王蕓博

（太原城市職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原 030027）

淺析數(shù)字化礦山系統(tǒng)

王蕓博

（太原城市職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原 030027）

文章主要介紹了數(shù)字化礦山系統(tǒng)的內(nèi)容與體系結(jié)構(gòu)功能，闡述了層次架構(gòu)的概念，數(shù)字化礦山體系及軟體平臺實現(xiàn)，數(shù)字化礦山子系統(tǒng)融合給煤礦行業(yè)帶來的安全生產(chǎn)優(yōu)越性，實施數(shù)字化礦山系統(tǒng)是為礦山安全生產(chǎn)保駕護航的意義所在。

數(shù)字化礦山；層次架構(gòu)；軟體平臺；子系統(tǒng)

20世紀80年代后期，我國煤炭事業(yè)得到了大力發(fā)展與開拓。中國入世后進行了工業(yè)產(chǎn)業(yè)大發(fā)展，煤炭作為一個突出能源行業(yè)更是迎來了歷史性的春天，出現(xiàn)了形形色色的礦山開采企業(yè)與開采工作。隨之而來的是高風險、高事故的發(fā)生，給人們的生活、家庭帶來了嚴重的影響，給社會也帶來了嚴重不良后果，同時對礦山的開采更是帶來了很大的難題。

我國礦山普遍存在高危隱患，如高瓦斯、高水量、高地熱、松散巖層等等因素給礦山開采帶來了重大課題。大家都在探討尋求如何開好礦、如何保安全、如何增高產(chǎn)、如何高效率、如何提高礦山企業(yè)的競爭能力，拓寬企業(yè)的大發(fā)展路子成為了心中一愿。

時代的變遷發(fā)展，經(jīng)歷了幾次工業(yè)革命，許多行業(yè)經(jīng)歷了機械化生產(chǎn)——自動化生產(chǎn)發(fā)——信息化生產(chǎn)——數(shù)字化生產(chǎn)管理，在一次次的變革中，為我們積累了經(jīng)驗、打下了基礎(chǔ)。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、自動化控制技術(shù)、數(shù)字空間技術(shù)的迅速發(fā)展，并在其他行業(yè)的應用，開始出現(xiàn)了集DCS、中央集控、調(diào)度、管理、經(jīng)營于一體的綜合數(shù)字化管理新模式，并將之引入礦山，給礦山安全生產(chǎn)發(fā)展帶來了新的保障。

一、數(shù)字化礦山系統(tǒng)概述

數(shù)字化礦山系統(tǒng)，采用了高度的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)空間技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡硬件服務平臺、自動化控制技術(shù)及儀器儀表的智能化技術(shù)。數(shù)字化礦山不是自動化、硬件、軟件的一個簡單相加，而是靠一體化縱覽全局的高度的思維與實際深入的研究，設(shè)計出一套符合礦山時代意義的框架，將各個機能和諧完美地統(tǒng)一，將礦山安全生產(chǎn)調(diào)度的決策管理智能系統(tǒng)提升到一個新的領(lǐng)域。數(shù)字化礦山是從底層儀器工作設(shè)備、自動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信平臺、硬件服務支撐平臺到軟件的開發(fā)應用，從數(shù)據(jù)中心倉儲到MIS、MES、ERP的有機結(jié)合。數(shù)字化礦山真正的概念是上升到做出正確的安全生產(chǎn)調(diào)度、安全決策分析，以及完美的控制與管理，將安全與生產(chǎn)并行、決策與管理同進。而綜合自動化系統(tǒng)只是一個單一機能的建設(shè)，并非數(shù)字化礦山的全部概念。

數(shù)字化礦山系統(tǒng)，是對井上井下完全自動化、信息化、數(shù)字化，也達到無人值守的智能化控制管理平臺，主要對礦山的風、水、電、采、掘、運、頂板、瓦斯、透水、洗選、產(chǎn)量監(jiān)控、銷售、辦公信息化管理、井上井下工業(yè)自動化環(huán)網(wǎng)及信息化平臺MES、礦山ERP等提出一套一體化解決方案，真正達到了管控一體化、智能化來為礦山安全生產(chǎn)發(fā)展保駕護航。

數(shù)字化礦山系統(tǒng)能對礦井實時情況實現(xiàn)無人值守而自動監(jiān)測、自動報警、系統(tǒng)應急預警，能確保安全檢查的準確、實時、快速運行，保證搶險救災、安全救護的高效運作，對煤炭開采各生產(chǎn)工作作出周密的調(diào)度管理，對煤炭開采各生產(chǎn)成本指標作出科學、全面的統(tǒng)計分析，對單位內(nèi)部員工作出詳盡、周密的人事安排管理，并提供全面系統(tǒng)的決策資料，成為各級領(lǐng)導對煤礦管理作出科學決策的最佳助手。

