获取信息,多采用此接入方式。
(2)PLC接入方式:支持OPC标准,使硬、软件平台之间的数据通信找到了一个实现的标准,分布式I/O连接,通过交换机实现数据的链接。
(3)嵌入式控制器接入方式:通过网口与交换机之间连接,进行数据的互访。
(4)扩展接入方式:支持RS485通讯方式、现场总线,通过转换器,扩展接口与交换机进行通讯,进行数据的传递。
4.2 软件接入方式
采用以下四种通讯方式:
(1)DDE:动态数据交换通讯形式,它使用共享的内存在应用程序之间进行数据交换,它能够及时更新数据,在两个应用程序之间自动更新信息,无须用户参与,服务器应用程序根据该信息作出应答,从而实现两个程序之间的数据交换。
(2)FTP:客户端与数据端之间使用单独的数据交换机制。
(3)OPC∶基于脚本编程语言而定义的标准接口。
(4)IE连接:通过IE浏览器与网站的服务器建立的地址链接。
5 总结
率、降低故障灾害有着重要的作用,通过各系统的联动和资源共享,实现了矿井各子系统数据的实时采集共享,对矿井设备进行远程监控和管理,达到了管控一体化的矿井生产要求。
［1］梁敬敬,丁继存,于秀磊.基于工业以太网的煤矿综合自动化系统［J］.煤矿机械,2012(03):242-244.
［2］张杰,于含.煤矿综合自动化系统的解决方案的研究［J］.煤矿机械,2012 (10):254-255.
［3］钱建生,马姗姗,孙彦景.基于物联网的煤矿综合自动化系统设计［J］.煤炭科学技术,2011,39(02):73-76.
［4］罗驱波,孙彦景,钱建生.煤矿综合自动化系统的研究与设计［J］.矿业安全与环保,2008,35(03):4-6.
实践证明,综合自动化信息化系统对提高生产效
卫文慧（1983—），男，安徽无为人，工程师，主要从事矿用安全仪器仪表、监控系统、有线/无线通信、救生舱的研究和检验工作。
