基于Ethernet的煤矿井下SCADA系统应用研究

刘明昌

(神东煤炭集团信息管理中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200)

0 引言

远程监控是矿山井下安全生产的重要保障系统之一，机电设备或系统能否安全、有效、经济地自动运行不仅影响井下岗位的数量，而且关系到整个矿井的生产与安全。

目前，大部分煤矿综合自动化系统属于二级SCADA，直接在生成流程中对现场设备进行监测和控制，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及报警等。这种系统侧重于单一设备或系统的监测与管理，数据量较小，各个系统自成体系，各自为政，造成信息平台不能综合使用，重复建设，系统维护量大等一系列问题。如哈拉沟煤矿原有综合自动化系统即是主要针对PLC单元控制系统进行监测控制。

神东煤炭集团公司的LCS矿井监控系统在哈拉沟煤矿上线使用，目的在于搭建一个平台，建立一套综合的井下SCADA系统，实现井下多种设备或系统的状态监控以及信息共享，提供多方位井下设备和系统的上位监控集成途径，对整个煤矿的设备进行整体管控。

哈拉沟煤矿井下有2台顺槽胶带机保护器、5个自动排水点、多台移动变电站和智能开关正在自动运行却并没有实现在线监控，如何针对这些零散设备进行整合，对于建立综合SCADA系统具有重要意义。文中主要分析了哈拉沟煤矿SCADA系统的实践应用与研究过程，对提高矿井生产安全性和生产效率发挥了重要的作用。

1 系统功能及设计

1.1 系统功能

数据上传与共享：机电设备或系统的数据上传与共享，通过以太网交换机、串口服务器采集各设备或系统参数，由OPC服务器对外共享。

实时远程监控：调度室监控系统通过和OPC服务器的数据交换，达到远程监控的目的，并且能够在确保系统安全运行的前提下有效地减少劳动岗位。

数据存储和分析：通过系统的数据存储、历史曲线调用、故障记录查看等功能，能够实现多元化分析设备运行状态，及时发现故障，提升设备检修效率和使用寿命的目的。

1.2 SCADA系统整体设计

哈拉沟煤矿SCADA系统采用多元结构，由现场执行单元、数据上传单元、数据驱动单元，上位监控单元组成。现场执行单元为现场自动化设备，其自身采集各项参数，具有RS 485或者以太网通信功能，可完成数据采集、通信控制等多重功能，是系统组成的基础；数据上传单元为具备RS 485串口通讯和以太网通讯功能的通信设备，负责现场设备与地面间的远距离数据传输；数据驱动单元完成不同设备通讯的驱动环节，通过解析ModBus等协议采集设备参数并标准化为OPC协议供上位监控单元使用，上位监控单元完成系统组态、人机交互界面，数据存储、展示分析等功能。系统结构如图1所示。

图1 SCADA 系统整体结构

1.3 SCADA 系统硬件设计和网络结构

SCADA 控制系统硬件主要由调度室监控系统相关硬件设备，工控机、井下网络交换机、井下现场设备组成，构成原理如图2所示。

井下设备有华宁KTC150胶带机保护器，常州联立KJ15组合开关，北京朗威达移动变电站综合保护器，南京双京智能30 A开关、济宁同创自动排水控制器等多种设备，井下网络交换机选用重庆煤科院的KJJ-15A型网络交换机，该交换机具有4个RS 485串口服务器模块和6个网络接口，串口服务器模块提供串口转网络功能，能够将RS 485串口转换成TCP/IP网络接口，实现RS 485串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输，使得移动变电站、胶带机保护器、联立组合开关和智能30A开关等串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大地扩展串口设备的通信距离。网络接口可以连接自动排水开关PLC的TCP/IP接口，并且完成与地面网络交换机通讯，OPC服务器工控机选用研华6110L型，通过以太网和井下设备或串口服务器通讯，调度室监控系统相关硬件设备为神东煤炭集团公司的LCS矿井监控系统，包括OPC客户端主机、数据服务器、接口服务器、工控服务器、终端监控主机和一系列网络设施，系统通过以太网和OPC服务器通讯。

图2 系统硬件和网络构成图

1.4 SCADA 系统现场设备和执行流程

SCADA控制现场设备以济宁同创工矿设备有限公司的KXJ-2X400/1140(660)S 型矿用隔爆兼本质安全型自动排水控制器为例介绍，该控制器核心部件采用西门子PLC，集检测、控制、保护与一体。控制功能特点为：①双电源双回路一用一备；根据水量大小，一台泵正常工作，出现故障能自动切换；水量大时可控制2台水泵同时工作；②控制器具有过载、短路、缺相、过压、欠压，漏电闭锁、风电闭锁，高、低水位故障报警，自动排水双保护等各种保护功能；③通信方式—RS485或以太网通信直接接入井下工业以太环网，进行数据交换；④所组成的系统具备自动控制、手动控制，远控、报警与故障上传功能；⑤控制器可以通过上位机进行远方控制，并监控实时状态数据及对数据进行管理。

