数字化矿井解决方案.doc

数字化矿井解决方案概述煤矿作为一个高危行业，安全生产的话题向来备受关注。随着国家国民经济的不断快速发展，对煤炭需求量也越来越大，超负荷开采，或监管不力造成的各级安全事故接连发生。如何利用现有的科学技术有效地解决煤矿安全隐患问题，已是煤矿生产过程的重中之重及各级煤矿主管单位所关注的焦点，也是我们煤矿行业安全集成商的一大议题。目前，煤矿安全事故不断发生，其中重要原因之一就是企业安全生产“长效机制”还没有真正建立起来，企业安全生产信息手段落后，矿井安全监测监控体系不健全，除瓦斯监控设备外，井下其它生产监测监控系统，如电力、提升、运输等方面的建设也是不尽如人意。煤矿使用的各种监测、监控和通信系统相当复杂，几乎每一套系统都有一套各自独立的通信传输系统，投资重复浪费、通信线路杂乱、维护困难，导致信息资源浪费严重，已经不能满足新型现代化煤矿信息交流的需要。打造数字化、网络化、集成化的矿井是未来行业发展的一个必然趋势。我们在总结安全生产管理经验的基础上，并结合煤炭行业生产的自身特点，利用计算机技术、通讯技术和网络技术，为煤炭行业的安全生产提供了一套完整的数字化矿井的解决方案。“数字煤矿”就是以先进的煤矿机电及一体化技术、计算机技术、3S技术、与信息化相适应的现代企业管理制度为基础，以网络技术为纽带，煤矿安全生产、高产高效、可持续发展为目标，实现多源煤矿信息的采集、输入、存储、检索、查询与专业空间分析，并实现多源信息的多方式输出、实时联机分析处理与决策、专家会诊煤矿安全事故与调度指挥等。建成后的数字化矿井不仅提高了煤矿的自动化水平及办公效率，同时也能使各级领导的决策更加科学、及时。在数字化煤矿解决方案中，山利科技提供了企业最急需，也最实用的煤矿综合自动化平台解决方案。通讯网关将安全系统（安全检测、井下排水、通风系统、人员定位、瓦斯抽放、消防系统等）、生产系统（胶带传输、提升系统、工作面、矿井水处理、污水处理、选煤、空压机、供水系统等）、电力系统（井上110/35KV变电站、井下变电站、胶带配电、选煤配电）等的各种接口类型、各种通讯协议规范的设备统一成基于以太网络的通讯协议；综合自动化平台实时历史数据库收发所有现场数据，并为监控人员提供完备的图形、趋势、报表等工艺监控画面，从而实现机电设备的监控自动化、联合调度管理。山利数字化煤矿系统的建设本着“实用、可靠、先进、经济”的指导思想，根据煤炭行业信息化的典型需求，要在企业实现自动化的基础上，建立集中管理的安全生产实时信息平台，实现井下监控设备实时数据的采集和远程监控，通过实时数据和管理数据的信息有效集成，提高煤炭监管部门的监控力度，以信息化带动企业管理和行政管理的科学化，从根本上避免或杜绝恶性生产安全责任事故的发生，旨在为煤矿生产节约成本、强化生产安全管理、提高工作效率。系统本着总体规划、分步实施的原则，系统将从整体上实现以下的建设目标： 建立安全生产数据中心：建立统一、集中的实时数据库平台，根据客观现实条件，采用技术较为成熟的IP网络对井下不同的硬件平台、软件环境的各自动化装置实现实时数据的采集和存储，为事故分析提供可靠的依据。 实现数据的分级共享和监测：通过完善的用户管理机制，实现数据分级共享和监测。 建立安全报警防范机制：系统将提供对生产安全数据的超限报警功能，以闪烁、声音等形式实时提醒，并充分利用短消息机制，及时传递给相关领导和人员。安全生产报警机制可以大大提高对生产现场问题的响应速度，有利于安全生产的指挥和调度，提高各级管理者的管理效率，形成与救护、公安、医疗等部门一体化的灾害处理应急联动机制。 