神东矿区数字化集中管控平台设计

吴琼，赵涛，王占飞

（神东煤炭集团智能技术中心，陕西 神木 719315）

1 引言

目前神东矿区的13 个煤矿均采用传统的调度管理方式即各矿分别设有调度指挥中心，通过自动化控制、安全监测、人员定位、安全管理等系统进行生产调度控制和安全管理。各矿井、各生产系统间没有信息互通，无法形成矿区级的计划接续、资源协同和数据共享。为有效解决各矿井、各生产系统之间的信息孤岛，实现主要生产系统的数据集成、集成展示以及集中控制，建立矿井群的专业化调度管理方式，实现煤矿生产优化排程。结合企业自身的情况与需要神东矿区将大柳塔、活鸡兔、补连塔、上湾、哈拉沟、石圪台6 个矿井集中起来，通过数字化集中管控平台建设，优化煤炭生产控制指挥体系，解决了矿区内多矿井生产系统联动、数据共享等问题，进一步提升煤矿生产运营规模化、集约化和现代化水平。

2 主要研究内容

设计矿区数字化集中管控平台，根据神东现有的要求和实际情况，业务流程可定制，实现目标煤矿统一监测和控制，达到海量数据资源的共享利用、关联分析等目标。实现6 矿井独立系统的控制和数据集成，实现管理和生产数据的高度融合，提高决策分析的科学性；实现矿井群调度分专业管理，以利于调度经验、知识的积累，进一步促进煤矿生产调度指挥水平的提高，进一步减人提效，促进精益生产方式的推行应用，实现甲方集约化、专业化生产模式的创新和飞跃。主要内容：①创建6 矿井联合生产控制指挥中心，建立并推行了专业生产控制指挥模式，总体指挥6 矿井煤炭生产，实现了煤矿生产优化排程，构建了面向区域的现代化煤矿生产控制指挥体系，提高了煤矿安全管理水平，达到了减人增效的目的。②建设矿区数字化集中管控系统，实现了管理、采、掘、机、运、通等生产子系统的数据高度集成、分层展示、集中控制。③研发矿区一体化矿图集成管理平台，实现了多矿井多专业地理位置信息的融合，支持智能终端现场录入、动态更新及多人协同作业，提高了矿图管理水平。④建设基于万兆的亿吨矿区生产控制环网，作为生产数据传输通道，多冗余快速切换，保障了工控系统高可靠性要求，提高了数据传输的效率和安全性。⑤规范煤矿设备数据通信标准，统一了数据协议平台，提高了数据传输的效率、安全性、可靠性和实时性。

3 平台设计

3.1 矿区集中管控系统设计

3.1.1 集中管控系统技术

主要功能模块有：CTRL（NWD、PSD、NSH）、CMD（CMDAS、CMDWS、CMDC）、XCH 功能组件的运维服务（见图1）。CTRL 组件包括数据模型和在线使用功能。采用高可靠性的多层去中心自组织系统架构，构建了灵活的分布式控制模型，工位冗余可以工作，即使矿井间网络中断、主服务器宕机，只要唯一工位运行，就可对系统进行操作。

图1 集中管控系统

3.1.2 多层级数据模型技术

对生产和管理的数据格式进行标准化设计，采用统一分层的数据结构模型，应用区域关联、技术关联和过程接口3种方法，实现数据的地理位置、逻辑位置和实时数据多维度管理；在系统平台上建立与各种类型的设备和系统的大数据量柔性接口，实现异构数据的交互；建成统一数据库。目前每日数据增量约为1.5 GB。针对智能矿山的数据场景进行建模，通过对数据分层构建矿区大数据管理模型，采用数据对象化处理方法，实现海量设备的有序管理，准确地区分了设备的工作场景。通过拓扑关系的设计，实现了系统的构建功能，表达了控制单元的逻辑关联关系，形成了基于拓扑关系的完整系统结构图（见图2）。采用控制单元图标颜色与状态关联技术，在实时数据或仿真数据的驱动下，系统状态信息产生直观的视觉展示效果，便于监控人员在大量监控画面上及时快速发现问题。

3.1.3 多数据库技术实现海量数据整合

平台配置了多个数据库，从多维度对数据源进行分类整合，解决煤矿数据异构化问题，通过对矿区各大系统全设备特征值的实时抽取，建立对象模型实现数据自动关联与智能报警，指导设备的维护、检修、更换以及配套大修。

