现代化矿井中自动化监控系统的设计与应用研究

现代化矿井中自动化监控系统的设计与应用研究【摘要】随着我国开采煤炭技术的发展，一些大型煤矿不断向现代化高产高效、生产集约化方向发展，生产设备及控制配套设施日益先进，为了保障矿井安全、可靠地生产，本文设计了自动监控系统的结构，整个系统由信息层、控制层、和设备层三层体系构成。并详细介绍了该系统中的硬件及软件结构、模拟量的检测实现。系统以工业以太网为核心，实现了各子系统的无缝集成和安全生产实时数据的 Web 浏览和显示。实际应用表明，该系统能够有效地对矿井进行实时监控，提高了对矿井监控的自动化程度和运行可靠性。【关键词】煤矿矿井 自动监控 程序随着我国开采煤炭技术的发展，一些大型煤矿不断向现代化高产高效、生产集约化方向发展，生产设备及控制配套设施日益先进，作为与煤矿安全生产息息相关的煤矿监控技术也在不断完善和提高，已从单一的环境安全监控向全矿井综合自动化监控方向发展。同时随着矿井生产集约化程度的提高，必然要求生产设备工作稳定性和可靠性也需相应提高，这同样也要求对设备工况的监控做到实时、准确和快速。传统的以人工管理为主的控制管理体系存在人力消耗大，单位人员费效比低，设备管理维护水平低，能源利用率不高，长期存在浪费等一系列问题，为有效地克服这些缺陷，提高企业的综合管理水平，本文以煤炭行业井下监控系统为例，在现代计算机网络技术、现场总线及数据库技术基础之上专门针对煤炭行业的特点设计出基于 PLC 和组态监控软件的矿井自动化监控系统。1、自动化监控系统概况1、系统简介全矿井综合自动化监控系统，是一个 1000Mbps 亢余工业以太网井上、下自动化控制网络平台，是以工业以太网为核心，整合矿井的各项自动控制系统，通过防火墙与矿级管理系统组成高速统一的整体网络结构，实现了全矿井的管控一体化。 整个系统为信息层、控制层、和设备层三层体系结构。控制层采用工业以太网，设备层采用现场总线，保证了现场子系统的实时性，实现了井上、下皮带运输、通风、排水、井下供点等井下主要安全生产环节和装备运行状况的实时监测和集中、远程控制，有效地提高了矿井生产自动化和管理现代化水平。实现全矿井的统一管理与数据供享。煤矿工业以太网主要由三部分组成：地面部分、井下部分、井下部分及传输信道部分。地面部分由：地面环网接口、监控主机、监控备机、监控服务器、地面数据服务器、防火墙、地面交换机及客户端等组成。井下部分由：防爆交换机、各种监控分站或装置等组成。传输信道由：环网住传输干道、地面网络数据传输通道、井下防爆交换机连接各和种监控分站或装置及传感器的阻燃电缆2、系统特点系统各部件全部都采用工业级产品，确保系统 24 小时连续可靠的运行。工作时整个网络成链状结构，环网亢余，快速建立网络工作拓扑结构以及连接恢复，恢复时间小于 300 毫秒。系统提供了多种符合国际主流标准的接口方式，便于各种子系统的接入采用 B/S 结构，基于 IE 浏览器，客户端零配件。合理实用的分级工致模式，在充分保留各子系统功能特点的基础上，有效的整合子系统，通过严格的认证后，可在任何一台工作站上实现对井上井下所有设备的控制。具有各种数据查询、曲线显示、报表输入、逐级报警、数据分级管理、报警记录、故障记录及完整的事件记录等功能。强大的数据整合及处理功能，为整个矿的现代化综合管理提供数据基础，真正意义上实现全矿井的综合自动化控制管控一体化。系统数据与井下视频数据可实现全面关联：在图形动画（动态图）中可点击浏览当前区域内视频信号，当一区域内瓦斯出现报警或其它参数出现故障，系统自动弹出当前区域内视频信号窗口。系统以工业以太网为核心。实现了各子系统的无缝集成和安全生产时实数据的 Web 浏览和显示。3、系统功能系统以工业以太网为核心，实现了各子系统的无缝集成和安全生产时实数据的 Web 浏览和显示。系统提供了多种符合国际主流标准的接口方式，便于各种子系统的接入。矿用常见监测系统可通过 OPC，DDE，FTP 接口安全，准确的接入全矿井中和自动化系统。系统解决了各种安全生产监测监控系统各自独立、相互封闭、传输速率低、不能实现综合业务传输、与企业上层管理信息网络连接困难而导致的信息不能互相共享和融合等问题。