基于井下100M防爆工业以太网的综合自动化平台的研究

蒋伟+覃光志+张宁+朱云霞+袁兴+闻平

摘 要：我国煤矿经过多年的发展，研发了很多套自动控制系统，但是各自动控制系统通常相互独立，形成了所谓的“信息孤岛”，为了进一步提高生产效率，实现统一管理和信息共享，迫切要求建立一个综合自动化平台来实现各系统间的通信。该文研究设计了综合自动化平台的硬件接入方案和软件接入方案。硬件接入设计中采用了双机热备服务器冗余技术以提高系统的可靠性，软件接入设计中采用了目前主流的OPC技术以提高系统的实时性和实现软件即插即用的目的。网络仿真结果和系统实际运行结果表明，该系统在实时性、可靠性、稳定性等方面令人满意。

关键词：综合自动化平台 双机热备 OPC

中图分类号：TD634 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0001-03

Abstract：After years of development， Chinas coal mines had developed a lot of automatic control systems. However， the automatic control systems were generally independent of each other. There were many isolated islands of information. To further improve production efficiency and achieve unified management and information sharing， coal mines had the urgent need to establish an integrated automation platform to the achievement of the inter-system communication. This paper studied access hardware design and software design. In access hardware design， this paper adopted the dual redundant hot backup server technology to improve system stability. In access software design， this paper adopted the OPC technology to enhance real-time and achieve the purpose of the plug-and-play software. Network simulation results and the actual operating system results showed that the system worked well in real time， reliability，stability and so on.

Key Words：The integrated automation platform； Two hot； OPC

随着煤炭产量的逐年增加，煤矿安全生产、职工工作条件以及管理水平越来越受到人们的关注。为此，美国、澳大利亚等国提出采用信息化改造煤炭产业。早在20世纪80年代，他们就在运输、供电、提升等多个系统中，采用计算机技术实现工况监测与自动控制，对井下环境安全的各种信息进行实时监测。而所有的信息都通过网络实时传送到地面调度中心，实现了信息化生产；为减少设备及其零配件的库存量，进一步降低吨煤生产成本，他们注重供应链的管理，大力推进以计算机、网络和数据库为基础的电子供应链；目前先进采煤国正向管控一体化和产供销一条龙发展，从而实现煤炭企业的信息化。

该文利用先进的计算机技术、网络技术建立一个综合自动化平台，着力解决目前我国煤矿普遍存在的“信息孤岛”问题。该课题涉及煤炭生产过程的多个环节，以这些环节的过程控制信息作为数据源，建立实时数据库和历史数据库。实时数据库用于获取实时信息，历史数据库用于了解过去一段时间的信息。这些数据将为煤炭的经营、管理和决策提供依据，进而形成煤炭企业的专家分析系统和决策支持系统。对于改善我国煤矿职工工作条件，提高我国煤矿生产、管理水平有很重要的意义。

1 综合自动化平台的硬件接入设计

综合自动化平台的硬件接入设计主要包括以下几个方面：（1）硬件防火墙的区域设置设计；（2）双机热备服务器冗余设计；（3）控制内网硬件接入设计。

1.1 硬件防火墙的区域设置设计

实现综合自动化平台的一个关键问题是网络的安全性。必须要确保控制网络不受Internet病毒的侵害，同时外部网络要能够浏览企业局域网的部分数据，例如电子邮件服务，http服务，数据库服务等。为此，笔者使用了硬件防火墙来保护内部网络及限制和过滤外部访问请求。

防火墙是目前一种最重要的网络防护设备。它是隔离在本地网络与外界网络之间的一道防御系统。典型的防火墙具有以下3个方面的基本特性。

（1）内部网络和外部网络之间的所有网络数据流都必须经过防火墙。

（2）只有符合安全策略的数据流才能通过防火墙。

（3）防火墙自身应具有非常强的抗攻击免疫力。

笔者选择的是Cisco PIX 515E防火墙，它可以提供业界领先的状态防火墙和IP安全虚拟专用网服务。Cisco PIX 515E专为中小企业和企业远程办公机构而设计，具有很强的处理能力。图1是硬件防火墙区域设置图。

1.2 双机热备服务器冗余设计

该系统采用的是双机热备份模式，使用心跳线不停地检测主、备用服务器的工作状态。正常情况下主服务器提供數据库服务，另一台服务器作为备份。当心跳线检测到主服务器发生故障时，可以在5 s内自动切换到备用服务器，由备用服务器提供数据库服务。当主服务器故障恢复后，必须进行手动切换才能再次由主服务器提供服务。