二、數(shù)字化礦山系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字化礦山是一個復雜的系統(tǒng)工程，其基本框架由工業(yè)基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)（包括工業(yè)自動化的三網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)、工業(yè)總線、工業(yè)數(shù)據(jù)通信協(xié)議）、數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)控與安全預警系統(tǒng)、實時監(jiān)控與實時安全預警系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡與辦公網(wǎng)絡及服務存儲支持平臺、綜合管理信息系統(tǒng)、軟件管理應用系統(tǒng)等多部分組成；從基礎(chǔ)理論與模型、礦山空間信息的數(shù)字化及礦山數(shù)據(jù)倉庫建設(shè)、礦山網(wǎng)絡傳輸平臺、礦山各子系統(tǒng)、各種相關(guān)業(yè)務流程、專業(yè)綜合信息化平臺相結(jié)合礦山MES、ERP等幾方面進行總體建設(shè)。

1.數(shù)字化礦山系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)字化礦山系統(tǒng)根據(jù)CIMS原理的三層架構(gòu) (即ERP／MES／PCS體系架構(gòu))理念，提出了數(shù)字化礦山體系結(jié)構(gòu)思想。在這里，數(shù)字化礦山系統(tǒng)分為“信息層”“網(wǎng)絡層”“控制層”和“設(shè)備層”四層體系結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了井上、井下各個生產(chǎn)系統(tǒng)、各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全生產(chǎn)和設(shè)備運行狀況的實時監(jiān)測和集中、遠程控制，對礦山的生產(chǎn)、運銷、管理、存儲進行有效的管理，提高了礦井生產(chǎn)自動化和管理現(xiàn)代化水平。實現(xiàn)全礦井的統(tǒng)一智能化管理（系統(tǒng)架構(gòu)圖文字解釋）。

數(shù)字化礦山系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)文字解釋：

（1）信息層（其涵蓋范圍定位）：移動遠程監(jiān)控管理；多級連網(wǎng)業(yè)務合作監(jiān)控管理；稱動辦公系統(tǒng)門戶；MES；MIS；ERP；軟體集成；GIS（虛擬現(xiàn)實）；數(shù)據(jù)倉儲中心；多業(yè)務數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)服務。

（2）網(wǎng)絡層（其涵蓋范圍定位）：數(shù)據(jù)信息傳輸平臺；無線通信；工業(yè)環(huán)網(wǎng)；企業(yè)信息網(wǎng)；安全監(jiān)管系統(tǒng)。

（3）控制層（其涵蓋范圍定位）：工業(yè)三層模型結(jié)構(gòu)；PLC；PAC；DCS；數(shù)據(jù)采集協(xié)議（P、M、I）。

（4）設(shè)備底層（其涵蓋范圍定位）：數(shù)據(jù)采集；智能設(shè)備；各生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備；I/O模塊；嵌入式接口等。

2.工業(yè)自動化三層模型

自動化控制系統(tǒng)采用自動化領(lǐng)域的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)思想，分為 Device Net、Control Net、Ether Net進行設(shè)計規(guī)劃，主線是現(xiàn)場總線架以太網(wǎng)絡的方式去實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的管理與控制，信息化的發(fā)布與傳播及環(huán)境參數(shù)等的連續(xù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、傳送、記錄、圖形顯示、數(shù)據(jù)分析計算、控制設(shè)備動作、報表輸出等功能。

（1）DeviceNet(設(shè)備層)

設(shè)備層，結(jié)合了高低壓配電集成、儀器、電器設(shè)備、變頻軟啟、智能開關(guān)等等以工業(yè)總線方式進行整合來為控制層提供服務。

隨著礦山智能設(shè)備、安全設(shè)備的產(chǎn)生與加工配套，提供了一套可行性智能型底層智能儀器儀表設(shè)備（通過實際應用與研究開發(fā)），我們將智能化深入基層，從而提高上層更為可管控的智能化程度，從而達到傳統(tǒng)與現(xiàn)代的結(jié)合，并用于我們的生產(chǎn)中。