实现了矿井各种监控、监测信息的共享、集成、融合信息综合利用，为矿井提供生产、安全层的基于信息融合技术的支持，有效提高了矿井安全生产指挥决策的科学性、有效性。全矿井自动化系统的数据全面提高，系统随时对井下环境参数（生产参数，设备状况，人员定位）进行区域性综合数据分析与评估，出现异常立即报警，并提示事故处理流程当用户根据流程安全的排除了事故后，系统方自动解除报警。系统数据与井下视频数据可实现全面关联：在图形动画中可点击浏览当前区域内视频信号，当一区域内瓦斯出现报警或其它参数出现故障，系统自动弹出当前区域内视频信号窗口。系统功能齐全、人机界面友好，具有语音报警功能。强大而快速的短信快车功能：当系统出现异常后，短信快车系统会以短信的方式将报警信息发送到领导手机上系统采用工业以太网式传输方式，数据传输质量高，抗干扰能力强，并实现了网络传输的硬件亢余。系统软件可在 WIN2000 和 WIN XP 系统下运行，由于操作系统需要支持多项任务，因此在运行监控系统软件的同时，还可以运行其它软件。系统操作简单，功能强大，并具有众多窗口和多种方法供用户对时实数据，运动状态，历史曲线趋势等进行查阅、浏览和打印传输。各子监测系统数据查询系统统计分析列表显示功能。开关量显示内容包括地点、开/停时刻、状态、工作时间、开停次数、传感器状态等。累计量显示内容包括地点、名称、单位等，并可分类显示。系统具有模拟量实时曲线可历史曲线显示功能。在同一坐标上用不同颜色显示曲线的最大值、最小值。用户可根据实地情况绘制全矿井和具体某些采区实况的实时模拟图，使矿井的全部实时信息一目了然的显示出来，并且具有丰富的动感显示方式：系统具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能。在同一坐标上用不同颜色、显示曲线的最大值、最小值。网络故障处理，当子系统出现通讯异常后，系统会提示报警，并实时进行存储。系统可配接显示屏，在显示屏中显示动、静态模拟图形、数据表格、历史曲线、分层显示采掘平面图、实时数据显示等。系统所有被检测的参数可连续存储保持一年，这些数据可随时用表格、曲线等形式显示出来，并可打印保存。系统可及时发现并解决煤矿存在的安全隐患，有效减少安全事故的发生。2、自动化监控系统设计1、需要接入的子系统需要接入的子系统有矿井上下的供配电监控系统，综采工作面监控系统，顶板压力监测系统，井下胶带机监控系统，主排水泵房自动化系统，井下电机车监控系统，主斜井胶带输送机监控系统，矿井主煤流计量系统，副立井提升监控系统，通风机房监控系统，锅炉房监控系统。各子系统都有不同的数据格式、通信协议、反映不同的内容，并且由于生产工艺及管理的连续性和综合性，独立的单项自动化系统已不能满足高效生产的需要，因此，必须进行功能扩展，加以综合处理，建立一个统一的生产自动化监控集成网络。2、综合自动化监控网络结构选用千兆环形工业以太网搭建综合自动化监控系统网络硬件平台，分三部分：调度监控中心网络，地面网络（包括矿井、选煤厂） ，井下网络。在矿办公楼调度监控中心设置两台工业以太网核心交换机，在地面（矿井、选煤厂）和井下各建立一个环网，三个环网通过双通道与矿调度室工业以太网核心交换机连接，最终形成一个冗余环形千兆主干网、百兆接入的网络结构。网络结构有如下的特点：具有相当高的数据传输速率；Ethernet 和 TCP/IP很容易集成到 IT 世界；在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；如果环网某点发生故障，环形结构将自动切换为具有全部传输能力的总线结构，这一切换时间小于 500ms。