宮德祥

（1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院,太原 030024；2.山西省昔陽縣煤炭工業(yè)局，山西 昔陽 045300）

沙坪煤礦是晉神公司的骨干礦井，近年來，堅持走資源整合的新型發(fā)展道路，利用信息化改造傳統(tǒng)生產及管理模式，打造“數(shù)字礦山”，為礦井持續(xù)跨越式發(fā)展提供了強勁的動力。

1 礦山綜合信息化

建設礦山綜合信息化是實現(xiàn)礦山數(shù)字化的基礎前提。實現(xiàn)信息化,需要建立信息化體系,并培養(yǎng)有關人才實現(xiàn)。綜合信息化體系必須以實時數(shù)據(jù)庫為平臺，大型平臺軟件為終端軟件提供信息化系統(tǒng)建設的一套整體方案，見圖1。

1.1 網絡平臺的概述

沙坪煤礦以工業(yè)以太網為傳輸平臺，承擔礦井安全生產綜合自動化系統(tǒng)的信息傳輸及調度中心的控制和監(jiān)測信息的傳輸，對網絡的可靠性、穩(wěn)定性、實時性、安全性均是工業(yè)級要求，需要保證網絡平臺持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地運行。采用標準TCP/IP協(xié)議和工業(yè)以太網技術，實現(xiàn)井上和井下設備所采集的數(shù)據(jù)信息和控制信息實時傳送到生產調度中心，通過網絡安全設備和應用安全策略，在保證安全的前提下與煤礦企業(yè)信息管理網絡進行互通互聯(lián)，實現(xiàn)調度統(tǒng)一指揮管理，并且滿足煤礦未來更多業(yè)務的需求。

1.2 網絡平臺的設計

1）網絡平臺設計理念。針對煤礦設計的工業(yè)以太網、網絡平臺基于千兆環(huán)網，采用單模光纖、保障各種數(shù)據(jù)高速傳輸。通過兩臺核心交換機，構建井上、井下生產各自獨立的冗余、自愈的工業(yè)環(huán)網，自愈時間小于20 ms，保證了每個環(huán)網的單點故障不會影響另一個環(huán)網的數(shù)據(jù)傳輸，保證網絡平臺穩(wěn)定可靠運行。地面辦公網絡采用光纖環(huán)網結構，辦公網絡與生產網絡各自獨立，通過網閘、防火墻進行連接，防止非法入侵，確保生產網絡安全穩(wěn)定。網絡平臺預留足夠的接口，（包括RS485總線、RJ45以太網等），為現(xiàn)有及以后需要接入環(huán)網的設備系統(tǒng)打下基礎。

2）網絡安全設計。按照安全級別要求，采用以下技術保障網絡平臺安全。①劃分IP子網，IP地址的合理規(guī)劃是設計中的重要一環(huán)，IP地址的合理分配，必須與網絡拓撲層次結構適應、滿足路由協(xié)議要求，既要有效利用地址空間，又要體現(xiàn)網絡的擴展性和靈活性，加快路由變化的收斂速度，提高路由算法的效率，還要考慮到網絡地址的可管理性。②VLAN設計，（虛擬局域網）技術可以隔離各控制系統(tǒng)之間的廣播泛濫，提高網絡性能，保證各子控制系統(tǒng)之間的獨立，最大可劃分2 094個VLAN。③網絡設備，要實現(xiàn)網絡的安全，先要保證網絡設備本身的安全性。在本系統(tǒng)中要用安全設備，提供高性能的保護，可防御網絡和應用層攻擊、拒絕服務（DoS）攻擊，以及蠕蟲、網絡病毒、特洛伊木馬、間諜軟件廣告軟件等惡意軟件。④網絡數(shù)據(jù)流的控制，采用高度安全性的、專用的、獨立網絡安全產品。安全設備將內部網絡和外部網絡完全分隔開來，嚴格控制外部黑客侵犯內部網絡。⑤網絡鏈路安全，要在網絡控制層光纜敷設時使用多芯備份光纖，當其中兩芯出現(xiàn)問題時，可用備份光纖傳輸。最后實現(xiàn)與企業(yè)信息網絡對接時，綜合自動化監(jiān)控中心是連接信息管理系統(tǒng)網絡和礦井綜合自動化控制網的核心，是網絡安全設計的重要環(huán)節(jié)，見圖2。

