王琛琛， 鄒 濤， 王金波， 曹輝勇， 張 博

(北京瑞賽長城航空測控技術(shù)有限公司，北京 100176)

2020年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局、應(yīng)急管理部、國家煤礦安全監(jiān)察局、工業(yè)和信息化部、財政部、科技部、教育部聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1]中明確指出要提高煤礦智能化技術(shù)與裝備水平，加快實現(xiàn)井下和露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監(jiān)控。實現(xiàn)礦用制氮裝置的本地自動化運行與遠程集中監(jiān)控將解決長久以來煤礦用制氮裝置手動操作煩瑣、啟動時間長、需要手動記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)等自動化程度較低和難以集中監(jiān)測的問題[2]，是推動煤礦安全保障的自動化、智能化進程中的重要環(huán)節(jié)。

當前，對礦用制氮裝置的自動化監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)研究多是以PLC為核心實現(xiàn)對制氮裝置自動化控制和現(xiàn)場觸摸屏顯示[3]。在此基礎(chǔ)上，王選亮[4]提出了一種將PLC采集到的數(shù)據(jù)通過Modbus協(xié)議接入到煤礦多功能網(wǎng)絡(luò)交換機，多功能網(wǎng)絡(luò)交換機再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號上傳到地面服務(wù)器進行終端平臺監(jiān)控的方案。但是在煤礦遠距離通信的過程中，多協(xié)議轉(zhuǎn)換和串口傳輸速度的限制將會產(chǎn)生信號延時和指令響應(yīng)速度的問題，同時其系統(tǒng)數(shù)據(jù)連續(xù)完整性缺乏冗余措施，對制氮裝置及其配套空壓機的運行現(xiàn)場環(huán)境也沒有直觀有效的視頻監(jiān)控手段。

為了提高對多套制氮裝置的集中監(jiān)控能力，需要進一步增強制氮裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性、直觀性和智能化水平。筆者在梳理制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了一種基于iFIX組態(tài)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制平臺的制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用PLC對制氮裝置運行狀態(tài)進行終端監(jiān)測和控制，通過集成工業(yè)以太網(wǎng)攝像機對設(shè)備運行現(xiàn)場進行視頻監(jiān)控。其中，PLC和工業(yè)以太網(wǎng)攝像機均通過制氮裝置控制箱內(nèi)置的工業(yè)以太網(wǎng)交換機模塊直接并入TCP/IP光纖環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，可顯著提高制氮遠程監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦復(fù)雜電磁環(huán)境和遠距離通信狀態(tài)下的實時性和穩(wěn)定性；系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中采取了充分的冗余措施以確保其可靠性；考慮到煤礦智能化[5-6]發(fā)展趨勢，對軟件框架、系統(tǒng)組態(tài)、相關(guān)協(xié)議標準等方面進行設(shè)計，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)靈活，從而可實現(xiàn)多系統(tǒng)融合聯(lián)動；遠程監(jiān)控軟件工作界面簡潔易用且實現(xiàn)全要素可視化，具備設(shè)備遠程一鍵安全啟動、故障自診斷評估、動態(tài)實時報警等智能化操作功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對多套礦用制氮裝置進行遠程聯(lián)合監(jiān)測控制。為保證制氮裝置穩(wěn)定自動運行和遠程監(jiān)控實時高效，本系統(tǒng)結(jié)合了計算機技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、信息技術(shù)、組態(tài)技術(shù)和智能控制技術(shù)，設(shè)計了制氮裝置控制系統(tǒng)及其遠程監(jiān)控中心平臺，根據(jù)煤礦現(xiàn)場應(yīng)用場景優(yōu)化設(shè)計了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保障系統(tǒng)可穩(wěn)定高速運行。

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)包括作為接入層的制氮裝置控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和核心層的中心站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