控制器的执行流程如图3所示。

图3 系统现场设备执行流程

当高位检测探头动作后，主回路工作(各电磁球阀、电动砸阀按顺序工作)。如果水位继续上升到超高位检测探头动作后，副回路工作(各电磁球阀、电动闸阀按顺序工作)。此时2台水泵同时工作当水位下降到低位检测探头后，主副2个回路停止工作(各电磁球阀、电动闸阀按顺序工作)，如此循环。当高位检测探头动作后，主回路工作(各电磁球阀，电动闸阀按顺序工作)。当主回路出现故障后主回路停止工作(各电磁球阀、电动闸阀按顺序工作)。自动切换到副回路工作(各电磁球阀、电动闸阀按顺序工作)。当水位下降到低位检测探头后，副回路停止工作(各电磁球阀、电动闸阀按顺序工作)，如此循环。

2 SCADA 系统软件与上位组态开发

2.1 SCADA 系统软件应用方案

SCADA 系统的软件使用包括串口服务器管理软件，OPC服务器软件、LCS监控系统软件。其软件应用与数据流转框图如图4所示。

图4 SCADA 系统软件应用与数据流转框图

串口服务器管理软件与串口服务器结合使用可实现工控机与井下设备的RS485通讯，串口服务器将RS485信号转换TCP/IP协议进行发送，由串口服务器管理软件读取串口服务器端口数据，将内容映射到虚拟串口供OPC服务器采集；OPC服务器软件使用Kepware，该软件可以驱动ModBus-TCP、ModBus-RTU协议的通讯模块和多种PLC以及其他通讯设备，对于RS485类数据信号由虚拟串口读取井下串口服务器上接入的信号，对于TCP/IP类信号直接通过以太网访问井下设备的以太网通讯模块，软件读取设备参数并标准化为OPC协议供调度监控系统组态使用，调度监控系统组态软件为神东煤炭集团公司的LCS矿井监控系统，可以实现通过与OPC服务器交互读写井下现场设备的寄存器，达到数据交互的目的，另外操作人员通过系统组态页面的操作控件、数据曲线可以达到数据监测、控制与分析等目的。

2.2 SCADA 系统上位组态开发

在串口管理软件中配置设备连接：设置串口IP地址、串口端口号、设备地址、波特率、校验位和虚拟串口号等参数。

在Kepware中配置设备连接：创建对应串口或IP的连接通道，安装对应设备协议的驱动，创建OPCItem读取设备寄存器，启动运行KepServer。

配置LCS系统与KepServer的连接：首先配置KepServer所在工控机的分布式计算机访问权限，其中包含OPCEnum和Kepware的访问权限，然后在LCS系统中创建访问该KepServer的相关配置。

在LCS系统中创建组态画面：对显示、操作控件链接相关OPCItem，并且设置状态事件和报警触发等内容，达到在组态画面中实时监控的目的。LCS系统自动排水系统上位监控界面如图5所示，通过监控界面中的当前数据状态显示可以了解到系统目前为高水位，主泵回路正在运行，电流参数正常。通过界面中操作控件使用，可以完成设备启停、复位和手/自动切换等操作。

图5 SCADA 系统中自动排水系统上位监控界面

在LCS系统中创建重要数据库：系统重要数据存档，达到可以调用历史数据曲线、查看故障记录、多元化分析设备故障的目的。SCADA系统自动排水系统水仓历史曲线如图6所示。另外从水仓水位历史曲线中可以及时发现液位长期保持不变，明显与实际情况不一致，可判断为液位传感器故障，需要检修维护。通过图7能够同时查询多路开关的多路电流历史曲线，很好地分析历史负荷情况，判断多驱动设备各电机之间的功率电流匹配关系是否合理，达到有效利用现有数据资源的目的。

图6 SCADA系统自动排水系统水仓历史曲线

图7 SCADA系统中联立组合开关电流历史曲线

3 系统的收益

(1)随着零散设备和系统的远程监控功能实现，现场工作岗位也会随之减少，必将大大地提高矿井设备的自动化水平，对企业的高产、高效、安全、优质、减人、增效发挥更大的促进作用。

(2)通过将各个零散系统整合到一套综合SCA-DA 系统中，可以综合分析利用各种数据资源，从系统工程的角度对矿山设备进行统一管理，解决各种意义上的“自动化孤岛”和“信息孤岛”现象，发挥自动化集成的最大收益。

4 结语

通过SCADA系统的设计与实施，实现了井下自动化设备与系统的数据通信、互联互通、远程监控、数据分析等目的。本文将SCADA系统应用于井下各个离散系统中，避免了企业重复建设各子系统监测监控系统，通过建立一套综合SCADA系统，整合了系统中各种资源，大幅提高了矿山的数字化水平与设备的自动化水平，为数字矿山、智能矿山的建设发挥了重要作用。