煤矿安全生产信息化综合解决方案

WonderWare SystemPlatform 煤矿安全生产信息化综合解决方案 1，煤炭行业现状 国家发展和改革委员会于 2007 年 11 月 29 日对外发布了煤炭产业政策。煤炭产业政策指出，建设神东、晋北、晋中、晋东、陕北、黄陇 (华亭 )、鲁西、两淮、河南、云贵、蒙东 (东北 )、宁东等十三个大型煤炭基地 ,提高煤炭的持续、稳定供给能力。鼓励建设坑口电站 ,优先发展煤、电一体化项目，优先发展循环经济和资源综合利用项目。新建大中型煤矿应当配套建设相应规模的选煤厂 ,鼓励在中小型煤矿集中矿区建设群矿选煤厂。煤炭行业迎 来了新的发展机遇和契机，同时也对煤矿安全生产和信息化建设、提高管理水平提出了更高要求。 2，煤炭行业自动化、信息化特点： 1，生产自动化程度相对其它行业较低，无论从技术上还是管理上都很落后，特别是一些开采时间长的老矿；新近建设的一些大矿和露天矿自动化程度较高，为综合信息化的实施打下了良好的基础； 2，围绕安全第一的核心，在煤矿生产和管理中，安全是压倒一切的事情，这就要求无论硬件还是软件都是以能提高安全生产的水平为最终目的。煤炭行业作业环境复杂，危险性较大，安全管理、重大危险源管理要求高，同时多有结合地理信息 系统（ GIS）的需求；事故多发，要建立有效的应急救援管理体系；矿井安全生产的三大现场因素是人员、设备、生产环境，监测控制这三方面的现场实时情况是实现安全生产管理有效性的基础前提。 3，项目缺乏总体规划、协调。企业大都实现局部自动化工程，如洗煤集控、运输系统监控、安全系统监测及主要设备的单机自动化，没有从生产过程的运行效率去整体规划；在集团内部这个问题尤其突出，不同的生产矿井投产时间跨度很大，加上近年来兼并、收购了不同区域的矿，各个矿的自动化水平和管理差别很大，协调起来需要花费更多时间； 4，信息化与自动化脱 节。由于缺乏真实、实时的原始数据，不少矿业信息化还停留在计算机文件管理、报表统计的基础上，大都不能实现设备在线管理、外运指导生产计划、辅助决策等目的。不过近年也有来很多国有大矿和新矿都在这方面做了不少工作，例如神华、兖矿、阳煤等； 5，各系统软件标准的不统一。矿井生产包括开采、掘进、运输、通风、安全、排水、供电、洗选等多个环节。在这些环节中，各种监测、监控系统繁多复杂。目前这些监测、监控系统基本都处于相互独立的状态，各种系统自成体系，信息不能互通，造成通信线路重复投资，重复建设，不仅系统维护量增大，而且整体可靠性差，维修、维护非常困难。 3，煤矿安全生产信息化综合系统 3.1 煤矿安全生产信息化综合系统概述 Wonderware 煤矿安全生产信息化综合系统能够将煤矿井上和井下的控制、管理以及安全功能整合在一个软件平台下，帮助客户完成不同的监控和管理功能。具体包括：采掘、运输和清洗过程的生产跟踪和运营管理；设备管理、监测和资产管理；采掘区域条件监测、监控和进入控制；气体安全监测和有害物质检测；人员和移动设备的管理；各种辅助生产系统（电、水、汽等）的管理；通风系统管理；紧急救援系统等等。 Wonderware System Platform 的集成系统环境是该解决煤矿安全生产信息化综合系统方案的骨干核心，它通过有效整合各子系统，把所有数据综合到一起，为安全生产、企业管理决策打下坚实基础，确保可靠地控制、监测和调度整个开采操作和生产。 这里的数据包括所有通过其它软件系统自动获取的数据，以及现场操作人员手动输入的数据、各控制室操作人员记录的日志等，都可以存储在 System Platform 集成系统中。可以使用存储的数据编制报告、进行分析及改善流程，也可以与企业资源规划（ ERP）、供应链管理、矿井规划、维护和设备厂商的监测 系统集成起来。达到改善采矿安全，降低作业风险，减少事故的目的，很方便的跟各级监控网络联网整合。井下生产、安全、通风、排水、电气、视频、搜救等各系统到一个平台提高设备运行可靠性，建立完善的井上、井下设备管理体系，改善生产效率；降低电、水和其它成本的消；实时管理各辅助系统、设备和货场；降低维修成本，增强设备故障诊断和预测功能；降低环境污染和能耗。 其中，特别针对安全， Wonderware System Platform 集成系统解决方案可以融合多种监测、自控技术应用，提供将人员定位、设备自动化监控、环境安全监测 等现场实时监测控制系统与视频监控系统、大屏幕显示系统、紧急电话处理系统、 UPS 监测系统整合，实现对生产现场全方位信息的实时采集反馈及控制，构建高灵敏度的生产指挥 神经系统 。这也是企业各级安全生产管理的基础信息源。