提高数据分析能力：通过数据分析工具，采用多样化的数据展示方式对煤矿安全生产实时数据进行分析和智能化应用，实现生产数据及设备状态的自动统计、分析，为政府、企业领导和相关管理人员进行科学的生产经营决策提供及时可靠的支持。数字化矿井综合管理平台总体结构数字化矿井综合管理平台是一个以各级安全生产监管单位为主体，实现对分布在管辖范围内的矿井生产实时数据的采集、存储和监控，通过安全生产数据的统计分析，为监管部门进行科学决策提供依据，最大程度地排除事故隐患，杜绝突发性安全事故的发生。根据煤炭安全生产的具体需求，我们设计如下的数字化矿井综合管理平台总体功能结构：数字化矿井综合管理平台总体结构整个系统由井下监测系统、数据采集系统、实时数据平台、井上生产管理系统等子系统组成，以下主要介绍各子系统的功能：（一）井下监测系统针对井下能够实时监控的人员、设备以及设备运行状态等参数，利用自动化设备进行自动实时监控，不能够自动进行监控的（如:采区开机回采刀数、掘进进刀数、开拓尺寸、顶板离层量、巷道下沉量、井下放煤量），则利用人工进行定时手工录入到系统中。 安全生产监测监控系统在我国煤炭行业，瓦斯事故是当前煤矿生产的主要灾害。大多数煤矿企业都已经或正在进行瓦斯等安全生产监测监控系统的建设，但由于现有系统的局限性，无法使安全生产监督管理部门及时掌握矿井的瓦斯情况，企业的领导及主要安全责任人无法第一时间获得瓦斯超限报警信息。煤矿瓦斯监测报警系统，充分利用当前先进的通信网络及信息技术，与监测监控系统紧密结合，实时采集数据，全方位识别，全天候处理，通过网络将瓦斯实时信息发送到各级相关责任人手中，为有效防范煤矿瓦斯事故提供辅助手段，达到群防群治的目的。系统具有属于主机系统的PLC模块，用户可以根据自身的特色灵活、快速地编制出符合实际的可编程控制逻辑，使系统能在最短的时间内自动响应外界发生的变化，向有关分站、闭锁或传感器发出控制指令，从而减少了人为因素造成的时间延误，并能实现交叉断电。系统还能通过GSM网络把报警信息按预先的设计发送到远端相关设备（如：上级领导机关的手机或计算机终端等设备）或相关网络（如：上级领导机关的管理信息系统）上，这样使得有关领导、技术人员和管理人员等相关人员能在第一时间内方便快捷的了解系统的运行状况。系统还具备数据存储功能，报表查看及打印功能，能将以往的井下参数进行存储，方便日后查看，并可以对当天的日报表进行实时打印。主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、顶板压力、顶板位移及烟雾等；井上、井下主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态参数，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器运行状态和参数等。 井下人员定位系统井下作业人员流动性大，一旦下井后，就无法确切地知道他们所处的位置，当矿井发生透水、火灾等事故时，将给救灾工作带来极大的困难。为了能实时的了解井下人员的流动情况；了解当前井下人员的数量及分布情况；查询任一指定下井人员当前或指定时刻所处的区域；和查询任一指定人员本日或指定日期的活动踪迹。在平时可作为下井考勤系统，对任一指定月份、或任一指定日期段，对下井人员进行下井次数、下井时间等进行分类统计，便于考核，打印相关报表；一旦矿井发生透水、火灾等灾害事故，可对抢险救灾的人员统计、定位等起准确的指导作用。