中心站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用星狀千兆以太網(wǎng)，制氮監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用由多臺以太網(wǎng)交換機組建的工業(yè)以太網(wǎng)冗余環(huán)網(wǎng)[7-9]。由于煤礦現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，制氮裝置控制箱內(nèi)部均集成以太網(wǎng)交換機模塊，多套制氮機控制系統(tǒng)直接組建光纖環(huán)網(wǎng)，極大地提高了系統(tǒng)的通信速率和響應(yīng)速度。

中心站監(jiān)控部署兩臺SCADA服務(wù)器(SCADA1和SCADA2)作為雙機熱備份[10]，一主一備，互為冗余。交換機配置如下。

① 制氮裝置控制箱交換機：采用工業(yè)以太網(wǎng)卡軌式網(wǎng)管型交換機，端口模塊化，支持4個100/1000 Mbit/s SFP接口，8個10/100 Mbit/s RJ45端口，滿足本質(zhì)安全要求，支持多種拓撲冗余協(xié)議，以及遠程監(jiān)控和管理功能。

② 中心站核心網(wǎng)絡(luò)交換機：工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)管型機架式交換機，4個1000 Mbit/s SFP接口，16個100 Mbit/s RJ45接口，支持DT-Ring協(xié)議簇及RSTP等冗余組網(wǎng)機制。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

制氮裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體上可分為制氮裝置控制系統(tǒng)和遠程監(jiān)控中心平臺這兩個部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

制氮裝置控制系統(tǒng)的控制單元以PLC為核心，配接關(guān)鍵節(jié)點的傳感器和執(zhí)行器，根據(jù)制氮工藝流程設(shè)計控制邏輯，實現(xiàn)制氮裝置全自動運行。另外，可實時獲取制氮機組入口溫度、管道溫度、空氣壓力、氮氣補償壓力、氮氣流量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過深化整機數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)機組自動運行、設(shè)備故障自診斷、緊急故障處理、性能趨勢等智能化運行。同時，制氮自動控制系統(tǒng)將采集的設(shè)備狀態(tài)信息、工藝流程參數(shù)和現(xiàn)場監(jiān)控視頻等通過以太網(wǎng)模塊傳輸?shù)较到y(tǒng)環(huán)網(wǎng)，再經(jīng)由中心站核心網(wǎng)絡(luò)交換機轉(zhuǎn)發(fā)至遠程監(jiān)控中心平臺。

遠程監(jiān)控中心平臺主要由工作站、服務(wù)器和相關(guān)外接設(shè)備組成。服務(wù)器負責采集制氮控制系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的存儲和處理功能，并交由工作站調(diào)用。工作站對數(shù)據(jù)進一步處理和顯示，監(jiān)管人員可通過客戶端軟件平臺對制氮裝置進行遠程控制，控制指令經(jīng)由以太網(wǎng)下發(fā)至制氮控制系統(tǒng)執(zhí)行。

2 制氮裝置控制系統(tǒng)

2.1 制氮裝置控制系統(tǒng)組成

制氮裝置控制系統(tǒng)的主要功能是對制氮工藝流程的全過程進行狀態(tài)監(jiān)測和控制，同時對現(xiàn)場運行環(huán)境進行視頻監(jiān)控。其既能夠執(zhí)行中心站軟件監(jiān)控平臺的指令以實現(xiàn)遠程控制，又能夠?qū)崿F(xiàn)本地控制。當遠程控制出現(xiàn)故障時，工作人員仍可以通過本地控制就近保障制氮裝置正常運行。

制氮控制系統(tǒng)按功能可劃分為以下4個部分。

① 電氣控制。制氮控制系統(tǒng)的電氣控制部分是數(shù)據(jù)采集和終端控制的關(guān)鍵執(zhí)行部分。該部分采用西門子S7-1200系列PLC作為控制器[11]，組合I/O模塊和智能儀表(傳感器/變送器)、執(zhí)行器、空壓機控制器之間使用電纜進行一對一連接。通過現(xiàn)場總線協(xié)議完成對制氮裝置工藝流程的溫度、壓力、流量、氮氣純度等相關(guān)數(shù)據(jù)的實時采集，以及對空壓機、電磁閥等執(zhí)行器的精準控制。