具体可以实现以下功能： 能够向集团公司上级提供整体资料分析情况和查询功能； 能够让上级向下级传达命令； 能够给生产负责人远程提供生产进度情况； 能够让生产负责人向生产部门传达指令； 能够给安全监测人员提供安全情况的实时数据； 能够对实时数据进行分析，帮助决策者作出快速判断； 能够对典型的危机情况进行自动处理； 能够在事故发生之后协助决策者启动尽可能快速的救援系统； 能够让系统使用者知道目标所在位置以及自己所在位置； 能够向关心的人群提供特定信息，达到公开透明； 3.2 煤矿安全生产信息化系统架构 煤矿安全生产信息化综合解决方案系统结构分三层： 1， 集团调度层，集团管理层，中间层。 集团管理、综合调度系统； 集团调度层以 Wonderware System Platform 集成系统环境为核心将分布于广域范围的各煤矿子系统进行集中监控。 中间层为 Wonderware System Platform 集成系统的核心，利用先进的 Wonderware Historian 数据库技术，Application Server 通讯技术，集成开发环境（ IDE）。实现对分布于广域范围的各煤矿子系统进行集中采集，及数据存储，并通过先进网络隔离技术单向传输集团管理层，及各分析专家系统所需数据。 集团管理层利用 Wonderware 的 ActiveFactory 系统强大的信息管理，及分析功能，组成独特的领导查询及专家系统。 2， 各煤矿调度层，管理层，中间层。 煤矿管理、综合调度系统； 各煤矿调度层以 Wonderware System Platform 集成系统环境为核心将煤矿子系统进行集中监控。 中间层为 Wonderware System Platform 集成系统的核心，利用先进的 Wonderware Historian 数据库技术，Application Server 通讯技术，集成开发环境（ IDE）。实现对煤矿子系统进行集中采集，及数据存储，并通过先进网络隔离技术单向传输管理层，及各分析专家系统所需数据，并向集团调度传递数据。 管理层利用 Wonderware 的 ActiveFactory 系统强大的信息管理， 及分析功能，组成独特的领导查询及专家系统。 3， 各煤矿子系统。 煤矿井下生产综合控制系统（开采、掘进、运输）； 运输系统包括井下开采常用的皮带输送机、煤矿井下运输电机车系统、矿用提升系统等；露天开采用的车辆运输系统等。 煤矿井下安全监控系统（瓦斯、环境）； 井下通风控制系统； 井下供电控制系统； 煤矿人员、设备定位系统； 井下通讯、视频、紧急呼叫系统； 井上洗选控制系统； 货场管理系统； 地理信息系统（ GIS）； 其它待整合的分系统； 系统 结构图如下图所示： 3.3 System Platform 集成系统环境 System Platform 集成系统环境是一种全新的工业应用软件基础架构，涵盖了如下内容： 集成开发环境 IDE 系统冗余 工厂设备的实际模型 基于对象的开发 集成和集中的安全 策略 灵活的数据连通性 灵活的部署和负载分配 集中的诊断工具 无限的规模可伸缩性 系统部署如下图所示： System Platform 集成系统环境在煤炭行业这种大型的系统集成 项目中展现出革命性的特点。 无限可伸缩性（统一的命名空间） 项目结构化（工 厂模型） 负载分配 代码重用，提高生产效率（应用对象） 维护轻松（变更自动应用） 集中化的安全定义 集成的 报警分发 系统历史记录 增强的 脚本生成 通讯 接口 先进的诊断 模块添加容易 工厂智能 3.3.1 统一的命名空间与工程模型化 在 System Platform 集成系统环境中，系统所有节点在同一个命名空间中。客户不需要知道标记名 /对象位于何处，节点可轻松地按照负载需要添加。兼顾了客户机服务器的优点又确实真正的体现了分布式体系结构。在整个集成系统环境开发及运行管理过 程中做到集中管理和统一部署。 创建工厂模型时，工程数据均根据其物理位置进行组织（工厂设备模型：用于描述你的工厂以及组成它的所有工艺设备，装置和仪表等是如何来布置的）。 采用 System Platform 集成系统环境，可以建立一个和你工厂环境一样的工程模型。这种结构化的命名方式加强了标准化，并非常利于应用的修改和扩展同时使得工厂之间不同区域的互联和关联容易实现。 其优势具有客户机服务器体系结构的优点而摒弃了其局限性，具有分布式体系结构的能力和自由度。 3.3.2 集成开发环境 (IDE)System Platform 集成系统拥有集成开发环境（ IDE）。集成开发环境（ IDE）具有对象的实例化和变更的自动应用特点。 