煤矿井下人员跟踪定位管理系统是集计算机软硬件、信息采集处理、无线数据传输、网络数据通讯、自动控制等技术多学科综合应用为一体的自动识别信息技术产品，该系统是通过对坑道远距离移动目标进行非接触式信息采集处理，实现对人车物在不同状态（移动静止）下的自动识别从而实现目标的自动化管理。 该系统集成了技术含量很高的射频识别技术，并采用跳频点或者固定频点频率实现可靠的半双工通信，分站设备和无源本质安全型标识卡采用全新的嵌入式微处理器和嵌入式软件进行设计，具有隔爆兼本质安全型设计系统作用距离远、可任意调整系统的识别范围、信号穿透力强、安全保密性能高、对人体无电磁污染、环境适应性强可、同时识别众多目标、便于网络连接等性能优点，目前这种崭新的信息采集、存贮、传递和处理技术，已迅速得到国内外同行的广泛关注，它将为煤矿井下人员定位跟踪管理起非常重要的作用 矿井主排水控制系统矿井突水是煤矿的致命灾害，严重威胁着煤矿的安全生产，有时会造成巨大的经济损失和人员伤亡，随着煤矿水害问题的日益突出，煤矿防治水研究将会越来越占有其重要的地位。数字化矿井综合管理系统采用集中化、智能化、高可靠性的矿用本质安全型矿井水压实时监测系统。该系统可对煤矿井下几个至上百个分布式水文观测孔的水压、水位进行“一线多点”形式的超远距离地面集中实时监测。采用高速数据交换技术，系统具有最佳的实时性。实时监测数据能及时反映当前矿井不同地质层位的水压、水位及动态变化情况。 工作面顶板压力监测系统矿井工作面顶板压力监测系统是数字化矿井综合管理系统的重要组成部分，它主要用于煤矿工作面综采支架压力参数的在线远程监测。该系统由井上、井下两大部分组成。井下部分包括：工作面压力分机、通讯分站、通讯电缆等，各压力分机采用专用电缆串联至通讯分站，通讯分站输出的数据信号通过数据传输线路传至井上。井上部分包括：接收机、计算机、监控软件、打印机等，接收机完成与井下通讯分站的通信及与计算机的数据传输接收工作。能动态实时监测煤矿顶板压力以及位移变化量，并能通过表格、曲线等形式对数据进行实时或历史显示，并通过声、光等多种形式进行实时预警预报，使用户能及时地对顶板压力及位移变化趋势做出反应。实现对矿山顶板的全面监测，能帮助煤矿相关工作者或煤矿领导指挥安全生产。 通风系统监测及集控系统通风机集中控制系统主要完成在地面集控中心对矿井通风机的远程开停和在线监测，实现通风机房无人值守，达到减人提效的目的。实现在矿井地面集控中心对井下风机的远程开停控制。2008年3月19日星期三 井下皮带控制系统井下皮带集中控制系统它主要完成在地面集控中心对井下皮带运输系统的远程开停和在线监测，实现皮带运输系统现场岗位的无人值守，达到减人提效、提高矿井安全程度的目的。井下皮带集中控制系统均采用现场总线方式连接后通过PLC就近接入井下工业以太环网，从而进入矿井综合自动化平台并组态，在地面集控中心设置两台操作微机进行控制。同时，在皮带机头、机尾等重要地点设置工业电视摄像头，在井下通讯及语音一起作为远程控制的监视、联系手段。各皮带机均设有煤仓煤位、跑偏、堆煤、烟雾、温度、打滑、带速、电机电流、沿线急停等保护，并在地面集控中心进行状态监视。井下供电集中控制系统该子系统主要完成在地面集控中心对井下各变电所高低压开关设备的远程开停和在线监测，实现各变电所无人值守，达到减人提效、提高矿井安全程度的目的。实现了在矿地面集控中心对海域变电所的“四遥”功能（遥控、遥测、遥调、遥信）。