神东综采工作面自动化数据采集系统应用研究

张 飞

（神东煤炭集团，陕西神木 719315）

0 引言

就传统模式下的煤矿产业实际监控系统而言，绝大多数借助控制仪器进行，在很大程度上受到煤矿产业现场环境影响和具体地点地势影响等，而开发煤矿产业数字化监测程序的程序人员也很容易受到各种条件约束，难以针对性地运用本地系统更好地服务集成，以构建现场内部网络的生产监控和数据采集程序。因此，传统的监控程序往往能较好地完成煤矿产业的实际工业生产监控需求，但并不能使开发者有效访问系统外部更加丰富的数据资源和信息资源，必须严格控制实际监管系统应用程序行为以确保程序应用安全。

随着我国经济社会的快速发展和科技水平的不断提升，自动化技术、人工智能技术等的不断普及与应用，逐步提高了各行各业信息化建设水平和可持续性发展水平，煤矿产业同样如此。而在现代社会信息化技术和工业化进程不断推进的大背景下，国内煤矿产业在其生产过程自动化以及信息化监管方面取得了较大成绩。与此同时，煤矿企业不断要求增强系统可靠性、兼容性与开放性，在远离煤矿采矿第一现场设备环境条件的基础上，及时反映当前监控设备的实际运行状态，并对煤矿产业的实际生产状态进行控制。在此条件下，远程控制监管及远程控制技术应运而生，煤矿自动化数据采集系统等不断发展，为及时发现甚至提前判断煤矿采矿设备故障，为确保煤矿企业生产安全奠定了坚实基础。在此基础上，对自动化数据采集系统的相关应用和研究也就具备了重要的理论意义和现实价值。

1 系统研究背景

众所周知，当今社会是信息化时代，资源开采效率提高、资源利用效率等的提升是煤矿企业落实可持续性发展和绿色发展观的重要外在体现，更是提高煤矿企业经济发展效益和市场发展潜力、甚至增强企业核心竞争力的根本要求。尽管在21 世纪初期，国家相关部门就积极要求煤矿企业不断开展安全生产信息化建设，在一定时限后也取得了较为显著的成绩，但是随着当代社会人工智能技术、物联网技术以及大数据技术等的不断普及和应用，在对现有煤矿企业信息化开采技术及数据采集技术等的大力分析情况下，不断提出了全新的煤矿开采理念，不断提升了加强煤矿企业设备利用效率等要求。在此情况下，神东矿区积极开展设备数据监测及智能分析项目以及设备数据分析及健康管理项目等诸多活动，旨在将煤矿采矿业的综采、机电、通风、安监、人员、通信等多套系统设备实时监控系统数据信息整合到完善的一套系统中，实现“一张图”的全矿井的综合监管体系，最大化地强化集中调度和应急指挥水平，做到类似于PSI 公司区域自动化项目的实际效果。同时，尽可能融合神东矿区现有的管理系统数据，实现实时信息和业务管理的信息联动升级，最大化提高机电设备的业务管理效率，并进一步借助数据分析、统计和处理实现量化机电设备管理指标，从而加强机电设备考核管理的目的，为后续设备数据资产信息的积累以及未来大数据技术的深度应用和实时优化管理技术水平的不断提升奠定基础。

在此过程中，国家能源投资集团神东矿区现有远程监测13个矿井的采煤机、支架、三机、顺槽胶带机、主运输胶带机、主通风机等诸多设备，实现运行监控7 个子系统，胶带机122 部，21台套主通风机以及28 个综采工作面，为煤矿开采及其相关设备的运行状态、故障处理和历史数据信息分析等奠定了基础，图1为神东矿区7 个远程监测子系统分类示意。

进一步探究神东矿区综采工作面自动化数据采集系统应用建设的研究背景可知，该矿区目前存在数据管理问题、资产管理缺乏数据支撑问题以及数据分析及健康管理体系不完善等三大问题。就数据现状分析问题而言，数据采集难度较大，区域自动化的大柳塔矿、补连塔矿、上湾矿和哈拉沟矿等合计监测169 600点，但全公司13 个矿井总计监测点却超过450 000，部分矿区数据点统计如表1 所示。从表1 可知，数据点大矿改前46 000个，大矿改后67 840 个；四矿改前115 000 个，四矿改后169 600 个。