图 1 ：工业网络拓扑图 工 程 师 站 网 管 站监 控 集 成 主备 服 务 器数 据 库 主备 服 务 器监 控 集 成W E B 服 务 器视 频 服务 器视 频 解 码 器图 像 处 理 器 变 电 所 监控 主 机主 运 输 胶带 机 监 控四 大 件 检测 监 控选 煤 厂监 测综 采 及 顶 板压 力 监 测人 员 定位 监 测机 车 信号 监 控大 屏主 机工 业电 视安 全 监 测工 作 站调 度主 机调 度主 机磁 盘 阵 列监 视 器监 视 器背 投调 度 室调 度 台设 备 间接管理网核心交换机主 厂 房集 控 室准 备 车 间 普 通 装 车 站压 滤 车 间主 井 井 口房 变 电 所副 井 提升 机 房通 风 机 房配 电 室生 活 及 办 公区 变 电 站主 井副 井井 上井 下井 下 主变 电 所主 排 水 泵房 变 电 所盘 区 胶 带机 变 电 所南 北 翼 大 巷 胶带 机 变 电 所矿 井综 合自 动化 监控 网络 系统 图核 心 交 换 机接 入 交 换 机防 火 墙路 由 器L E D3、调度监控中心监控网络硬件平台有：2 台千兆核心以太网交换机通过 XRN 技术相互连接，构成工业网络的冗余数据汇聚中心，与地面、井下的三个环网分别双通道千兆连接，构成综合自动化监控网的千兆冗余骨干网。接入交换机用于连接机车信号系统、工业电视系统、安全监测系统网络、大屏幕主机以及调度主备机。6 台服务器分别作为数据采集主备服务器、数据库主备服务器、WEB 服务器以及视频服务器。监控系统数据采集主备服务器安装 WINCC 服务器软件，为调度台上的 6 台监测、监控主机提供服务。2 台磁盘阵列用于监测监控系统和工业电视系统的历史数据存储。2 台工程师站中的一台作为负责编制和调试人机界面，另一台作为网络安全管理主机安装网络管理和网络杀毒软件。12 台工作站中的 6 台分别做为变电所监控、胶带机监控、四大件监控（主排水泵、副立井提升机、通风机、压风机） 、选煤厂监测、综采及顶板压力监测、人员定位监测、监控主机，另外 6 台作为安全生产监测、电机车信号、工业电视、大屏幕主机、调度主备机。工业网络通过防火墙和路由器与管理网络连接。表 1：调度台主机与各子系统对照表序 号 主 机 名 称 对 应 监 测 监 控 子 系 统 1 变 电 所 监 控 工 作 站 井 上 下 的 变 配 电 站 监 控 系 统2 主 运 输 胶 带 机 监 控 工 作 站 皮 带 监 控 、 主 煤 流 计 量 监 测3 四 大 件 监 测 监 控 工 作 站 水 泵 监 控 、 提 升 机 监 测 、 压 风 机 监 控 、通 风 机 监 测4 选 煤 厂 监 测 工 作 站 选 煤 厂 生 产 流 程 监 测5 人 员 定 位 监 测 工 作 站 人 员 定 位 ， 机 车 位 置 跟 踪6 综 采 及 顶 板 压 力 监 测 工 作站 综 采 工 作 面 监 测 、 顶 板 压 力 监 测7 大 屏 幕 主 机 控 制 大 屏 幕 8 工 业 电 视 主 机 负 责 切 换 工 业 电 视 显 示 画 面9 安 全 生 产 监 测 主 机 CO、 CH4等 参 数 监 测10 机 车 信 号 监 测 主 机 电 机 车 信 号 监 测11 调 度 主 机 调 度 生 产 指 挥主要设备参数见下列各表：表 2：交换机 3Com Switch 4060 主要参数 序 号 名 称 配 置 内 容1 接 口6 个 自 适 应 10/100/1000 端 口 、 12 个 固 定 1000BASE-SX端 口 (MT-RJ)、 6 个 GBIC 端 口 ， 可 插 接 1000BASE-SX、1000BASE-LX GBIC 或 1000BASE-LH70 GBIC 1 个 模 块 插槽2 尺 寸 高 ： 8.3 厘 米 宽 ： 44 厘 米 深 ： 36.3 厘 米3 性 能 每 秒 4170 万 个 数 据 包4 可 靠 性 MTBF 40C： 365,000 小 时5 工 作 温 度 0 至 40C（ 32 至 104F）6 储 存 温 度 -40 至 +70C（ -40 至 +158F）7 工 作 湿 度 10% 至 95% 相 对 湿 度 ， 非 凝 固 8 标 准 EN60068 (IEC68)9 辐 射 EN55022 Class A、 FCC Part 15 Subpart B Class A、ICES-003 Class A、 VCCI Class A、 AS/NZS 3548 ClassA、 CNS 13438 Class A、 EN61000-3-210 散 热 最 大 210 W（ 最 大 717 BTU/小 时 ）11 电 源 交 流 线 路 频 率 50/60 Hz； 输 入 电 压 选 项 