圖1 煤礦綜合自動化控制網絡拓撲結構示意圖

圖2 綜合自動化網絡與企業(yè)管理網絡的安全互聯(lián)示意圖

1.3 網絡平臺的建設內容

1）通過工業(yè)太網連接井上、井下各子系統(tǒng)，把系統(tǒng)設備的控制和監(jiān)控信息傳輸?shù)秸{度控制中心，經服務器進行數(shù)據(jù)采集、存儲，調度控制人員完成各子系統(tǒng)的組態(tài)編程，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，達到監(jiān)測和控制目的。

2）網絡平臺的建設內容包括以下六項：①建設調度指揮中心，包括機房裝修，不間斷供電系統(tǒng)，防雷接地系統(tǒng)；②敷設井上、井下光纖，建設冗余、具有自愈功能的光纖環(huán)網；③井上、井下網絡設備安裝、調試；④網絡管理，根據(jù)需要，劃分不同的VLAN，賦予不同的權限，訪問不同的資源，確保網絡安全；⑤設置網閘、防火墻，防止非法用戶侵入；⑥配置殺毒軟件，確保數(shù)據(jù)安全。

3）該網絡屬于工業(yè)級網絡，考慮煤礦井下滿足防爆、防塵、抗高溫潮濕、電磁干擾的要求，地面系統(tǒng)考慮抗電磁干擾的要求；各個安全生產監(jiān)控現(xiàn)場設備PLC、PC與工業(yè)以太網交換機連接的線纜使用工業(yè)級快速連接插件及線纜（工業(yè)級標準），要使連接的網絡和終端傳輸數(shù)據(jù)平穩(wěn)，并可實現(xiàn)系統(tǒng)維護方便，重新配置的靈活性。

2 工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)

沙坪煤礦生產過程自動化系統(tǒng)的主要涵蓋內容：礦井自動化調度系統(tǒng)；綜采工作面監(jiān)測系統(tǒng)；礦井主運輸監(jiān)控系統(tǒng)；礦井電力監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)；井下水泵房監(jiān)控系統(tǒng)；煤倉煤位監(jiān)測監(jiān)控；日用消防水泵房監(jiān)測系統(tǒng)；礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)；礦井水處理監(jiān)測系統(tǒng)；生活污水處理監(jiān)測系統(tǒng)；礦井鍋爐房監(jiān)測系統(tǒng)；生產過程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；實時歷史數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

2.1 礦井自動化調度系統(tǒng)

1）全礦的調度系統(tǒng)實時監(jiān)控網絡結構，具備完善的生產監(jiān)控管理功能，是將各生產環(huán)節(jié)的監(jiān)控系統(tǒng)組成全礦井統(tǒng)一的自動化網絡系統(tǒng)，并與礦井計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網，實現(xiàn)管控一體化的全礦綜合自動化系統(tǒng)。其中監(jiān)控分站的位置分散、距離較遠按生產關系和地理位置構成邏輯環(huán)型網絡結構，各監(jiān)控點通過千兆以太網絡連接為一個統(tǒng)一的控制網絡，最終接入礦調度樓調度（集控）室的工業(yè)核心交換機上，形成煤礦生產自動化系統(tǒng)。