图1 神东矿区7 个远程监测子系统分类示意

表1 部分矿区数据点统计

另一方面，神东矿区数据监测标准急需完善和统一。由于神东矿区现有信息化系统160 多个，部分相关系统之间实现端与端的集成对接，但数据共享度并不高，实际整合难度较大，需要运筹帷幄和统筹计划。同时，设备管理中心仅在设备健康管理和大数据分析方面进行了相应的数据标准修订，并不包括数据整合方面的标准信息统一。

2 煤矿自动化数据采集发展现状

目前，随着时代的变化与发展，煤矿企业的生产管理过程正发生着翻天覆地的变化。在煤矿企业的基层生产线上，由传统模式下的集散控制模式发展到后期的现场总线控制模式，进而发展到近年来的远程计算机控制模式；而在煤矿企业的管理层控制上，由传统模式下的信息管理系统控制发展到现阶段的企业资源规划以及供应商管理、客户关系管理等方面，在较大程度上直接提高了煤矿企业的实际管理水平和工业生产效率。然而，随着煤矿生产工业控制系统网络结构分化程度的越来越细和越来越多，绝大部分基层单元结构系统的复杂度和控制难度进一步提高，在增强工业控制网络系统基层结构单元实际处理能力的同时，却大幅度降低了基层结构单元自身和外界系统的交互能力，进而使煤矿工业生产系统内部结构单元相对独立，造成了一个个独立的控制信息孤岛。孤岛效应的存在，不仅进一步加大了对工业控制网络系统结构基本驱动程序以及外在用户连接接口要求的不断提高，甚至使传统的可编程控制软件与经典的现场总线技术难以有效适应现阶段较为分散的网络拓扑结构，使工业区OPC 和信息化程度以太网技术边缘化地嵌入传统的工业控制网络系统结构中，而大大降低了嵌入式结构提升网络系统功能结构的实际功效。现如今，随着可扩展性、可伸缩性互联网公共信息网络传输平台的不断普及和应用，越来越多的工业控制网络应用系统选择在互联网环境中开发，致使现阶段应用程序开发者必须在脱离以往简单模式的基础上构建更加复杂的n层结构系统。也就是说，现今的应用程序开发者必须将众多应用在网络上的程序进行高度集成，在提高了软件开发者精力集中于特有软件商业价值提升专注度的同时，更大大节省了传统模式下关注软件系统基本结构构建所花费的时间与精力，较大地缩短了工业生产网络软件投放及应用的整体时间。此外，系统开发者的编译效率也能在较大程度上得到明显提高，而软件系统的质量也能得到有效保障。其中，NET 开发平台作为微软公司提出的高度可扩展性、可伸缩性的互联网公共信息传输平台，为编程人员更优秀开发工具和全新开发模式的选择提供了技术支撑，更为开发工具的多样化以及软件工作人员构建系统的多样化以适应企业实际发展需求等奠定了基础。

3 神东综采工作面自动化数据采集系统

3.1 系统实现

通常情况下，煤矿综采工作面自动化数据采集系统主要是解决基于Internetbus 现场总线的工业控制网络结构和基于以太网Intranet 的两种异构网络的数据交换问题，而由于基于Interbus 现场总线的工业网络控制结构和基于以太网Intranet 的完全异构网络结构的连接具有较大程度的困难，其硬件连接可借助网关、专用协议模块以及通信端口等的兼容性和实时监控等进一步实现两种网络的连接，而根据不同的硬件接口形式采取不同的软件方法，对其协议数据信息进行合理交换，从而完成对煤矿综采工作面现场数据信息的访问和采集。在此过程中，国家能源投资集团神东综采工作面自动化数据采集控制系统的整体架构如图2 所示。

图2 系统整体架构

进一步探究神东综采工作面自动化数据采集控制系统实现问题可知，数据采集控制系统在收集相应的煤矿矿山现场数据并完成现场实时传递数据的基础上，将其相关数据信息解析后存入实时数据库系统中，进而完成整个数据采集系统的收集传递。当煤矿矿山现场所传递的数据信息和数据库实时通信中断时，就会进一步将其数据信息存储在本地文件夹中，待数据采集系统和数据库通信故障排除并恢复正常通信后，将本地文件夹中存储的相关数据信息一并传输到实时数据库系统中。