3.2 矿区一张图集成管理平台设计

根据神东现有的6 矿井亿吨级矿井群专业化生产服务的现状，为实现亿吨级矿井群集中协同可视化管控的目标，设计了基于采掘工程平面图一张图集成管理平台的四层架构，包括数据构架、服务构架、运行架构、技术与规范构架。实现了区域内多个矿井根据实际地理位置在一张地理信息图内显示，并且根据需求可以分层分级浏览、查询、编辑矿井生产相关的采、掘、机、运、通等专业的图纸数据。提出了包括数据消费者、数据代理和数据提供者三层结构的多源数据无缝集成技术体系，研发了直接访问数据文件或者数据库的空间数据引擎，避免了烦琐的数据转换，提高了系统的稳定性和实用性。实现了多矿井“采掘机运通”等多专业在统一平台上多人在线协同编辑各自专业内的内容。

研发了一张图动态更新的系列化核心技术，实现了神东矿区多专业矿图集成。通过网络、计算机客户端、手机及平板电脑等移动设备随时随地在系统中进行浏览、查询、分析、编辑操作，实现矿图数据的共享和动态实时更新。将三维全景图像技术与煤矿GIS 深度融合，实现井下三维实景与GIS 集成展示。

3.3 数据标准优化设计

为了整体解决矿山机电设备通信协议杂乱无标准，数据格式和功能定义不统一，远程控制安全性无保障等问题，研究数据标准优化设计方案，通过优化数据上传路径、标准化协议转换和改变传统传输方式等方法实现数据上传稳定性和可用性，有效实现了数据归档，提升了数据应用水平。①提出矿山机电设备数据的对象化方法和模型。根据煤矿机电设备系统结构、功能要求、技术性能、工作模式等特点，采用高内聚、低耦合的原则，将设备数据定义和通信功能构建为类对象，建立了煤矿专用设备对象库，采用实例化的方法构建规约，实现设备通信的标准化。②通过对设备到平台实际数据传输时延进行实际测量，下发在249～1 773 ms，上传在878～3 536 ms。经过摒弃基于Windows 组件DCOM/COM 通信方式和统一协议后，OPC Server 程序通过“一次”转换将井下主要通信协议转换成OPC 协议，减少数据经过的环节和转换层次，减小数据通信延迟大，改进后实际测量时延下发低于150 ms。上传时延低于320 ms。同时预留后续大数据平台与OPC UA 通信接口。③设计设备数据转换规则和转化逻辑自动配置方法。通过算法优化、内存压缩、数据队列化处置技术，在总体成本限制的条件下，采用较低性能处理器实现了通信控制、数学计算、逻辑转换等功能；通过设计双输入验证和心跳机制，保证了远程控制的安全性。通过绑定智能网关上的“设备标识信息”，实现自动下发配置信息功能，达到即插即用的效果，确保了标准的易推广性。

3.4 集中管控模式

建立快捷高效、专业化的新型生产管控模式。传统的调度员一人负责全矿井关键设备远程启停操作，受专业技能和精力限制，不能全面关注所有设备的健康状态，井下还需要设置岗位工和巡检工对设备进行现场管理，通过集中管控平台的建设，设置专业控制工位，对安全、采掘、主运、通风、供电、供排水等分专业进行远程监控，取消井下岗位工，通过地面集中控制，实现对设备的精细化监控和健康管理，把巡检转变为目标巡查和维修，提高了工作效率，打破原有的矿井独立管理模式，实现流程再造，进一步提升了煤矿生产控制集约化和现代化水平，达到了减员增效的目的。