（2）ControlNet（控制層）

控制層，是總線協(xié)議結(jié)構(gòu)體，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中監(jiān)控、操作、管理配置，對系統(tǒng)編程管控，現(xiàn)場生產(chǎn)管控執(zhí)行，它結(jié)合了工業(yè)自控專屬協(xié)議（如：Modbus、profibus等），以PLC、PAC、嵌入式等可編程控制設(shè)備來完成對底層設(shè)備的啟停與監(jiān)控相結(jié)合。控制層是對各系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，對工藝生產(chǎn)流程進行準確控制，并為上位系統(tǒng)提供精確的HMI監(jiān)控管理數(shù)據(jù)。

（3）EtherNet（信息層）

信息層，為工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)提供了形象的HMI工藝監(jiān)控業(yè)務流程、事件控制和告警，并以信息化的手段進行監(jiān)控管理，可對各工業(yè)系統(tǒng)進行流程控制與生產(chǎn)過程操作控制，完成工業(yè)自動控制監(jiān)管全過程。

數(shù)字化礦山系統(tǒng)中工業(yè)三層模型是完成工業(yè)生產(chǎn)控制與集散控制的核心所在，它完成了工業(yè)自動化的一個時代意義。工業(yè)自動化三層模型是將工業(yè)生產(chǎn)過程管理與信息管理、設(shè)備管理、集散控制進行了分布式整合，完美統(tǒng)一于工業(yè)自動生產(chǎn)中，使機械大生產(chǎn)轉(zhuǎn)型為工業(yè)自動控制生產(chǎn)。它將工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、調(diào)度、管理，以達到提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量、降低生產(chǎn)消耗、確保安全等目的。

3.礦山工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)

工業(yè)以太網(wǎng)絡技術(shù)是現(xiàn)代自動控制技術(shù)和信息網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，無論過程控制或離散控制，工業(yè)以太網(wǎng)都將是廣大工業(yè)自動化用戶的最佳選擇。

在監(jiān)控工程控制系統(tǒng)中，采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式分布控制系統(tǒng)具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點，同時也可以做到數(shù)據(jù)、語音和視頻“三網(wǎng)合一”。

工業(yè)環(huán)網(wǎng)建設(shè)采用以太網(wǎng)＋TCP/IP協(xié)議作為其通信與控制標準。工業(yè)環(huán)網(wǎng)采用光纖雙環(huán)藕合結(jié)構(gòu)，千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)的實施成功既避免了網(wǎng)絡傳輸瓶頸，又大大節(jié)省了投資。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以三層網(wǎng)絡模型為主導（核心層、藕合層、接入層）主干以全千兆全雙工模式，接入以百兆方式進行接入，藕合有一點的分中心功能進行設(shè)計。

工業(yè)環(huán)網(wǎng)保證了數(shù)字礦山系統(tǒng)運行，基于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)管與控制相融合統(tǒng)一，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，監(jiān)控管理和諧統(tǒng)一，將各生產(chǎn)子系統(tǒng)完美整合到一個監(jiān)管平臺中來，結(jié)束了工業(yè)時代的“八國連軍”混戰(zhàn)的局面，將分散的生產(chǎn)系統(tǒng)整合，將礦山信息孤島進行融會貫通。

4.礦山辦公網(wǎng)絡系統(tǒng)

作為重要的能源生產(chǎn)型行業(yè)，沒有信息化網(wǎng)絡將對其發(fā)展產(chǎn)生重大制約，對礦山安全生產(chǎn)管理、科學化管理、科學化策略等方面有重大影響。礦山的高度發(fā)展，應當以當代先進的科學武器為后盾，以更為科學化的生產(chǎn)方式、管理方法來迎接明天的輝煌，因此我們就要用最先進的利器“網(wǎng)絡”來為我們提供服務。

信息網(wǎng)絡建設(shè)采用TCP/IP協(xié)議作為其通信標準，以信息化園區(qū)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為主導思想，將網(wǎng)絡分級分工，易于操作與管理。信息網(wǎng)絡模式采用光纖分布星型與擴展星型結(jié)構(gòu)架設(shè)，可采用大型應用，選擇多業(yè)務化多元化的分段分工，走全動態(tài)路由或全靜態(tài)路由模式進行分工合作，在網(wǎng)絡安全上也做出標準定位，保證網(wǎng)絡安全、信息大集成、融合各部各業(yè)務范圍。

有了網(wǎng)絡，我們能信息一體化、管理一體化、生產(chǎn)一體化、安全生產(chǎn)管理一體化，最終實現(xiàn)了礦山所需要的“管控一體化服務”，這樣上級與下級直到生產(chǎn)現(xiàn)場都是一個透明的管理過程，更有利于發(fā)展，更有利于生產(chǎn)效率的提高，對生產(chǎn)、管理、煤礦安全控制更為有效。