2）選用EtherNet/IP（工業(yè)以太網+CIP協(xié)議）作為控制層網絡。主干采用光纖傳導模式，由調度中心通過9/125 μm單模光纜連接礦地面及井下的鍋爐房、通風機房、礦井維修間10/0.4 kV變電所、35 kV變電所、主斜井機房、中央變電所、盤區(qū)變電所、中央水泵房、等控制分站或控制系統(tǒng)，構成整個控制層網絡；其余如皮帶監(jiān)控系統(tǒng)用軟件編程實現(xiàn)第三方通訊就近接入網絡，順槽CST系統(tǒng)、主井皮帶變頻控制系統(tǒng)經DH+網絡接入臨近的控制分站，實現(xiàn)網絡擴展。

3）系統(tǒng)組成。①調度集控室是全礦安全生產的監(jiān)控指揮中心，所有控制信息在這里匯總并發(fā)布。根據(jù)工業(yè)EtherNet/IP環(huán)網結構，在調度室實現(xiàn)操作控制、監(jiān)測。配置6臺工控機，（礦井監(jiān)控2臺，變電所監(jiān)測1臺，報警1臺，綜采面監(jiān)測1臺，報表處理1臺）。調度室終編及服務器配置，見圖3。②集控室機房。采用地面及井下兩個單環(huán)網絡結構，根據(jù)地理位置和光纖路徑將各節(jié)點連接成光纖環(huán)網。工業(yè)以太網設備選擇德國赫斯曼公司的產品。集控室機房配置2臺多層路由核心交換機（MACH 4002）。地面、井下、通風機房等節(jié)點均用模塊化交換機（MS4128）組成環(huán)網。核心交換機采用冗余電源、冗余模塊滿足系統(tǒng)的可靠性，并提供16個百兆電口用來連接調度室工控機終端和控制設備，見圖4。礦調度監(jiān)控室是全礦安全生產的監(jiān)控指揮中心，所有的控制信息在這里匯總并由此發(fā)布。對全礦各主要生產環(huán)節(jié)及相關的輔助環(huán)節(jié)的生產過程進行實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示，對地面生產系統(tǒng)、皮帶運輸系統(tǒng)、變電所和通風機等設備進行集中監(jiān)控，同時配合工業(yè)電視系統(tǒng)進行安全圖像監(jiān)視，以確保人員及設備的安全，全面提高礦井的監(jiān)控能力。

圖3 調度室終端及服務器配置圖

2.2 綜采工作面監(jiān)測系統(tǒng)

綜采工作面涉及的設備較復雜，各廠商的傳輸協(xié)議不同，需要對設備的傳輸協(xié)議進行整合，顯示畫面統(tǒng)一實施。目前沙坪煤礦綜采工作面主要的設備有：采煤機、液壓支架、刮板運輸機、轉載機、破碎機、可伸縮膠帶機、3 300 V、1 140 V組合開關柜、泵站等設備，要對以上設備的運行情況做出詳細記錄。

1）系統(tǒng)設備。綜采面數(shù)據(jù)采集器采用KJJ108，由防爆箱殼體、協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)傳輸、地面數(shù)據(jù)整合、顯示部分組成。采煤機物理接口采用單模光纜，OPC通訊協(xié)議。雷波泵站和3 300 V、1 140 V開關柜物理接口采用RS485，Modbus通訊協(xié)議。

2）數(shù)據(jù)上傳的管理。工業(yè)光纖環(huán)網將綜采面的三機、泵站、順槽皮帶、組合開關柜的RS485信號轉化為電信號，礦調度配置一臺數(shù)據(jù)服務器，負責采集綜采面的實時數(shù)據(jù)，將讀取的信號轉化為OPC通訊協(xié)議；調度室前臺配置一臺工控機，實現(xiàn)綜采面數(shù)據(jù)的顯示。數(shù)據(jù)上傳結構示意圖，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)上傳結構示意圖

3）系統(tǒng)功能。綜采面數(shù)據(jù)上傳的監(jiān)測畫面包括：采煤機工作狀況，刮板運輸機、轉載機、破碎機工作狀況，組合開關工作狀況，噴霧泵、乳化液泵工作狀況，實時狀態(tài)及運行參數(shù)顯示，實時報警，歷史數(shù)據(jù)記錄及曲線圖。