90-240 VAC12 额 定 电 流 最 大 3.5A 表 3：服务器 IBM xSeries 366 8863-2RC 主要参数序 号 名 称 配 置 内 容1 处 理 器 标 配 (1) 个 Xeon 3660(MHz) CPU处 理 器 ， 最 大 支 持 4个 ， 2G内 存2 主 板 芯 片 组 Intel E85003 内 存 类 型 DDRII 4 内 存 大 小 2GB5 最 大 内 存 容 量 32GB6 硬 盘 类 型 /描 述 串 行 SCSI7 IDE控 制 器 Ultra ATA 1008 SCSI控 制 器 Ultra320 SCSI9 扩 展 槽 610 光 驱 可 选 11 软 驱 1.44MB 3.5英 寸 12 系 统 支 持Microsoft Windows Server2003(Standard、 Enterprise、32位 和 x64)、 Microsoft Windows2000 (Server、 AdvancedServer)、 Red Hat Enterprise Linux AS 4 (64 位 )、SuSE Linux Enterprise Server 9(64 位 )、 VMware ESXServer 2.513 电 源 标 准 电 源 14 电 源 数 量 115 电 压 220V16 功 率 （ W） 130017 工 作 温 度 10 - 3518 工 作 湿 度 8% 至 85%19 储 存 温 度 -40 - 6520 储 存 湿 度 5% 至 95%21 网 卡 类 型 /数 量 10/100/1000M自 适 应 以 太 网 卡 *2软件平台有：服务器操作系统 6 套，工作站操作系统 12 套，SQL 数据库2 套，Faceview 实时数据库 1 套，LifeKeeper 备份软件 2 套，WINCC 完全版软件 1 套，WINCC 运行版无限点软件 2 套，WINCC 运行版 128 点软件 6 套，WINCC 服务器(2 个授权) 1 套，WINCC 服务器冗余授权 1 套，WINCC WEB服务器软件和应用软件 1 套等。自动化监控软件平台是自动化系统的核心，体现着自动化系统和软件开发的最先进技术，它是整个集成系统的软件平台，主要有两大类，一类采用著名集成厂商通用组态软件构建的软件平台，另一类是针对不同行业已开发好的一体化自动化监控平台产品。由于矿井各单项控制系统主要采用西门子控制器，便于集成，所以选择西门子公司的 WINCC 系列软件作为组态系统的核心软件。在本项目中，将采用客户机/服务器(C/S)、浏览器/服务器(B/S)以及监测监控服务器冗余相结合的解决方案来实现综合自动化监控。系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。4、地面网络地面网络包括矿井地面环网和选煤厂环网两部分。矿井地面环网设置四台工业环网交换机。设置地点：主井井口房、副井提升机房、生活及办公区变电站、风井场地变电所.地面主井井口房、副井提升机房环网交换机分别通过光缆线路与调度室工业以太网主干交换机连接，构成双通道冗余线路。各子系统就近接入地面工业环网交换机。选煤厂环网设置五台工业环网交换机。地点：选煤厂综合集控室、主厂房、准备车间、压滤车间、普通装车站。选煤厂综合集控室、主厂房环网交换机分别通过光缆线路与调度室工业以太网主干交换机连接，构成双通道冗余线路。选煤厂各子系统就近接入选煤厂工业环网交换机。 5、井下网络矿井井下环网设置四台工业环网交换机。设置地点：井下主井变电所、副井井底主排水泵房变电所、盘区胶带机变电所、南北翼大巷胶带机变电所。井下主井变电所、副井井底变电所环网交换机分别通过光缆线路与调度室工业以太网主干交换机连接，构成双通道冗余线路。井下各子系统就近接入井下工业环网交换机。 6、网络管理及系统安全在调度室工程师站上安装一套 HP OpenView 网络管理软件，HP OpenView作为强大的网络和系统管理工具，可以实现对工业以太网网络设备的配置以及工业以太网网络拓扑结构的自动生成，及时发现网络中出现问题的节点和原因，及时的消除网络安全隐患，保障工业以太网络的正常运行。