基于多源组态技术的恒姑煤矿智能化管控平台设计与实现

张 亮

（1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；2.矿山深井建设技术国家工程研究中心，北京 100013）

近几年，我国煤矿智能化建设已由局部探索向全面推进转变，但仍有大量煤矿面临转型较慢或难以推进的局面。主要原因表现在煤矿智能化建设工期较长且投入资金巨大，已建成的煤矿虽然在增产增效、提质减人方面有一些成效，但实际上效果并不明显，有些煤矿企业甚至出现了人员不减反增和产量下滑的现象[1]。

针对贵州省能源局相关要求以及恒姑煤矿生产、辅助系统现状，并分析已完成智能化建设矿井的成功经验和失败教训，恒姑煤矿智能化管控平台必须立足于技术先进、成果务实、高性价比和可持续改进而建设，由此确定了需求分析、技术选型、开发部署和实际应用的技术路线。结合企业实际情况及《贵州省煤矿智能机械化建设与验收暂行办法》要求，确定了恒姑煤矿智能化管控平台“安全、实用、减员、增效”的建设目标，在实际应用中必须能够显著提升恒姑煤矿的生产和管理水平，为企业安全生产保驾护航。

1 智能化管控平台建设内容和技术选型

1.1 智能化管控平台建设内容

恒姑煤矿智能化管控平台建设内容主要包括:工业以太网、生产辅助自动化平台、信息管理平台、瓦斯抽放监控系统、高低压供配电系统、光纤测温系统、带式输送机运输系统、主要通风机系统、局部通风机系统、排水系统、压风系统、安全监控系统、人员定位系统、调度室大屏幕显示系统、工业视频监控系统和信息引导发布系统[2]。

1.2 平台建设技术选型

同类智能化平台通常采用表现层、业务逻辑层和数据访问层的3 层架构设计模式，其中表现层多为B/S 架构，在此基础上核心技术选择也比较多，如DotNet、J2EE、QT、Entfrm 等[3]。

考虑到恒姑煤矿现有各子系统接入方式的多样性，以及工业网络拓扑结构复杂、子系统功能分散、信息化程度不高、现有设备智能化程度较低等特点，平台建设在技术选型方面应更加注重平台建成后的可延续性、可扩充性、封装性以及通用性[4]，因此选择多重组态技术作为核心技术进行平台设计与实现。

2 基于多源组态技术的方案设计

2.1 多源组态技术应用技术路线

多源组态技术应用技术路线如图1。

图1 多源组态技术应用技术路线Fig.1 Application technology route of multiple configuration technology

组态即配置，多源即多种类多数量的数据来源，多源组态即为通过开发各类数据引擎动态库，实现系统平台对众多子系统的接入和数据融合。组态平台提供了标准的数据引擎动态库开发协议标准，开发者按照此标准即可开发出适合具体项目的数据引擎动态库，而后通过组态平台提供的配置功能完成管控平台的建设[5]。

2.2 恒姑煤矿智能化管控平台方案

平台架构与功能设计图如图2。

图2 平台架构与功能设计图Fig.2 Platform architecture and functional design diagram

恒姑煤矿智能化管控平台融合瓦斯抽放监控系统、高低压供配电系统、光纤测温系统、带式输送机运输系统、主要通风机系统、局部通风机系统、排水系统、压风系统、安全监控系统、人员定位系统、工业视频监控系统和信息引导发布系统，结合煤矿生产、安全、经营等信息，以数据集成、融合、共享为原则，实现智能感知、远程集控、数据挖掘和决策支持[6]。

2.2.1 子系统接入引擎选型

在子系统数据接入引擎选型设计上，重点考察子系统数据的分散度、数据属性、数据频率和预警方式等因素[7]。子系统数据引擎接入方式见表1。

表1 子系统数据引擎接入方式Table 1 Design of subsystem data engine access method

以安全监控系统数据为例，其所监控的数据来自大量不同的传感器和分站设备，每个数据又包含大量的数据属性，如数据状态、阈值上限、阈值下限、传感器类型、断电值、复电值、关联测点等，因此安全监控系统的数据属于分散度较高，数据属性较复杂的情况；再者根据行业标准要求，其数据频率要求不低于30 s[8]，预警方式为超低延时预警；综合以上情况，在安全监控系统数据接入上采用OPC 数据接入方式。

2.2.2 子系统接入引擎开发

数据引擎开发采用微软标准的COM 组件技术和.NET 平台，在建立接口时，可以创建多个互相独立的对象，每个对象都可以根据设备情况拥有自己的变量，接入引擎开发最终的成果是一个可以被平台导入的动态链接库文件。

1）建立驱动信息结构。首先建立驱动信息结构，驱动信息所有结构都定义在头文件中。驱动信息主要数据包结构见表2。

表2 驱动信息主要数据包结构Table 2 Main packet structure of driver information

2）重写组态平台接口函数。在驱动信息结构确定后，便可以重写组态平台接口函数[9]。在本项目中组态平台与驱动交互主要通过IprotocolImp（原始接口）和IProtocolImp2（自定义接口）2 个接口中的函数实现。在程序设计中，定义了12 个接口实例函数，接口实例函数表见表3。

