基于OPC和.NET的选煤厂副产品煤质信息远程监控系统研究

邱 浩 王然风 赵晓蔚

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.太重煤机有限公司，山西省太原市，030032)

随着“互联网+”在传统工业生产中的大力发展，以实现装备智能化、资源利用合理化为目标的智能化选煤厂成为主要发展趋势。在此背景下，2018年1月18日, 山西焦煤集团出台了《智能化选煤厂五年规划》, 目标就是要达到选煤生产透明化、选煤信息精细化和选煤决策智能化。

选煤厂副产品煤质信息远程监控系统主要包括尾煤煤泥灰分检测，不仅可以了解浮选过程分选环节的生产效率，而且可以监测生产的尾煤煤泥品质，使浮选精煤得到最大的经济效益，对有压给料三产品环节选后矸石的采样化验有助于分析重介质选矿工艺生产的精煤质量。高阳选煤厂为了实现自动化、信息化和智能化的目标，在矸石带式输送机上安装了自动采样机以及在尾煤带式输送机上安装了无源灰分仪设备，同时安装了视频监控设备，由于无源灰分仪设备、自动采样装置以及视频监控设备分别由不同的自动化厂家生产，采用不同的通信协议，导致3个系统之间的驱动程序互不兼容，因此监控软件通信相对独立，所以只好在监控室为每个系统配置一套通信线路和工控机，造成3个系统数据不能共享，系统在更新、扩展和维护方面较为困难。

为了解决传统监控系统不相容和无法远程监控的弊端，实现智能化和信息化选煤的要求，本文采用OPC技术与.NET平台技术将上述3个独立的系统统一为1个系统，同时将监控系统在汾西矿业集团环网内发布。统一后的系统能够实现高阳选煤厂、高阳煤矿、汾西矿业集团获得权限的相关管理人员通过Web浏览的形式远程监控现场无源灰分仪测量数据，远程控制自动采样机和查看现场视频信号。

1 系统总体方案设计

高阳选煤厂副产品煤质信息远程监控系统基于OPC技术及.NET 平台设计，在硬件设备和原有现场监控系统的基础上，新增加上层数据处理层和Web应用层形成三层系统架构。整个系统架构中各硬件设备通过光纤和网线连接，同时接入汾西矿业集团环网，底层硬件设备的实时数据上传至OPC服务器，上层监控设备通过Web服务器发布实时数据。该系统解决了原有监控系统不能远程监控和数据不能共享的弊端，具有良好的开放性和统一性，整个监控系统架构如图1所示。

图1 选煤厂副产品煤质信息远程监控系统架构

(1)硬件设备层。硬件设备层位于整个监控系统的底层，主要包括尾煤带式输送机上安装的无源灰分仪、矸石带式输送机上安装的矸石采样机、视频监控设备。无源灰分仪采用开封市测控技术有限公司NGAM-2008天然γ射线灰分仪(无源灰分仪)，矸石采样机通过西门子PLC1200控制，视频监控设备采用海康威视公司的数字摄像仪，在.NET平台可以很方便地通过海康威视提供的编程接口把视频信号嵌入到监控页面里，节省开发时间。这些硬件设备能够实时监测尾煤煤泥灰分数据，PLC控制信号和视频信号通过OPC通用协议传输到OPC XML-DA服务器。

(2)数据处理层。数据处理层位于系统的中间层，是整个系统的核心。主要包括OPC XML-DA服务器、Web服务器、数据服务器和视频服务器。OPC XML-DA服务器根据《OPC XML-DA 规范1.01版》设计。Web服务器(相当于OPC客户端同时也是Web客户端的服务器端)配置有.NET平台，在.NET平台下通过C#设计服务器端，利用Web 页面中的 Java Script、HTML、CSS来进行监控界面设计，以 XML作为浏览器和Web 服务器通信的手段，然后使用IIS发布到局域网内。数据服务器作为SQL Server 2012数据库系统的载体，管理现场历史数据，建立规范的数据存储系统。视频服务器主要作为监控视频存储以及为Web服务器提供视频接口。

(3)Web 应用层。Web 应用层主要针对的是远程用户，包括高阳选煤厂、高阳煤矿、汾西矿业集团任意获得权限的用户可以使用浏览器进行数据实时查看和远程控制。

2 OPC XML-DA服务器设计

2.1 OPC简介

OPC(OLE for Process Control)以COM/DCOM(组件对象模型/分布式组件对象模型)技术为基础制定，解决了传统工控系统存在的通信弊端。OPC技术制定了一系列的标准接口，采用这些对象接口，上层客户端不需要考虑底层硬件设备，直接读写OPC服务器的数据。2003年，OPC基金会推出OPC数据存取规范3.0版，通过OPC DA服务器收集不同底层设备数据，使得底层硬件驱动程序与上层客户端软件开发互不影响。随着万维网技术的发展，为解决OPC技术在Internet环境中的数据传输的问题，OPC基金会又发布OPC XML-DA数据规范，通过Web Servers技术使客户端与服务器通过HTTP协议进行数据交互。