3.5 平台基础环境设计

3.5.1 矿区生产控制专网设计

①异构网络融合技术保证多网融合。生产专网与原五矿井下传输设备网、已建设的“一网一站”、4G 专网等独立网络相融合形成一张新的矿井生产主备网络。采用井下万兆环网与千兆支网链接架构，保证数据传输效率；采用MPLS 隧道技术，通过多协议标签交换，实现异构网络融合。②通过多种机制保证高优先级流量优先转发和低时延，包括QoS、HQoS 和MPLSTE 等技术。采用局域网VLAN 技术进行井下生产业务数据的标识，对不同的业务数据进行二层隔离，确保不同的井下数据转发过程中不会相互影响。在主节点上设计了业务数据汇聚设备，将所有的业务数据进行汇聚后统一转发到数据中心。③采用数据质量传输监测技术，保证数据有效性。在环网设计时使用独立的硬件NP（网络处理器）进行故障检测，发生任意环网交换机的单点故障都能在10～50 ms 之内快速倒换而不影响业务。生产控制万兆环网建立DCN 与网元通信的模式，对网元进行管理和维护。将网络设备融入矿区集中管控平台的网络IT 设备监测模块，实现所有OPC DA 数据上传质量的实时监测，保证RTU 的稳定。

3.5.2 数据中心建设

数据中心是集中管控系统提供着陆的关键基础平台。经过近几年大规模的建设后，神东的信息化业务迅速增长，机房的规模和复杂性也不断增加，资源紧缺、能耗高、运营管理效率低等问题日益突出。为解决上述问题，矿区集中管控平台数据中心采用华为IDS2000 模块化数据中心方案进行建设。

数据中心建筑面积4 094 m2。建筑层数为地上3 层，地下2 层。位于地下一层，约90 m2，层高3.9 m，数据机房位于中心地上一层，约250 m2，层高3 m。计划在数据中心放置30 台机柜，供电设备均放置于配电室。

该数据中心的建设工程简单，建设期短，易复制，相比传统建设模式建设周期缩短50%以上，具有低能耗，高效率，低PUE的特点。其子系统采用模块化、集中供电、集中制冷的设计方式，可以有效提高基础设施利用率。采用分散控制方式，集中管理模块化子系统运维界面独立，分散控制，分离故障、分散风险。标准接口，统一管理，减少人力运维成本，高效智能。

4 建设成效

本设计已经在神东矿区建设完成，通过工业应用表明，系统运行稳定、性能可靠，解决了矿区多矿间生产控制协同、资源共享等问题，大幅度提升了煤矿生产控制规模化、集约化和现代化水平，为建设具有国际竞争力、世界一流的智能矿区提供了一体化的控制指挥平台。

本设计在管控矿井数量上比国内外同行业管控数量多，目前国内外管控数量只达到单矿控制，而本项目形成矿区集中管控新模式，建立并推行专业生产控制指挥模式，实现了控制指挥6 矿井煤炭生产。

在接入系统数量上也远远超过了以前的传统一体化平台，总体接入了安全、采掘、主运、通风、供电、供排水等子系统共计66 个。实现了数据高度集成、分层展示、集中控制。在数据标准化方面，神东矿区上层系统协议统一。主要成果如下：①实现了六矿井煤炭高效生产，远程控制范围达621km2，2018年产量达1.08 亿吨。②实现了矿区多矿井采掘机运通等系统的数据可视化展示、集中控制、关联分析、故障诊断与决策和智能报警等功能。③实现了基于大数据分析的专业化控制指挥体系和生产优化排程。④井下作业人员减少600 余人，达到了安全生产、减员增效的目的。⑤探索了智能矿区建设集中控制的新型管理模式，对大型矿区两化深度融合起到了示范作用。

5 结语

通过数字化集中管控平台设计，提出了大型矿区集中管控新型模式，为下一步大型智能矿区的设计、施工、开采、安全、管理、教育、可持续发展以及科学决策等提供了示范，从而提高了矿区生产和管控的时效性、有效性、资源优化配置水平和高科技管理水平，促进智能矿区的可持续发展。统一了机电设备群信息共享的协议标准，解决了设备之间以及与信息系统之间的信息孤岛问题，加快推进“互联网+”智能矿用装备，为矿用设备的智能化奠定了坚实的基础。研发了先进的数据分析工具、可视化展示手段以及万兆生产专网等技术，推动了工业互联网、云计算、大数据在煤矿生产控制指挥过程中的综合集成应用，加快了煤炭领域信息化与工业化深度融合的脚步。通过灵活多模式概念、新型管控模式、先进的技术手段和设备，极大程度降低了工作人员劳动强度，减少井下作业人员，改善了煤矿形象，提高了员工幸福指数，为矿井采掘平衡提供系统决策支撑，为最终实现少人和无人化煤矿探索出了一条新的高科技之路。