3.2 基于工业组态软件的数据采集系统

在以现场总线技术为基础理论架构的煤矿矿山综采工作面自动化数据采集控制系统中，任意类型的现场数据信息大多通过集中监控系统传递而大幅度提升其实际操作效率，而绝大部分软件开发者开发集中监控系统主要采用工业组态软件，为其提供现场总线技术网络和以太网网络数据库之间的兼容性联通。在基于工业组态软件的综采工作面自动化数据采集控制系统过程中，组态软件方法能更便捷地实现整个实时监控系统的数据采集和整理，且该方法简便易行，可操作性较强和科学性较高。同时，在利用工业组态软件对其综采面自动化数据采集系统进行研发时，可进一步利用Active X 和Content Type 等软件对其进行开发利用，将Windows 2000 Server 操作系统作为基本软件支撑，利用SQL Server 2000 数据库服务器，Java、ASP 等诸多开发软件甚至IE 浏览器等为综采工作面自动化数据采集控制系统相关功能目标的实现奠定一定基础。同时，软件开发人员还可进一步根据煤矿矿山现场的实际生产条件和参数信息要求制定相应的浏览器显示主页，并在运行主页后的客户端运行函数，对煤矿生产现场环境进行监控与管理。利用工业组态软件开关量实现综采面自动化数据采集系统中涉及的管理网浏览器中的相关过程，并利用组态思想对实时数据库以及数据存储过程进行指导，从而实现模拟量监控与管理，借助Active X、Java 等技术辅助实现对动态网页风格趋势图的监控与管理。总之，基于工业组态软件的综采面自动化数据采集控制系统，能有效实现数据信息的采集、解析、存储和传递，并能为煤矿作业系统及企业管理系统之间的兼容性连接提供一定支撑。

3.3 软件开发与设计

神东综采工作面自动化数据采集系统。软件结构主要包括数据库、I/O 驱动、HMI 设计等三大部分。就煤矿综采工作面自动化数据采集系统的数据库设计问题而言，数据库系统是整个煤矿自动化平台的重要部分和核心内容，且数据库主要完成相关历史数据信息的检索存储、数据事故信息的处理存储以及综合数据信息的运算处理、统计和分析等诸多任务，借助综采工作面自动化数据信息采集系统的内部协议共享煤矿开采及生产过程中的相关数据信息。

4 实际应用

对神东综采工作面自动化数据采集系统的实际应用情况的进一步分析发现，神东矿区在按照设备数据分析和健康管理实践路线的基础上，首先于2015 年10 月19 日开始制定起草综采工作面开机率、有效生产时间及配套大修可行性分析周报表，进而针对性地建立了相应的数据模型，并提出了数据标准规范，为综采面自动化数据信息的采集及试运行报表等的修订打下了一定基础。通过对报表合理性的分析改进，强化了对神东矿区综采工作面开机率、有效生产时间及配套大修可行性分析周报表的优化改良，组织各部门和各矿开会讨论并验证了数据分析部分的合理性和分析成果的实际应用状况。2016 年5 月，神东矿区根据已确定的关键指标科学合理地设计了报表数据信息，并经过了综采工作面设备开机率及配套大修可行性分析周报表的审定，进而确定生产效能计算公式，利用计算公式和计算数据直观实时地反映了各矿的设备效率及其运行状况。最后，对神东矿区的36 期综采工作面设备开机率及其配套大修可行性分析周报表进行了统计分析，并在实现实时综合监测及观察设备效能和设备运行状态等系统功能的前提下，优先解决了消耗人力最大的开停机统计分析数据。图3 即神东矿区综采工作面的开机率变化示意。

图3 神东矿区综采工作面开机率变化示意

5 结论

煤矿矿山自动化子系统的独立存在及信息孤岛效应等，严重制约了煤矿生产企业的未来发展和可持续性进步，而传感器技术、自动化技术和大数据信息管理技术等的不断应用，进一步加快了传统煤矿企业安全生产、科学管理及高效运行的工业化进程。因此，针对煤矿矿山综采工作面自动化数据采集控制系统的研究和应用，不仅能在一定程度上引导其他煤矿矿山企业对本矿山实际生产管理过程中的数据管理问题进行思考，还能为数据管理问题针对性解决方案的制定提供参考。