矿井综合自动化的研究

中煤科工集团重庆研究院有限公司 卫文慧

矿井综合自动化的研究

中煤科工集团重庆研究院有限公司 卫文慧

针对国内煤矿矿井生产和管理过程的现有特点，阐述矿井综合自动化系统的结构,详细介绍各子系统接入综合自动化系统的实现方法，在地面调度监控中心对各子系统上传的数据进行分析，达到管控和统一调度。

综合自动化；管控；环网冗余；统一调度

1 系统概述

矿井综合自动化系统是集矿井监测、报警、生产操作一体化的系统。系统由应用层、网络层、现场设备层三层结构构成。应用层采用统一的数据平台和登录界面,用户可以进行各子系统间的互访,网络层主干网络采用千兆工业以太环网,保证网络通讯的高带宽和可靠性,能接入工业控制、视频、音频、通讯等各种系统,现场采用百兆工业以太环网和多种现场工业总线,确保用户可兼容接入各种监控系统和设备,现场设备层由各种监控分站、无线通讯设备、装置和各类传感器等组成。

系统［1］建成后,实现对系统的实时运行状态显示、矿井生产设备状态的实时显示、电参数信息的实时显示、开关量和模拟量的实时显示、控制模式的信息显示、系统故障的报警显示查询和各生产设备的报警信息显示,将地面信息管理系统、各生产环节自动控制子系统、矿井环境监控子系统及通信指挥调度子系统通过工业以太网和平台软件整合、实现全矿井的管控一体化。利用信息平台建立指挥决策系统,以提高矿井防灾救灾的响应速度,降低人员的伤害及财产损失。

本系统设计的基本功能：在任何一台工作站上实现对井上、井下任何一台设备的控制,协调各子系统的运行,当子系统出现问题时,不影响整个网络的传输,具有数据查询统计、报表打印、历史曲线显示、故障报警、数据系统分级管理、报警实时记录、完整的事件记录等功能,实现各子系统间联控功能,具有强大的图形组态功能、可组屏分屏显示各子系统的实时动态图形。

2 软件平台

软件平台由地面调度监控中心、监控分站、通信设备、传感器等组成,矿井工业控制环网将接入的各子系统信息通过标准的数据交换方式与调度监控中心进行数据存取,并将各子系统的信息进行综合处理。以全矿井上、下工业以太环网为信息传输网络,本系统不仅仅是对所接入系统的信息综合,把数据分类、共享,建立有效的管理系统,为领导决策提供依据,系统负责将实时、历史数据信息进行分析综合,然后对各系统进行规律总结,并将信息在有效时间内提供给系统中的相关用户,为用户进行设备检修和采取必要措施提供决策依据,要求网络功能完全满足需求,具有良好的可靠性、兼容性。软件体系建立在组态软件的基础上,实现了对各矿子系统的统一数据管理,实现控制的权限管理、数据的分析与故障与报警显示。软件体系是集数据通信、处理、采集、协调、图表显示等为一体,能在各种情况下准确、可靠地做出反应,及时处理,协调各子系统工作,达到实时监测监控的目的。具有“集中管理,分类控制,全面监控”的特点。

3 数据传输平台

因各子系统所用设备和通信技术不同,为达到系统的自动有效控制,将各个子系统的通信统一到标准的通信平台上,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,矿井综合自动化系统［2］采用现场总线和工业以太网方式进行通信。

对井下现场总线有如下要求：

(1)网络结构：井下网络以二级较为合适,即一级高速主干网下接一级低速现场总线,主干网采用光纤作为媒体,能同时传输多媒体信息,网络拓扑以总线型为宜;

(2)传输距离：根据矿井巷道要求,主干网传输距离大于10km,设备级传输距离达(1-2)km;

(3)响应时间：对于安全监控,响应时间在1秒以下,对于生产监控应在数十毫秒数量级;

(4)本安特性和供电,抗干扰能力和对恶劣环境的适应能力,硬软件支持。

3.1 数据传输平台要求

(1)使用环境条件：温度：0℃～40℃,湿度：不大于95%(+25℃);

(2)地面主干网速率：1000Mbps; (3)传输介质：单模光纤;

(4)支持全双工/半双工运转环;

(5)支持WEB的网络管理系统,支持SNMP协议;

(6)支持单冗余链路,网络重构时间：＞50ms;

(7)整个系统控制网采用工业级设备;

(8)专用的网关软件对交换机进行管理和控制;

(9)交换机配置不少于6个千兆光接口。

3.2 环网冗余方式

采用光纤环网冗余方式,设计在井下和地面各组建一个环网,兼顾到传输信道、管控服务器、调度主机、供电电源的冗余,核心交换机采用双冗余方式。在整个网络中,当其中一段工作中的光纤线路被破坏或网络设备发生故障时,整个网络能够快速自愈,恢复正常的通信。

3.3 网络安全

(1)VLAN划分：利用交换机的三层交换功能,采用基于端口的VLAN划分,把办公网络和自动化监控网络通过合理VLAN划分进行逻辑隔离,并给予它们各自不同的授权权限;

(2)区域防护-入侵防御系统,网络防病毒;

(3)边界防护-防火墙：在外网Internet入口处部署一台千兆防火墙,分别连接Internet及核心交换机,在防火墙的DMZ区部署Web、Mail、DB等服务器;

(4)采用UPS不间断电源来保证网络节点设备的供电安全性;

(5)边界防护-互联网安全审计：按照旁路监听方式在互联网出口处部署1套用于对上网用户进行系统管理和审计的互联网安全审计系统;

(6)构建内外网之间的安全地带,即DMZ区,来放置一些公共服务器。

3.4 网络拓扑结构

在地面调度监控中心布置两台支持三层动态路由功能的核心交换机。整个环网平台通过核心交换机的环间耦合技术、双链路冗余连接互为备份的整体。图1为系统网络拓扑结构图。

图1 系统网络拓扑结构

4 子系统集成设计

各子系统进入工业以太环网+现场总线并集成到综合监控系统信息传输平台［3］,其集成接入的方式将根据各子系统的具体情况,通常采取以下三种方式在物理上进行连接,并且需要原厂家提供以太网接口和软件通讯协议：

(1)对于在地面己具有上位机的子系统,采用以太网通讯模式就近直接接入环网平台;

(2)对于通讯为RS485、RS232、CAN等总线协议的子系统,采用增加网关转换器就近接入环网平台;

(3)己具有以太网通讯模式的子系统设备,以其上位机就近直接接入环网平台。

在各子系统与综合自动化的千兆以太网进行物理上硬件网络联接以后,下一步通过软件进行数据通讯将各子系统接入综合自动化系统,其接入方式如表1。

表1 系统各子系统接入方式

5 总结

实践证明,矿井综合自动化系统可以全面实现矿井各生产过程自动化,并在地面调度监控中心对各环节进行监测监控,达到提高效率的目的,实现矿井安全、生产自动化系统的集成,实现生产、管理数据共享,实现煤炭企业“管控一体化”,并为煤矿井下设备的维护保养提供技术手段,能够及时的发现故障、排除故障。

[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):243-244．

[2]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．

[3]黄岭松．矿井综合信息自动化系统原理及应用[J]．煤矿机械,2004(10):117-119．

卫文慧（1983—），男，安徽无为人，大学本科，工程师，2005年毕业于安徽理工大学，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。