2.3 礦井主運輸監(jiān)控系統(tǒng)

沙坪煤礦主運輸系統(tǒng)包括所有帶式輸送機（上倉皮帶、主井皮帶、順槽皮帶系統(tǒng)）。

1）系統(tǒng)組成及監(jiān)控范圍。整個運輸系統(tǒng)由上倉帶式輸送機、主斜井帶式輸送機、順槽CST帶式輸送機組成。監(jiān)控范圍包括：上倉皮帶機、皮帶機保護，主斜井皮帶機、皮帶機保護、機頭除鐵器、制動閘、機頭配電設備、機頭除鐵器、順槽皮帶機、皮帶保護、機頭配電設備、張緊裝置、制動閘。

2）主要功能。在調度室有遠控和就地選擇功能，以便操作員實現(xiàn)四種控制方式。檢修試車控制，就地控制（驅動機房控制），礦調度室集中控制（調度員控制每條皮帶單獨開停），按程序自動控制（調度員通過“一鍵式”觸發(fā)：發(fā)出起車指令，各皮帶按逆煤流啟動，發(fā)出停車指令，各皮帶按順煤流停車）。

3）監(jiān)控方案。包括上倉皮帶、主斜井皮帶、順槽皮帶，每條皮帶自帶就地控制系統(tǒng)。其中上倉皮帶、主斜井皮帶為羅克韋爾的控制系統(tǒng)，順槽皮帶為CST控制系統(tǒng)。①系統(tǒng)配置DeviceNet通訊模塊和3塊DeviceNet/Modbus通訊模塊跟三條皮帶機各自的華寧控制系統(tǒng)以Modbus協(xié)議進行通訊；通過數(shù)據(jù)讀寫實現(xiàn)對皮帶遠程起?？刂?，并將皮帶機的相關數(shù)據(jù)，如皮帶機運行參數(shù)（如開、停狀態(tài)、運行時間、主電機電流等參數(shù)）、軟啟動設備（液力耦合器）的油溫、皮帶保護系統(tǒng)中各種傳感器的信號狀態(tài)，所在地理位置（皮帶機打滑、跑偏、急停、縱撕、堆煤、煙霧、軸溫及超溫灑水等）等采集到處理器中進行處理上傳。②系統(tǒng)配置DH+通訊模塊跟順槽皮帶的CST控制系統(tǒng)的SLC以Message的方式通訊，通過數(shù)據(jù)讀寫實現(xiàn)對皮帶的遠程起?？刂疲⑵C的相關數(shù)據(jù)，例如皮帶機的運行狀態(tài)及主要參數(shù)（變頻器運行參數(shù)、主電機的電流、電壓、主電機的定子、軸承溫度、主驅動滾筒軸承溫度、張緊及制動器的運行參數(shù)等）、皮帶保護信息、地理位置（皮帶機打滑、跑偏、急停、縱撕、堆煤、煙霧、軸溫、超溫灑水等）、現(xiàn)有煤倉煤位信號等采集到處理器中進行處理上傳。

通過以上的分析研究，沙坪煤礦要實現(xiàn)“數(shù)字礦山”，建立一套完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常必要，通過數(shù)據(jù)采集分析才能最終實現(xiàn)工業(yè)自動化，才能真正達到數(shù)字礦山的建設效果。

3 結束語

實現(xiàn)“數(shù)字礦山”后，不僅實現(xiàn)地上井下的透明管理，更能利用“數(shù)字礦山”管理的可視性、信息的及時性、計算的快速性、決策的智能性，提前發(fā)現(xiàn)各種安全隱患，并對其發(fā)展趨勢、災變過程、影響程度進行仿真模擬，提供出科學合理的避災和救災方案。沙坪煤礦數(shù)字礦山建設的整個系統(tǒng)，只要實現(xiàn)了自動化，不僅大幅度降低人的勞動強度、提高生產效率，更重要的是通過無人化達到的本質安全型礦井。

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