矿井自动化技术的应用与开发

文/王文生

矿井自动化技术的应用与开发

文/王文生

作为开滦集团本埠最年轻的矿井，东欢坨矿业分公司是百年开滦持续发展、永葆生机的新一代增长极。2009年，欢矿公司被开滦集团列入综合自动化示范型矿井，通过深入推进应用自动化、信息化技术，矿井年生产能力实现了由6年前的245万吨到现在450万吨的飞跃。

一、实施矿井综合自动化建设的现状及意义

欢矿公司1987年开始建井，矿井初步设计规模为400万吨/a，1995年经历了国家对基本建设“拨改贷”投资体制重大变革，在非常规状况下开始了“以煤养矿、滚动发展、边基建边生产”的超常规建设历程。但欢矿公司原始基础较高，比如：风井配备ZKZ-Dno.24轴流变频主扇风机，主井投入瑞典ABB公司四绳摩擦式交交变频调速提升机，高端综采面装备支架最大支撑高度达到4.5米，机组装机功率达到1515千瓦，开拓引入EBH-300硬岩掘进机等等。2010年以来，公司突出内涵发展，不断加大资金投入，全面加快综合自动化技术的应用与开发，在“两化”融合上进行探索与实践，实现了信息汇总和远程监控，形成了整个矿井生产和安全运行的自动化控制模型。

在欢矿公司不断发展的同时也存在诸多需要完善的地方，比如：信息化与自动化应用之间的融合程度有待加强；信息化、自动化建设对安全、生产、经营的贡献率有待提高；信息应用系统多以执行层面为主的自动化形态，信息孤岛在不同的业务范围内形成数据壁垒，系统分割形成业务流程中断，管理策略相对缺乏；不能有效对生产和安全过程的问题进行实时指导和决策等。近年来，随着企业的快速升级，后续配套设备跟进严重滞后，设备新度系数持续下降。企业面对煤炭经济形势的新常态，迫切需要通过自动化建设驱动减人提效，实现企业由做大到做强的提升。

二、深化综合自动化建设的规划愿景

1.建设目标

总体目标：根据《信息化与自动化融合技术标准》，充分利用现代计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术和煤矿生产工艺技术，坚持因地制宜、立足实际、效益为先，打造具有欢矿公司自身特色的“两化”融合发展路径。

具体目标：（1）采用最新成套的电脑软件，通过数字化、模型化与可视化的软件系统，建立全产业链计算机管理体系。（2）建立以光纤为主干，其他有线、无线方式为辅助的多媒体通讯网络，实现矿山的分布数据实时共享。（3）采用最新的网络传感器技术，自动采集、智能分析与可视化处理矿山生产过程、设备、安全与开采环境监控等数据。（4）对矿井大型设备的PLC控制、视频监控系统采用工业以太网连接，实现智能化集中监控。（5）实现矿井全范围人员与移动设备的定位、轨迹记录；实现生产过程智能化调度与控制。

2.建设内容

（1）网络传输平台。网络传输平台采用千兆光纤环网，环网覆盖整个工业广场及井下关键巷道节点，连接井上井下各控制系统、工业电视系统，所有数据都能够高速传输到矿调度集控中心。（2）调度监控平台。建立多媒体的调度监控平台，系统的语音、视频、控制数据统一传输到后台数据仓库，通过调度集成监控平台可以对全矿井的各种信息进行统一的管理。（3）系统接入平台。由于煤炭开采的复杂性，现有的各个子系统厂家繁多，软硬件结构各异，需要开发适应各个厂商的接口软硬件协议，从而实现全系统数据完整采集存储，同时制定出符合国际标准的接口协议要求，使待建系统建成后直接接入系统平台。（4）集成显示系统。指挥中心大屏显示系统采用高性能多路图像服务器，能将整个生产系统中的监控画面及地面井下工业电视频数据灵活展现，切换方便灵活，显示设备采用无缝液晶拼接技术。（5）数字工业电视系统。采用高清数字化IP摄像机对工业广场及井下关键部位进行24小时监控，及时发现问题和隐患，做出正确的调度指挥决策信息核实提供依据。