主、备服务器使用共同的存储介质：磁盘阵列。磁盘阵列在任何时刻仅属于其中一台服务器，可以通过设置服务是否挂起来决定磁盘阵列属于哪一台服务器。图2是系统双机热备服务器冗余图。

1.3 控制内网硬件设备接入设计

网络机房、东风井控制室、上组煤中央变电所、下组煤中央变电所、上组煤四采变电所、海域上部变电所、海域中央变电所首尾相连，形成单环工业以太网。图3是系统控制网络连接图。

2 综合自动化平臺软件接入设计

该系统选择的是iFIX组态软件，利用它优秀的图形功能绘制较为精美的画面，有利于操作员在从事枯燥工作时能提高兴趣；利用它的实时数据库和历史数据库可以统一管理数据点，多样的数据块类型减少了编程的难度和时间；利用它的网络功能来自动寻找网络结点，进行远程组态；利用它的通信功能来支持矿井的各种设备如PLC，数据采集板，DCS等，且便于后期接入新的设备；利用它的管理功能来分区域设置报警量，进行语音报警，禁止使用Ctrl+Alt+Del等操作来强行关闭运行画面，利用报警Alarm ODBC可以将报警记录传送到SQL Server数据库中，从而方便查询；采用硬件狗加密技术保证了系统的稳定性和可靠性。该系统主、备用服务器上安装的是iFIX3.5服务器版本，其加密硬件狗接口类型是USB接口，而各操作员站安装的是iFIX3.5客户端版本，其加密硬件狗接口类型是并口。

该系统的软件通信方式选择的是OPC技术，OPC是建立在微软的OLE（即现在的ActiveX）、COM（组件对象模型）、DCOM（分布式组件对象模型）基础上的，由OPC基金会组织制定的用于过程控制和制造业自动化应用软件开发的一组包括接口、方法和属性的标准。OPC技术在硬件供应商和软件开发者之间搭上了一座桥梁，它提供一种机制以一种标准方式将数据从数据源传送到任意客户端应用程序。一个设备供应商可以开发一个可重用的、高度优化的服务器与数据源之间的通信，并且能高效地从数据源或者现场设备存取数据。OPC规范了接口函数，不管现场设备以什么方式存在，客户端都用同样的方式去访问，从而实现了系统的开放性，实现了与其他系统的接口。OPC采用面向对象的原则，将一个OPC服务器作为一个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户端以统一的方式去调用这个方法而不需要了解服务器内部组织。对于客户端而言，OPC服务器就像是一个黑匣子。客户端程序开发者可以使用相同的OPC客户端程序，操作不同的硬件装置，从而实现了软件重用和软件的即插即用目的。

3 结语

文章主要进行了综合自动化平台的硬件接入和软件接入方案设计，比较了目前主流的各种组态软件的优缺点，分析了系统网络状态指示图及网络冗余状态指示图，探讨了报警记录的产生、显示及存储等问题，最后分析了系统运行过程中出现的主要问题并提出了解决方案。

为了进一步提高生产效益，改善煤矿职工的工作条件，提高煤矿生产管理水平并和国际先进采煤国接轨，在充分调研和考证的基础上，开发了一套适合煤炭等工作环境比较恶劣的企业的综合自动化平台。它能够24 h不间断地监视井下各控制系统，实现地面控制井下各控制系统，并提供报警记录浏览、操作记录浏览、事故追忆等功能，实现了通过煤矿局域网即可浏览井下各控制系统的实时数据。系统自投入运行以来，表现一直很稳定、很可靠。实践结果表明，该系统改善了煤矿职工的工作条件，进一步提高了生产效益。

参考文献

[1] 王文博，张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[2] 彭瑾，王锦标.新的OPC规范——OPC XML-DA[J].冶金自动化，2004（1）：6-9.

[3] 彭瑞勇，刘晓文，张丽.于OPC技术的煤矿信息集成[J].矿山机械，2006（7）：6，94-96.

[4] 孙屹，孟晨.OPNET通信仿真开发手册[M].北京：国防工业出版社，2005.

[5] 朱京，牛志升.TCP在不可靠网络环境中的性能分析及其服务质量控制[J].电子学报，2000（S1）：26-31.