表3 接口实例函数表Table 3 Interface instance function table

3）程序类的设计。主要为：①驱动程序项目类：该类实现了IprotocolImp 和IprotocolImp2 这2 个接口，接口中的函数见表3，其中序号1～9为IprotocolImp 接口函数，序号10～12 为IprotocolImp2 接口函数；②子系统设备类：实现组件对象模型接口包含设备基类（CDevBase）和设备子类（CDev）这 2 个类，类CDevBase 是所有设备子类的父类，其中，GetRegisters 用于得到由szDevice-Name 确定的寄存器的名字和个数，GetDevices 用于得到设备的名字和个数，ConvertUserConfigTo-Var 用于将用户的配置字符串转换为组态变量结构，AddVarToPacket 用于确认变量是否能够与1 个包里的其他变量一起进行采集，以进行变量的打包，ProcessPacket2 用于根据协议及包状态信息进行相应的处理等；③设备通信类：此类用于实现串口和网口的通讯，平台可自动地产生串口通信类（CSerialCom）或者网络通信类（CNetCom），其中，OpenCom 用于打开设备串口，CloseCom 用于关闭设备串口，PhysicalSend 用于相关设备发送通信数据，并接收设备返回的数据等；④数据调用类：该类实现各种调试信息在组态平台信息窗口中的输出，比如错误信息，接口信息，数据信息等，其中，ShowImpMessage 用于输出接口信息标志，ShowErroMessage 用语显示系统错误消息，Show-FunMessage 用于显示函数功能消息，ShowUser-Message 用于显示用户类消息。

4）各子系统数据接入引擎的实现。在重写组态平台接口函数和完成新程序类的设计的基础上，通过现有技术已经能够完成各子系统数据的接入和采集。各子系统数据信息表见表4。

表4 各子系统数据信息表Table 4 Data information of each subsystem

2.2.3 煤矿监控及自动化平台功能界面

煤矿监控及自动化平台功能界面是上层智能化平台的基础，是本次智能化平台升级的核心部分，除了自动化数据的采集、处理、分析和挖掘外，还要将数据以尽可能清晰、完整并实时的方式进行归集，为智能化决策提供可靠的数据来源和决策依据。

软件平台利用数据可视化技术将枯燥数字变为直观、美化的图形进行展示，融合多媒体技术，对生产过程各环节进行三维仿真模拟，加入语音、视频等元素进行有机整合，使用户面对的不再是简单的人机接口，更如同身临其境的物理操作。

2.2.4 煤矿信息管理平台

煤矿信息管理平台重点关注企业在管理、经营和安全等方面的业务需求[10]。煤矿信息管理平台架构设计图如图3。

图3 煤矿信息管理平台架构设计图Fig.3 Architecture design of coal mine information management platform

在架构上系统分为4 个主要层次：用户终端、数据业务逻辑分析、数据访问和数据存储。用户终端包含信息发布、信息浏览、信息查询和系统运维等用户应用模块；数据业务逻辑分析包含生产、安全等各子系统模块的数据分析和数据挖掘；数据访问层是连接数据存储的接口，通过类的设计隔离用户操作和底层数据从而最大限度保证数据的完整和安全；数据存储是DBMS 的物理实体，各类数据的结构化存储和可编程数据操作均有该模块完成。

在应用层面煤矿信息管理是由技术平台和业务平台2 部分有机结合而成。

技术平台采用面向对象方法，通过分析业务流程的耦合度设计数据流向和操作节点，应用或功能被分割为多个静态实例对象，对象间依靠数据进行关联和耦合，在硬件环境基础上搭建模块化业务群，从而实现对煤矿智能化业务的重新定义和流程管理。

业务平台是技术平台的延续并于技术平台无缝集成，业务平台通过一体化设计和超高灵活度的配置管理，从根本上减少了在应用维护期间的编码设计的工作量，以配置代编码的工作模式在降低系统业务复杂度的同时却极大提高了其灵活度。

3 系统平台关键技术

3.1 超融合与全生命周期管理的多重认证技术

3.1.1 基于超融合技术的服务器虚拟化应用

系统采用UniServer R4900 超融合服务器5 台，配置UIS 超融合管理软件和虚拟化软件，采用云原生、赤霄加速、多角色、混合云、智能边缘云6 大创新引擎，最终实现了“即刻共享，一步上云”的虚拟化场景。

通过超融合及虚拟化配置是及应用，完成虚拟服务器12 台，Raid5 虚拟共享存储80 T，承载应用部署86 个，全负荷工作时CPU 占用率不超过30%，保证了系统容灾、减灾的能力，在一定程度上达到了算力和网络速率的负载平衡，实现了管控平台的高可靠稳定性。

3.1.2 全生命周期管理的多重认证角色管理

在系统设计开发中，将系统功能进行分类，包括系统监测类、系统参数类和系统维护类3 个层次，3 种角色对应3 个层次，通过Session 技术进行过多重认证。全生命周期管理的多重认证角色管理如图4。

图4 全生命周期管理的多重认证角色管理Fig.4 Multiple authentication role management for full lifecycle management

以角色区分权限，实现细分功能的定制化，用户以指定角色登录，在系统中的每一个动作均实现多重认证，从而保证系统数据不被非法篡改、系统设备不被非授权控制、系统业务不被非认证操作等。系统平台通过“用户-角色-权限-多重认证”配置实现全生命周期管理的系统安全性。

3.2 智能联动预警技术

智能联动预警的关键技术在于平台将各子系统的监测点和控制点按照类别、区域、危险等级进行分类，用户可通过系统提供的配置工具可将任意点位的异常与其他控制点进行关联，并实现控制点动作的顺序延时响应。

在监测点异常判定上，平台可提供人工智能驱动的预测性分析，替代企业管理者对生产过程的风险变化做出及时响应，提高风控决策效率。平台智能联动范畴包括生产及辅助系统、安全监控与指挥系统、应急救援系统、调度通信系统等。

4 结 语

基于多源组态技术的恒姑煤矿智能化管控平台，在生产过程中实现了自动化、智能化，在企业管理中实现了信息化，在具体实践中实现了对煤矿生产控制系统工作状态的远程监控、远程诊断以及优化调度。与管控平台应用前相比，恒姑煤矿原煤年产量提升8.33%，每年减少支出208 万元，切实提高了恒姑煤矿的企业管理水平和管理效率。