3.建设要求

（1）在网络传输和数据存储上充分考虑硬件和软件冗余，确保系统运行安全。（2）当环网上某子系统的通讯故障时，不影响整个网络传输可靠性。（3）下井电气设备应有“MA”认证。网络硬件设备符合国家和行业标准。（4）所有设备具备优良的防雷和抗电磁等干扰能力；井下环境复杂，所采用的设备须防爆、防尘、抗高温潮湿。（5）优化数据采集方案，保证数据服务器准确的采集到子系统的工况及环境参数，实现监测与控制。（6）系统稳定可靠，人机界面友好，操作简单，维护方便。（7）设备选型高起点，综合安全可靠性及兼容性，做到系统易扩展、升级，易与其他系统子网互联。（8）具备完善的全平台故障报警功能，并形成历史记录，供统计分析。（9）系统实现多媒体信息集成（自动控制系统、管理信息、视频系统）。（10）综合数据平台具有全局历史数据库，能实时存储分析各种数据，为统计分析提供依据。（11）各子系统间实现数据共享，能够实现跨系统的联控和数据传输功能。（12）建立完备的软硬件安全措施，包括网络安全、数据备份、冗余电源等。（13）高速工业环网性能指标：一是骨干网采用1Gbit高速光纤环网；二是环网故障自动冗余，恢复时间＜50ms。

三、矿井综合自动化的支撑平台

1.网络传输平台

建立矿山综合自动化网络系统，主干网络采用光纤传输（传输速率1Gbit），光纤骨干网络把矿井的各子系统连接到此网络平台上。控制中心与矿调度室集成，对工业广场及井下生产各控制子系统发布控制命令，各子系统内设备的运行状态能在调度室显示，收集所需的各种生产数据，通过信息发布服务器联接集团公司信息管理网，实现与集团公司之间的生产与管理信息交换。

2.监控平台

在此平台上通过人机界面（HMI）实时监测子系统设备工况，对各子系统进行起停控制。通过存储的历史数据，对各子系统的设备状况进行分析、查询、统计。建立统一的全系统人机界面，通过后台数据服务器监控每个子系统，详细了解其运行工况，实现各系统协作、关联操作。该系统预留国际标准通信接口及数据交换接口，便于后续子系统的纳入、新系统的集成，便于系统的升级。

3.子系统接入

接入的在建子系统包括：地面变电系统、瓦斯抽放系统、制氮装置控制系统、皮带系统、电子秤系统、瓦斯监测系统、人员跟踪定位及考勤系统、束管监测系统、风机监测系统、瓦斯脱水系统等，并考虑在建和待建子系统的预留接口。

4.调度大屏系统平台

大屏显示系统目前主要有等离子拼接、DLP拼接和液晶拼接三种方式。窄边液晶拼接显示系统由于采用先进的技术以及良好的显示效果，已成为目前高端显示系统的主流。液晶拼接大屏能同时显示多种信息，显示效果好，寿命长。由于采用高性能图形服务器系统驱动液晶显示器，可将各路工作站、计算机、视频监控、水文地质等信息灵活地显示在大屏上，大屏幕既可整体显示一幅图像，也可分别显示多幅图像，既可作为日常数据显示，也可灵活应对各种突发状况时的显示内容速切换。

5.数字工业电视系统平台

系统主要由地面部分、井下部分、监控中心集成三部分组成。地面安装网络摄像仪，井下安装隔爆网络摄像仪，用户在客户机上可以通过视频服务器观看数字视频信号。同时，可选择利用视频解码器的转码流功能，将网络中的高清晰图像转换为一般质量的图像，以方便某些特定场合（如：节点网络带宽不足、存储空间不足等）。

四、综合自动化技术应用及开发成果

欢矿公司搭建了以井下独立环网，地面环网，核心服务器和综合调度指挥系统为工作模块的自动化网络平台。采用西门子千兆高速网络设备，地面、井下双光纤环网，所有设备数字化IP接入；视频监控、无线通信、人员定位、工业控制等实现多网合一，并网运行。网络视频系统、排水系统、运输系统、通风系统、供电系统、压风系统工业网络等，经过建立覆盖矿区井上下的工业光纤环网均接入自动化平台，具备远程控制能力。矿井自动化实现了生产系统控制的集中化、重要部位的可视化、井下人员的定位化、运输调度的智能化、大型运转设备的调速化、事故的自动预警预报。

欢矿公司自主科研成果也十分显著。2010年底建成了总制热量为29362kw，当时全国煤炭行业规模最大的水源热泵项目，其集控装置通过PLC接口成功接入综合调度指挥中心。2014年自主研发了采煤机远程故障预警监控系统，率先在2383综采工作面投入应用，在井下创新工作室内模拟监控台上实现信号的采集和处理，效果良好。2015年建成了能源管控中心，实现了对公司生产生活用电进行全方位自动监测和数据分析，合理调整、分配排水等用电峰谷比，达到节能目的。

通过实施综合自动化建设，欢矿公司减人提效效果显著，2015年原煤产量较2009年增幅77.6%，人员纯减近500人，人均年效率由400余吨/人·年激增到900余吨/人·年，增幅超200%，走出了一条具有欢矿特色的、以内涵管理驱动“两化”融合的综合自动化创新发展之路。

（作者单位：开滦集团东欢坨矿业公司）

（责任编辑：刘宏伟）