井下供电控制系统均采用现场总线方式连接后通过PLC就近接入井下工业以太环网，从而进入矿井综合自动化平台并组态，在地面集控中心设置两台操作微机进行控制。同时，在变电所设置工业电视摄像头，与井下通讯系统及语音系统一起，作为远程控制的监视、联系手段。 （二）数据采集系统数据采集系统负责从矿井井下监控系统中读取数据，通过建立的数据传输网络链路，向安全生产监控中心发送获得的实时数据。本系统主要由以下功能模块组成：实时数据采集从井下监控系统中实时读取监控设备和仪器仪表所检测到的瓦斯浓度等生产现场环境数据，以及风机、水泵等设备的运行状况数据。数据发送将采集得到的数据按照设定的时间间隔，通过井下专用网络向井上发送至中央监控中心的数据接收服务器。 无线传输模块由于矿井大都处在偏僻荒郊地带，矿井监控系统充分利用了移动网络覆盖面广、无线传输的优势。矿井环境实时监控系统囊括了短消息、GPRS和专线接入、互联网接入等几乎所有的移动数据业务。系统通过专用设备将煤矿井下的瓦斯指数、一氧化碳、温度、风速、负压等重要监控数据实时采集并利用移动公司网络通过无线方式从不同矿井或矿井的不同层面远距离传至矿务局或煤炭管理局以及煤矿安全监察部门，使各级安全管理部门及时掌握矿井的生产安全动态，正确指挥生产，避免重大事故发生。（三）实时数据平台实时监测系统的对象是监测数据，实时数据库的核心就是管理实时监测数据，它采集并存储与生产过程相关的各种数据。煤炭生产安全要求各级生产监控中心能够及时掌握影响生产安全的现场实时数据，预见安全隐患，并及时下达调整指令，形成一个信息畅通的闭环控制系统。为此，建立以实时数据库为核心的生产过程数据集成平台是本系统的关键，利用先进的实时数据库技术可以完成生产过程数据的高效压缩和安全存储，实现资源共享，保障生产安全数据的在线查询。实时数据平台不仅能将分散在各矿井的实时信息集成起来，虚拟成一个大系统，为管理者全面地实时监控所辖范围内企业的生产过程提供一个集成化的平台，而且能够通过对生产过程数据的再次加工处理，提炼出真正对安全生产决策有用的数据，从而在生产经营管理和实时过程控制之间架起一座桥梁，达到两者之间的信息交换和紧密集成。（四）井上生产管理系统 基础业务平台基础业务平台主要用于数字化矿井综合管理系统的初始化定义、组织机构的建立、用户及权限的设置，为其它业务系统提供基础业务框架和身份认证机制。用于整个系统平台的维护管理，确保综合管理系统安全、稳定、持续的运行。 安全监控及分析系统煤炭安全监控及分析系统的一个非常重要的目的就是要实现对煤炭生产过程实行安全监控，通过对从井下检测设备中采集上来的数据进行分析，可以判断监控矿井的井下工作状态，对发生瓦斯浓度超标等危害矿工生命安全的异常情况立即自动报警，并根据严重程度通过短信报警系统将信息分级发送给相关领导、管理人员和矿井现场负责人，以及时采取必要措施，保障矿井的安全生产。通过安全实时监控系统，实现了数据在人员、控制中心和设备间的互通互传，管理人员在何时、何地都可及时了解矿井下的安全状况，并根据情况进行及时响应。对实时历史数据进行综合分析，并以多种方式进行数据的展示。通过信息综合分析平台，可以快捷地形成各种安全生产报表，从而降低了煤炭安全生产监管部门的统计工作量，提高了数据的准确性和及时性。系统提供丰富的数据显示方式，能以文字、图形、报表、语音、声光等多种方式为监控中心的管理人员提供提示信息。 应急指挥系统煤矿是一个事故多发、频发的企业，爆炸、漏水、缺氧是主要的事故形式，不同的事故有不同的救助方式，因此有一套好的应急指挥系统十分必要，本系统提供了应急指挥预案快速生成的方法。