② 視頻監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)采用?？低暩咔寰W(wǎng)絡(luò)攝像機對制氮裝置及現(xiàn)場進行視頻監(jiān)控，同時具備熱成像溫度監(jiān)測、煙火監(jiān)測報警等功能。

③ 人機交互界面(Human Machine Interface,HMI)?？刂葡到y(tǒng)人機交互功能通過威綸通MT8071IP觸摸屏和控制箱體按鈕實現(xiàn)。控制器PLC與顯示屏之間采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互,按鈕則直接接入PLC數(shù)字量輸入作為開關(guān)，實現(xiàn)相關(guān)功能選擇。現(xiàn)場工作人員可通過HMI顯示的傳感器數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備啟停等內(nèi)容進行手動控制操作。

④ 通信單元。PLC和網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過交換機模塊接入到制氮控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了制氮控制系統(tǒng)與中心站上位機實時、穩(wěn)定的遠程數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 制氮裝置自動控制邏輯

制氮裝置的工藝流程主要經(jīng)過了壓縮、凈化、分離3個階段。實際制氮裝置主要由空壓機組和制氮機組兩個部分組成，空壓機組壓縮空氣輸送到制氮機組，制氮機組完成對壓縮空氣的凈化和分離。制氮裝置自動控制流程圖如圖3所示。

圖3 制氮裝置自動控制流程圖

制氮裝置啟動運行后，控制系統(tǒng)首先進行初始化處理，即檢測裝置各設(shè)備狀態(tài)是否能夠正常運行，若有設(shè)備異常則系統(tǒng)會報警提示。初始化后各傳感器開始啟動工作，采集不同工藝節(jié)點的溫度、壓力、流量等動態(tài)數(shù)據(jù)，PLC對傳感器(控制器)采集的各項數(shù)據(jù)進行處理，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在問題，PLC會進入異常和故障處理程序控制聲光報警器發(fā)出聲音和燈光報警提醒，同時顯示屏和中心站監(jiān)控軟件也會彈窗提示。只有在裝置設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)符合啟動條件的情況下，制氮控制系統(tǒng)才能完全啟動。同時，裝置在運行過程中如果出現(xiàn)狀態(tài)或者數(shù)據(jù)異常，PLC也會進入異常和故障處理程序，并根據(jù)不同的故障類型做分級報警和故障處理。

制氮控制系統(tǒng)完全啟動后，PLC與空壓機控制器通過Modbus-RTU協(xié)議進行通信，啟動空壓機。系統(tǒng)進入制氮控制程序，排污閥進行自動定時排污(每15 min開啟3 s)，并將結(jié)果上傳到中心站?？諌簷C正常啟動后為制氮機組的入口注入壓縮空氣，通過管道入口的壓力傳感器和溫度傳感器檢測入口空氣壓力和溫度。如果空氣壓力超過1.2 MPa，系統(tǒng)開啟卸壓閥并進行超壓報警提示檢查空壓機組，PLC同步控制空壓機組停機。如果入口溫度超過40 ℃，系統(tǒng)給出超溫報警提示并檢查入口冷卻器，同時緊急停車處理。當入口空氣壓力0.4 MPa≤P≤1.2 MPa時，系統(tǒng)閥開啟，壓縮空氣進入氮氣分離處理流程。

經(jīng)過多級過濾器“凈化”預(yù)處理的壓縮空氣，根據(jù)不同工藝要求通過不同分離材料，實現(xiàn)氮氣和其他空氣組分的分離。系統(tǒng)經(jīng)制氮機組出口管道處的氮氣濃度傳感器檢測分離后富集的氮氣濃度，當?shù)獨鉂舛取?7%時，控制切換閥開啟，輸出合格的高純度氮氣，通過電動執(zhí)行器控制氮氣輸出流量，瞬時流量和累計流量經(jīng)氮氣流量傳感器進行檢測。當檢測到氮氣濃度<97%時，系統(tǒng)控制切換閥關(guān)閉，將不合格的氮氣排空。至此，制氮裝置可實現(xiàn)自動運行控制，具體工藝安全參數(shù)設(shè)定需要結(jié)合煤礦現(xiàn)場環(huán)境進一步調(diào)整，以保證制氮控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