5.工業(yè)子系統(tǒng)接入

礦山工業(yè)子系統(tǒng)融合接入是數(shù)字化礦山實現(xiàn)的重要點，它將礦山各功能子系統(tǒng)完美統(tǒng)一到一個平臺中管理監(jiān)測與控制，由此也將工業(yè)自動化中的“DCS”進行了新意義的詮釋。

礦山子系統(tǒng)從數(shù)量功能上、工業(yè)標準上、數(shù)據(jù)通訊協(xié)議上、地域位置上都各有不同、混亂不堪，如何走統(tǒng)一路線呢？這就需要我們從工業(yè)總線時代向信息TCP/IP時代靠近過渡。在子系統(tǒng)接入方面，我們采用如下方式進行接入：上位機接入、PLC接入、子網(wǎng)絡接入、擴展接入、自主研發(fā)嵌入式接入、子系統(tǒng)軟件接入方式、OPC通訊、驅(qū)動通訊、DDE/NetDDE。

子系統(tǒng)的接入需要編程開發(fā)、嵌入式二次開發(fā)、數(shù)采集器與通信網(wǎng)絡和網(wǎng)絡服務通信接口、數(shù)據(jù)通訊接口等來整合到統(tǒng)一管理平臺中來。

接入后系統(tǒng)保證功能與性能完整，接入管理平臺是以嵌入式開發(fā)，系統(tǒng)完全符合各礦山應用監(jiān)控系統(tǒng)工藝流程與監(jiān)控監(jiān)測，并集成原有系統(tǒng)的主要功能，提供集散控制方式、遠程控制方式。

通過子系統(tǒng)的融合，我們初步讓礦山實現(xiàn)了一個中高度的統(tǒng)一合作，生產(chǎn)、分工管理、監(jiān)視、監(jiān)控統(tǒng)一到一個平臺中來，同時也為我們的上層建筑提供了服務基礎(chǔ)。

6.系統(tǒng)聯(lián)動集成

數(shù)字化礦山系統(tǒng)的高度與標準就是一體化的監(jiān)控管理與服務、系統(tǒng)的聯(lián)動集成完美統(tǒng)一。讓管理者、決策者足不出戶或是讓遠程監(jiān)管者只需動動鼠標便能了解礦山的整體情況與各生產(chǎn)系統(tǒng)的詳情、礦山各業(yè)務部門的工作情況等等，讓管理者更為出色，讓決策者更為精明，對礦山的安全生產(chǎn)運行、動態(tài)分配監(jiān)管了如指掌。

數(shù)字化礦山系統(tǒng)聯(lián)動集成涵蓋了以下方面：

（1）軟件方面

軟體是礦山管理最為形象與直觀的管理手段，一切都在標準中進行。各個業(yè)務系統(tǒng)的不同更有相應的軟件作為支撐，如何讓這些業(yè)務進行融合，礦山軟體如何監(jiān)測控制數(shù)據(jù)分析處理、倉儲、生產(chǎn)監(jiān)控、運銷供存、財務管理、輔佐決策生產(chǎn)，讓各類軟件系統(tǒng)統(tǒng)一到一個軟件平臺上來，這都是我們要達到的目標，也是我們所說的多級模型聯(lián)動管控。

系統(tǒng)需要融合一個作業(yè)多鏈來完成，簡述為“PCS向MES提升，MES向MIS提升，MIS向ERP融合”。打造出一套符合安全生產(chǎn)、符合調(diào)度管理、符合決策輔佐，并分級分模塊化，數(shù)據(jù)倉儲中心，分級管理級別與權(quán)限化實施。

虛擬現(xiàn)實監(jiān)控監(jiān)測，數(shù)字三維真實地模擬出礦山的現(xiàn)實場景，數(shù)字化三維礦井集成了先進的信息技術(shù)、礦山控制技術(shù)、三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，在此基礎(chǔ)上也高度地集成了礦井安全監(jiān)控信息、人員定位信息、設(shè)備管理信息、井下智能交通信息、礦井儲量與煤層分布信息、產(chǎn)量監(jiān)控信息、災害預警信息、礦井綜合自動化等系統(tǒng)信息，描述了礦山中每一點的全部信息，并將所有信息通過三維框架直觀地展示，賦予了煤炭工業(yè)嶄新的內(nèi)容。