同时可以将网络设备的状态信息以 OPC 方式传递到 HMI/SCADA 软件中，从而将网络监控与其他智能设备的监控集成一体。为保证矿井综合自动化监控网络的安全运行，在工业以太网与信息化管理网络之间设置路由器和防火墙，达到网络隔离、提高网络安全的作用。在工业网络上安装一套网络版杀毒软件。路由器选用思科公司的 Cisco 2800 路由器。防火墙选用思科公司的 PIX 525 防火墙网络版杀毒软件选择冠群金辰公司的KILL 安全胄甲（企业版）设备参数见下表：表 4：路由器 Cisco Cisco 2821 主要参数序 号 名 称 配 置 内 容1 路 由 器 类 型 模 块 化 路 由 器2 网 络 协 议 IEEE 802.3X3 固 定 的 局 域 网 接 口 2 x 10/100/1000Mbps4 其 他 端 口控 制 端 口 Console(与 计 算 机 或 终 端 设 备 进 行连 接 ,通 过 特 定 的 软 件 来 进 行 路 由 器 的 配 置RJ45)5 是 否 内 置 防 火 墙 是6 扩 展 模 块 47 内 存 最 大 Flash内 存 （ 256MB）8 最 大 DRAM内 存 （ 1024MB）9 网 管 软 件 网 管 协 议 Cisco ClickStart， SNMP10 适 用 环 境 境 工 作 温 度 （ ） 0 - 4011 工 作 湿 度 5% 95 无 凝 结 95% 无 凝 结12 存 储 温 度 （ ） -8513 存 储 湿 度 5% 95 无 凝 结 95% 无 凝 结14 电 源 100 to 240 VAC,47-63 Hz15 尺 寸 416.6438.288.916 重 量 11.4KG表 5：防火墙 PIX-525-UR-GE-BUN 主要参数序 号 名 称 配 置 内 容1硬 件 参 数 处 理 器 ： 60MHz2并 发 连 接 数 280（ 点 对 点 连 接 的 最 大 数 目 ）3VPN支 持 支 持 (数 据 传 输 的 安 全 、 身 份 认 证 的 安 全 、内 网 应 用 的 安 全 )4网 络 吞 吐 量 30（ Mbps） (不 丢 包 情 况 下 单 位 时 间 内 通 过的 数 据 包 的 数 量5安 全 过 滤 带 宽 15 )6用 户 数 限 制 无 用 户 数 限 制7入 侵 检 测 DoS（ 拒 绝 服 务 ） 、 IDS（ 入 侵 检 测 系 统 ）8主 要 功 能 防 火 墙 保 护 ,P安 全 （ Psec） ,虚 拟 专 网（ VPN）9安 全 标 准 UL 10控 制 端 口 RJ-45电 源 电 压 、 功 率 20（ V） 13（ W）2外 观 参 数 长 度 (m) 64宽 度 (m) 45高 度 (m) 913集 成 化 网 络 接 口 2*10/快 速 以 太 网 +2个 千 兆 口3、结语系统建成后能够实现对生产过程及设备进行远程监测、监控、监视、远程诊断以及优化调度。实施地点：就地、调度监控中心、远程。实施主要生产环节的自动化控制，达到无人值守的管理要求。建立统一的底层控制网络，网上传输数据、语音、频视信号，实现三网合一。系统建成后实现资源共享、信息互通，提高自动化水平和安全生产水平，发挥综合监控和协调作用。如：灾害报警信号、设备监控系统连动、模式控制、事故处理预案、救灾路线图等智能决策功能。实现管控一体化，从而达到减人提效增强企业市场竞争力的目标。通过设备的实时管理软件，实现对设备的超前管理和预测预报，最大限度的减少设备的损坏机率和维护成本。对井下人员安全加大监测和在线管理，特别是对流动人员的管理，为安全生产起到保障作用。优化网络结构，提高网络性能，提高了企业综合信息基础设施水平，可逐步实现三网融合。参考文献1 房利国,华钢,张培.主扇风机在线监测监控系统设计J.淮阴工学院学报,2009,18(1):23-26.2 周向志 ,刘文斯，林育华.基于 Matlab 处理矿井主通风机性能实测参数J. 矿业工程研究,2010(2):42-45.3 周浩敏编著，信号与检测技术，北京，北京航空航天大学出版社，P114-119，P317-318.4 欧阳黎明编著，MATL