3 制氮遠程監(jiān)控軟件設(shè)計

3.1 制氮遠程監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

制氮遠程監(jiān)控軟件是基于iFIX5.8系列工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)的過程監(jiān)測控制軟件，支持Windows操作系統(tǒng)，同時具有易用性、實時性、通用性和安全性。該軟件采用C/S架構(gòu)設(shè)計，使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行處理、歸檔。SCADA服務(wù)器作為iFIXServer,部署兩臺數(shù)據(jù)服務(wù)互為冗余，配置NVR服務(wù)器存儲設(shè)備運行環(huán)境現(xiàn)場可視化視頻。

iFIX5.8組態(tài)軟件無法直接與PLC、DCS等過程控制硬件直接連接，必須通過配置相應(yīng)的驅(qū)動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，I/O驅(qū)動器將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻IT(驅(qū)動器映像表)，然后經(jīng)過SAC(掃描報警控制)存儲到PDB(過程數(shù)據(jù)庫)完成數(shù)據(jù)存儲、報警、生成報表等過程。利用iFIX軟件的人機交互功能，客戶端通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)最終以圖表、動畫等形式顯示到工作界面上。iFIX軟件數(shù)據(jù)流向圖如圖4所示。

圖4 iFIX軟件數(shù)據(jù)流向圖

軟件開發(fā)主要分為數(shù)據(jù)庫和客戶端兩個部分。在SCADA服務(wù)器上創(chuàng)建SQL Server數(shù)據(jù)庫，采用4級標簽命名法，明確系統(tǒng)、設(shè)備、部件和參數(shù)之間的聯(lián)系，減少了實時數(shù)據(jù)庫重復(fù)標簽出現(xiàn)的概率，同時提高了數(shù)據(jù)庫的檢索速度?？蛻舳瞬糠指鶕?jù)設(shè)備屬性和用戶需求主要完成了制氮裝置工藝流程和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)顯示統(tǒng)計、遠程操控、實時預(yù)測報警、數(shù)據(jù)報表曲線統(tǒng)計、現(xiàn)場視頻監(jiān)控、裝置維護保養(yǎng)記錄和用戶權(quán)限管理等功能。其中，遠程控制功能可實現(xiàn)遠程全自動控制、遠程單機控制、遠程聯(lián)控等多種控制方式。制氮遠程監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 制氮遠程監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 工作圖形界面設(shè)計

制氮監(jiān)控軟件圖形界面的主要功能是集中顯示多套制氮裝置的設(shè)備運行情況以及對現(xiàn)場設(shè)備進行調(diào)節(jié)、控制，當有異?；蚬收习l(fā)生時，工作界面將進行報警提示并記錄報警信息和異常故障內(nèi)容。系統(tǒng)采用服務(wù)器-HMI的形式，HMI內(nèi)不加載PDB直接調(diào)用SCADA服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)。圖形界面利用iFIX集成的Active控件和VBA腳本制作。

制氮裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)畫面布局主要分為4個部分：頂部標志區(qū)、中部顯示區(qū)、底部日志區(qū)和左側(cè)導(dǎo)航區(qū)，詳細設(shè)計內(nèi)容如下。

① 標志區(qū)：顯示系統(tǒng)名稱、當前時間和軟件版本號。

② 顯示區(qū)：軟件的功能顯示區(qū)。根據(jù)導(dǎo)航菜單的不同功能，將在顯示區(qū)切換顯示對應(yīng)的具體內(nèi)容，默認顯示制氮工藝流程實時動態(tài)。