（2）硬件平臺方面

將各業(yè)務系統(tǒng)盡可能統(tǒng)一通訊監(jiān)控管理接口，統(tǒng)一傳輸方式與傳輸介質(zhì)，硬件方面實現(xiàn)最大的兼容性、和諧性，將紛繁復雜的進行簡單快捷化。

（3）業(yè)務系統(tǒng)方面

業(yè)務系統(tǒng)以最優(yōu)化方式進行融合，技改所有的發(fā)布方式，采用B/S方式，采用多業(yè)務、多元化、多接口化進行系統(tǒng)部署。

（4）功能監(jiān)控方面

系統(tǒng)功能聯(lián)動實現(xiàn)，將礦山的“一通三防”井上下的風水電采掘運、安全監(jiān)控系統(tǒng)、地面生產(chǎn)輔佐系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)管系統(tǒng)、決策管理系統(tǒng)上下統(tǒng)一，牽一發(fā)而動全身。如礦山中的瓦斯過高——風機風量加大啟動——人員安全疏散啟動——應急預案系統(tǒng)啟動——調(diào)度指揮啟動——決策管理啟，從而來保證礦山系統(tǒng)生產(chǎn)安全，同時也體現(xiàn)數(shù)字化礦山的優(yōu)勢所在。

7.Portal門戶移動辦公遠程管控

隨著電子商務的發(fā)展，越來越多的企業(yè)正在考慮或建設(shè)不同程度的企業(yè)信息門戶平臺來進一步提升企業(yè)的核心競爭力。礦山發(fā)展的競爭力也在于對外形象的展示，讓外界了解認識，從而提高礦山知名度，提高經(jīng)濟效益。

門戶從功能特性上講，對內(nèi)則是管理和查詢?nèi)粘I(yè)務的公用平臺，同時也可遠程OA辦公、監(jiān)控管理；對外則是網(wǎng)站及時向客戶和合作伙伴提供產(chǎn)品、服務的信息平臺。將行業(yè)滲透、信息互動、及時交流融為一體，從而為礦山發(fā)展提供動力。

三、結(jié)束語

時代的發(fā)展，工業(yè)的騰飛，人們將高科技也深入到基層，面向應用來為礦山的安全生產(chǎn)管理保駕護航，而如今信息化、數(shù)字化時代的進步更是讓礦山的安全發(fā)展邁上了新的歷史階段。

1.數(shù)字化礦山系統(tǒng)的必要性

數(shù)字化礦山系統(tǒng)是順應了時代歷史的潮流，應用了科學發(fā)展的手段來為礦山服務。通過將礦山各系統(tǒng)融合協(xié)作統(tǒng)一，礦山綜合自動化PCS,MES，MIS及ERP一體化解決方案，實現(xiàn)了礦山的生產(chǎn)過程監(jiān)控及實時調(diào)度自動化目標、決策管理智能化的新概念。

數(shù)字化礦山是一個復雜的系統(tǒng)工程，也是一個科學的系統(tǒng)的概念，是科學化發(fā)展的要求，數(shù)字礦山的實施，是對我國礦山資源行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化重組，應對國際市場競爭力，面對高危礦山行業(yè)安全生產(chǎn)有著重要的作用。

2.數(shù)字化礦山系統(tǒng)意義

數(shù)字化礦山系統(tǒng)讓礦井設(shè)計、生產(chǎn)和管理等都在數(shù)字化狀態(tài)下計算監(jiān)控運行，依靠數(shù)字化系統(tǒng)來處理礦山各業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為安全生產(chǎn)和決策管理提供先進的科學手段。由傳統(tǒng)方式向現(xiàn)代方式的飛躍，是提高安全生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提升競爭力和管理水平的有效途徑。數(shù)字化礦山意義所在：

（1）對礦山系統(tǒng)設(shè)備進行實時監(jiān)視監(jiān)控；

（2）利用數(shù)字化減少對人才物力的支出，達到減員增效；

（3）改善了礦山開采工人的勞動強度，保證了工人的人生安全家庭幸福；

（4）有力地保障了礦山生產(chǎn)安全管理；

（5）有力地保證了礦山?jīng)Q策管理；

（6）對礦山安全進行了預報警管理；

（7）實現(xiàn)礦山安全應急預案管理；

（8）從此礦山安全生產(chǎn)不再是祈望的神話。

構(gòu)建數(shù)字化礦山，以信息化、自動化和智能化帶動礦山的改革與發(fā)展，開創(chuàng)安全、高效、高產(chǎn)、綠色和諧可持續(xù)的發(fā)展新模式，是實現(xiàn)礦山全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

TD

A

1673-0046（2010）10-0168-03