数字化矿井是结合煤炭生产相关法律法规、救援专家、救援知识、救援预案和事故数据，采用数据库、地理信息系统等技术开发而成的。其中煤炭事故数据库中记录事故单位，伤亡情况、事故的原因、处理过程、经验教训等信息，安全事故的善后处理、责任人的处理等方面信息，当煤矿企业发生事故，特别是重大事故时，可以利用数据库中收集到的各种相关事故资料与抢险处理措施，提出几个具有重要参考价值的，与发生事故企业或部门条件类似的事故案例，供事故抢险指挥者或抢险人员在对事故进行抢险处理过程中借鉴，以便能使所采用的抢险处理方法更为可靠、有效。也是进行事故预防、安全教育的很好教材。 应急预案管理系统安全事故发生后，如果没有应急预案，往往造成惨重的生命和财产损失；事前制定相关的应急预案，利用预先的计划和实际可行的应急对策，可使事故及时得到控制，从而大大减小事故造成的损失。因此，除加强事故前的预防和控制措施外，还应该加大对各种事故的分析，建立事故应急预案数据库。应急预案编制是一项知识性、系统性很强的工作，通过预案的实施，可以有效的控制事故发展，可以有效防止二次灾害事故的发生，减少事故产生的损失。一个完善的事故预案，平时可用于预防事故演练提高全员素质，提高人员抵抗事故的能力，事故状态下，指导救援人员沉着救灾，避免手忙脚乱。应急救援预案是针对具体设备、设施、场所或环境，在安全评价的基础上，评估了事故形式、发展过程、危害范围和破坏区域的条件下，为降低事故损失，就事故发生后应急救援机构和人员，应急救援设备、设施、条件和环境，行动步骤和纲领，控制事故发展的方法和程序等，预先做出的计划、安排和应对措施。 事故救援知识管理系统 知识库综合了目前煤矿各种灾害的救灾知识，并对其进行了科学的分类、归纳，按救灾步骤提供了相应的具体的救灾知识。知识库具有学习的功能，随着救灾理论的不断完善，可以将更新、更成熟的救灾知识对其进行更新，使之具有广泛应用、吐故纳新，保持最新水平的动态实用管理功能。 矿山救护队管理子系统 对救护队进行调查，将救护队信息进行处理，建立管理信息系统，当接到煤矿事故报告时，能够及时调用相关的救护队资源投入事故救护工作。 专家数据库管理子系统 专家数据管理是用来对专家库进行维护，维护的数据包含专家个人基本信息、专家的特长、成就等扩展信息，专家信息是专家数据库管理子系统的基础，以便在事故救援过程中及时得到专家的支持与帮助，提高事故救援的效率，降低事故的损失，减少事故的伤亡。 生产管理系统生产计划编制：计划编制是企业管理的首要职能，企业根据生产历史数据、企业发展战略、企业生产能力和煤炭储备分析等信息，在年初制定全年的生产计划等，并以此分配出季、月、日生产计划，随着时间的进行，及时跟踪计划的执行情况，调整计划，努力保证计划的顺利完成。本模块用于计划的生成和计划完成情况的查询。煤质管理：包括煤质计划、煤质统计、煤样化验，统计某时间段煤质报表、煤质折线图等内容，记录煤质日常检查。生产调度记录：生产调度是企业生产的指挥中心，它按计划安排、协调、维持整个企业的生产过程，各个生产环节又及时将生产实时信息传给它。本模块以文本或录音的方式存储调度指令，可通过使用消息机制，当一个调度指令创建并发送后，系统会通过多种方式提示该调度指令的接收用户，以保证调度指令下达的及时性。生产班报记录：本模块是生产过程的全面记录，以文档的形式存储，由班组长记录主要的生产过程，如下井人员、采掘产量、应急处理、工作层面、事故及救助的过程。