③ 日志區(qū)：顯示系統(tǒng)運行過程中不同事件標志發(fā)生事件和簡要內(nèi)容(包括異常報警事件)。

④ 導(dǎo)航區(qū)：軟件主要功能導(dǎo)航區(qū)。主要包括工藝流程組態(tài)實時顯示、制氮機和空壓機狀態(tài)參數(shù)實時顯示、控制參數(shù)和量程參數(shù)的設(shè)置、視頻監(jiān)控畫面、報警歷史、歷史曲線、保養(yǎng)記錄、登錄注銷等功能。

軟件利用vxDATA數(shù)據(jù)控件通過ODBC協(xié)議從SQL數(shù)據(jù)庫調(diào)用各套制氮裝置的空氣壓力、氮氣壓力、氮氣流量、氮氣濃度、濾芯耗時、管道溫度、加熱器溫度、閥門狀態(tài)、運行時間、空壓機狀態(tài)等參數(shù)，從NVR監(jiān)控服務(wù)器獲取制氮裝置現(xiàn)場狀態(tài)視頻，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析處理、統(tǒng)計存儲，實現(xiàn)制氮裝置的動態(tài)預(yù)測報警、歷史數(shù)據(jù)報表、實時趨勢曲線、狀態(tài)趨勢圖和制氮量統(tǒng)計表等功能。而且，系統(tǒng)預(yù)留豐富的軟件接口，可與現(xiàn)有主流安全監(jiān)控系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)中心平臺等進行深度融合聯(lián)動。工作人員可通過監(jiān)控軟件實現(xiàn)控制參數(shù)設(shè)置、量程參數(shù)修改和制氮裝置遠程一鍵啟停，從而完成對制氮裝置的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對制氮裝置的監(jiān)、管、控平臺一體化。

4 工業(yè)試驗應(yīng)用

完成系統(tǒng)整體搭建后，進行系統(tǒng)初步檢驗聯(lián)調(diào)，確保產(chǎn)品各項性能指標符合相關(guān)標準要求。在系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)過相關(guān)防爆及安全認證合格后進行工業(yè)現(xiàn)場試驗，監(jiān)控軟件工作界面如圖6和圖7所示，部分試驗數(shù)據(jù)如8和圖9所示。結(jié)果表明，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，安全保障機制完備。系統(tǒng)的動態(tài)實時監(jiān)測、遠程控制啟停、視頻實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表等多項功能均滿足預(yù)期需求。同時，系統(tǒng)能實時監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)的異常情況，當相關(guān)設(shè)定值超過預(yù)期或者短時間內(nèi)的變化趨勢接近風(fēng)險預(yù)測狀態(tài)時，會自動進入緊急安全模式，同時給出報警提示，提醒工作人員進行處理，從而有效防范了風(fēng)險。

圖6 制氮監(jiān)控軟件工作主界面

圖7 制氮監(jiān)控軟件視頻監(jiān)控界面

圖8 制氮裝置部分運行記錄

圖9 氮氣含量曲線圖

5 結(jié)束語

針對礦用制氮裝置自動化程度較低和缺乏有效的統(tǒng)一監(jiān)管措施的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種以PLC、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)組態(tài)軟件為基礎(chǔ)的制氮裝置無人值守遠程監(jiān)控解決方案。制氮裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)集數(shù)據(jù)(視頻)采集、設(shè)備控制、信息傳輸為一體，綜合考慮了制氮工藝流程、煤礦應(yīng)用安全性、系統(tǒng)總體穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，以及各制氮裝置的部署位置，實現(xiàn)對礦用制氮裝置及其運行環(huán)境實時全方位智能化監(jiān)管，具有較高的可靠性、時效性和擴展性，既提高了煤礦安全生產(chǎn)的保障水平，又完成了固定崗位減人增效的目標，卓有成效地推動了煤礦智能化的發(fā)展。與此同時，后續(xù)研究將對組態(tài)軟件采集的數(shù)據(jù)進行深入挖掘分析，借助大數(shù)據(jù)相關(guān)算法，為系統(tǒng)智能決策提供更可靠的依據(jù)。