2.2 OPC服务器设计

随着OPC技术的发展，大部分自动化厂家都有自己的OPC DA服务器，所以在开发应用中进行二次开发，通过Wrapper技术包装成OPC XML-DA服务器，如德国西门子公司的SIMATIC NET软件以及北京亚控科技提供的组态王软件都可以当做OPC DA服务器。选煤厂副产品煤质监控系统为了开放性和统一性考虑，也为信息化选煤厂建设提供思路，采用gSoap开发工具直接从底层开发OPC XML-DA服务器，其基本结构如图2所示。

图2 OPC XML-DA服务器基本结构

OPC XML-DA服务器主要包括下层数据采集管理模块和上层数据封装及网络传输模块，下层模块根据传统OPC DA服务器设计，下层模块将采集的不同格式的数据通过SOAP技术封装为统一的XML数据结构，通过 HTTP 与远程客户程序进行通信。通过gSoap开发工具开发的OPC XML-DA服务器主要分为4个部分，其总体结构如图3所示。

远程监听层通过HTTP协议主要负责处理远程客户端请求消息，消息处理层的设计主要处理上一层解析出来的SOAP消息，然后按照相应数据结构传递给服务调用执行层，这两个部分都采用gSoap开发工具提供的功能性函数以及相应的数据结构来开发完成。服务调用执行层通过规定的8个服务的定义，制定标准接口读取底层传过来的数据。OPC数据存取接口层主要是对服务器的地址空间管理、数据管理以及内部服务管理功能，后两个部分分别由COPCXMLDAServer和COPCDAServer这两个类完成。

图3 OPC XML-DA服务器总体设计结构

3 客户端设计

OPC XML-DA服务器通过OPC协议将不同硬件设备监测数据统一采集，同时采用Web Services 技术将数据接口封装。OPC客户端同时也是Web的服务器，客户端配置为.NET编程环境，直接从封装好的接口读取数据。使用Java Script、HTML、CSS来设计监控网页，设计好的网页通过IIS技术发布在汾西矿业集团环网，这样高阳选煤厂、高阳煤矿、汾西矿业集团就可以通过浏览器实时监控数据。客户端设计基本结构如图4所示。

3.1 数据存取订阅

客户端与OPC XML-DA服务器通信方式在异步获取方式基础上设计，通过采用“建立订阅→不断查询所订阅的数据项→退出订阅”的方式来获取OPC XML-DA服务器的数据，主要用到.NET平台下C#编程的Subscription、Subscrip-tion Polled Refresh 、Subscription Cancel 这3个函数，数据存取订阅设计如图5所示。

图4 客户端设计基本结构

图5 数据存取订阅设计

3.2 系统功能实现

3.2.1 登录界面实现

高阳选煤厂副产品煤质信息远程监控系统在整个局域网内发布，为了保证操作的合理性和安全性，需对系统设置登录管理体系，将工作人员分为3个等级权限，一级权限不仅可以查看尾煤煤泥灰分数据和视频信号、远程操作矸石采样机以及报警信息处理，而且可以管理其他权限用户；二级权限可以查看尾煤煤泥灰分数据和视频信号以及远程操作矸石采样机；三级权限只能查看各种设备信息，不能进行远程操作。登录界面主要通过用户名和密码的方式进行验证，在.NET平台使用SQL Data Reader对象的Has Rows属性与数据库里面的数据进行匹配。同时在用户身份匹配成功后，对其登录时间和动作事件数据进行记录管理。

3.2.2 功能界面实现

高阳选煤厂副产品煤质信息远程监控系统功能界面主要包括尾煤煤泥灰分界面、自动采样机监控界面以及视频监控界面。尾煤煤泥灰分界面主要展示灰分实时数据和历史报表数据这两类数据，灰分实时数据主要实时读取OPC XML-DA 服务器的数据，该数据每分钟更新一次，设计里采用了.NET编程环境的AJAX 应用程序中的 Update Panel控件，该控件可以在无刷新页面的情况下，提交更新服务器控件，从而实现数据的定时更新；历史报表数据主要在.NET平台下用Gridview 控件实现，应用ADO.NET作为数据访问接口，通过 SQL 查询指令读取SQL Server 2012数据库里面的数据，尾煤煤泥灰分实际监控界面如图6所示。

自动采样机监控界面主要包括采样机状态信息，报警信息展示和远程采样，在功能实现上主要是使用OPC XML规范提供的Read(数据读取函数)，Write(数据写入函数)两个服务读写 OPC XML-DA 服务器的数据，自动采样机实际监控界面如图7所示。

图6 尾煤煤泥灰分实际监控界面

图7 自动采样机实际监控界面

4 结语

高阳选煤厂副产品煤质信息远程监控系统使用OPC协议和.NET平台设计实现，统一了选煤厂原有各独立的监控系统，为选煤厂信息化和智能化建设提供了新的思路。该系统2018年1月开始在高阳选煤厂安装调试到2018年8月调试完成，成功把原有的3个独立的副产品监控系统集成到一起，实现了数据共享和统一管理，降低了现场设备的维护难度，另外管理人员可以通过浏览器获取相关权限后，远程查看副产品煤质数据和远程指导现场生产。该系统在高阳选煤厂改造完成以来运行稳定，项目实施方案和技术具有普遍性，而且系统在Web服务器设计时就对Android和IOS数据接口部分做了考虑，为手机APP客户端的开发提供了可能，计划将推广到整个汾西矿业集团，搭建整个汾西矿业集团副产品煤质信息远程监控系统，完成智能化选煤厂的建设目标。