设备检修管理：基于资产管理中设备管理模块的基础数据，对设备进行预防性维护，保证设备的正常运行，提高设备开机率。包括设备检修计划、检修记录、备件库存管理等。员工下井考勤：在井口安装门禁系统，矿工下井出井时都必须进行刷卡，系统记录下员工的姓名和上下井时间，即可考核员工的出勤率，也有利于事故发生时确认进行矿工的实际情况。安全法规：煤矿的生产安全的重要性不言而喻，矿工必须经过认真的培训和安全知识的考核，该模块搜集国内的煤炭安全监察法律和法规及各地的安全监察条例。本系统中存储了安全生产的相关知识和员工的考核记录，考核不合格的不能上岗，并可记录不定期的抽检记录。安全用品领取：矿工用的如安全帽、矿灯、工具等，营救用的氧气瓶等，以及井下安全信息的采集设备、传感器等用品都要登记在册，用品的领取都要记录在案，包括采集、传感设备的安装位置都有记载。 煤矿产量监控系统煤炭产量信息采集是各级政府部门包括煤炭管理部、税务部门、国土资源管理部门、统计部门和政府决策等部门一项重要、烦琐、工作量巨大的工作，目前大部分采取手工记录报告的形式。不能满足管理部门对煤炭产量信息采集的要求。可以通过煤矿产量监控系统解决以上问题。 综合服务系统大屏显示子系统大屏幕显示系统是数字化矿井建设的重要组成部分，是现代化煤矿形象的窗口，是煤矿调度指挥和集中控制不可或缺的手段；大屏幕系统的主要功能是进行煤炭安全监控数据的大屏显示，更加方便地进行生产实时监控和管理。同时大屏显示系统在事故救援过程中也发挥着重要的作用，结合煤矿视频监控系统和事故救援系统，使领导可以通过大屏显示系统，第一时间了解和掌握事故现场的情况，方便进行救援决策分析，制定相应的救援方案，进行远程的救援和指挥，为事故救援赢得时间。系统效果图及体系架构如下图所示：GIS地理信息子系统地理信息系统 (Geographic Information System 简称 GIS) 是一项以计算机为基础的新兴技术，系统不仅具有强大的数据和图形处理功能 ,而且具有完善的图形输入、输出功能。系统可扩展性，地图上的各种地理要素也会发生变化，如救援机构位置的改变、煤矿地理信息的变化等。地理信息系统（GIS）是数字化矿井安全指挥中心的重要组成部分，它主要是跟踪可移动物体的移动位置，完成事故中员工的定位和安全救助，以一种简明直观的图形方式显示员工的移动信息数据，仿真模拟出矿工的移动情况。通过此系统可以方便的了解他们的地区分布信息，方便政府部门进行救援决策分析。GIS是一种采集、处理、传输、存储、管理、查询检索、分析、表达和应用地理信息的计算机系统，是分析、处理和挖掘海量地理数据的通用技术。地理信息系统逻辑示意图如下： 地理信息系统逻辑图 工业电视监控子系统工业电视监控系统也是数字化矿井的重要组成部分，是实现矿井自动化控制的基础配置，是直观获取现场信息的有效手段。可在网络上实现图像的传输，借助网络进行全面的资源共享；网络视频系统由摄像头、防护罩、信号处理服务器、通讯网络以及远程监视软件构成。在终端上安装视频浏览软件，有关人员可以监视现场实时画面和查询历史画面。配合应急救援系统，在事故处理过程中通过视频监控系统，直观的看到现场的画面，使救援工作能结合现场的实际情况，快速的作出判断和决策，给现场救援争取更多的时间。监控及联网图示如下：企业门户系统为了便于管理人员及时了解生产状况，配置一套可缩放的、可扩展的工业信息门户，将生产画面与报警信息、实时数据库的信息、生产数据、统计信息发布到网络上。允许用户通过一个简单的如Internet Explore浏览器从企业网络获得可视化的企业信