集成开发环境（ IDE）构成： 应用工具箱及组件生成环境； Wonderware 及第三方提供的标准对象库； 可派生的模板； 工厂过程和应用的表示方式的模型视图； 部署视图应用是如何在多个分布式的计算机平台上分布的； 派生视图表示应用中的对象之间的派生关系； 可利用应用对象实现工程重用 , 自动修改属性 , 脚本 , 报警 , 安全 机制 , 历史记录的配置。对模板所做改变自动应用到实例，新模 板可从已有模板派生并可开发标准对象库，标准模板降低了项目到项目的成本。 可自动进行负载分配，分配过程对用户是透明的。应用能够通过在不同的 Engine 之间移动区域实现轻松管理，所有的对象都运行在一个单一的命名空间，整个工程分布在多个节点中。可继承，可传播 具体对象运行在哪个节点上则无关紧要。 3.3.3 系统冗余及集中的安全机制 一，服务器冗余： Application Object Server (AOS) 处理所有的数据。如果服务器故障，客户端将丢失对所有数据的连接。冗余的服务器通过专有网络进行数据同步。 如果主服务器故障，备份服务器将立刻接手。而这一切换对于客户端来说是透明的。 二，设备通讯冗余： 与现场设备的通讯仍然需要容错配置，丢失与控制网络的连接将导致服务器对数据访问的丢失，冗余的 DI Object 允许通讯在主网络连接丢失时切换到备用网络，冗余的 DI Object 允许应用对象只要访问一个单一的对象而可以实现能够从主或备份网络中获取数据。 三，集中的安全机制： 可灵活的配置用户权限。 1.应用对象分配给安全组； 2.创建系统用户或从操作系统用户中继承； 3.创建系统角色； 4.为安全组分配角色权 限； 5.为用户分配角色； 3.4 集成的数据存储系统 虽然目前市面上有很多关系数据库，但是均不能满足煤炭行业的需求，我们需要建立一个实时历史数据库并具有如下特点： 为生产和管理获取所有的相关信息，可以生成过去和现在的所有操作情况画面，以足够的信息供用户以不同 的视角在统一的数据仓库访问相同的信息，获得不同的应用。 在线存储多年的工艺数据，即以用户或应用的要求，包括毫秒级的数据存储历史数据，以利于工艺和设备的运行状况分析。 以数据的原型存贮，即数据的采集与存贮保持原有的采样间隔和采样精度而不必考虑将来如何用，但这需要占用大量的磁盘空间，采用先进的压缩技术和保持原有精度的还原技术是可取的。 数据只存贮一次，以数据的基本形式存贮，并可对数据进行任何格式的计算和归纳处理。支持过程优化、先进控制、专家系统和其它复杂计算功能，以满足不同用户或应用程序的要求。 数据库是一个全 厂范围内的统一数据平台，是用来在不同厂商的产品间传送信息。因此，必须具有开放性，例如采用分布结构的计算机环境， Client Server 结构，可在多种系统配置下运行，在客户端产品底层采用Windows 技术和 Windows 化的界面，有丰富的商业化数据处理工具，对不同的厂商产品有丰富的接口经验。 数据采集和存储的可靠性。采用分布式结构进行数据采集和存储，接口能支持网络节点之间的容错技术，当发生故障时仍可继续采集网络节点式接口设备的数据，采用分布式数据存贮数据暂时保存在该节点上，保证数据在节点上的故障数据不丢失。 由于实时历史数据库采集的速度快，数据量大，精度要求高，并且带有时标，便于分析和生成报表，因此十分适合目前煤炭行业的数据采集和分析，而常规的关系数据库则在这些方面都相距甚远。 鉴于以上的这些原因，市场上也出现了许多不同级别的实时 /历史数据库，目前最经济且性价比最优的则是美国 Wonderware 软件公司的 Historian。 Historian 是一套基于 Client Server 结构的商品化软件应用平台。它是时间序列的数据库，最适合处理过程数据。她有六大特点： 1数据采集 Historian 可以实现 快速数据采集。 1 分钟的数据，能够满足国标标准与国标的有关性能分析，也能产生许多报告及表示某些主要流程状态。但是对于过程诊断而言，则是不足的，有相当多的过程快于一分钟，对模拟量，根据 Shannon 采样定理，选择采样周期至少应是过程周期的 1/2。事实上，工业上常用的是1/10 1/20。 Historian 提供毫秒级的数据采集，最快的数据采集速率为 3 毫秒。 2数据压缩 有了毫秒级的数据采集，硬盘就成为数据存储的最大瓶颈， Historian 内有一个称之为 Loss-Less 的压缩算法来实现数据存放的问题。她 的压缩率非常的高，可以达到 90%以上，且是无损压缩，整个过程对用户完全透明。那么实时数据究竟需要存放多久呢？我们认为最好能存 2 年或更多，因为目前设备的检修周期一般是一年至一年半，工程师应能与去年同期或修前的数据进行分析比较。有了这样的一个压缩率，就有可能在硬盘上存储足够多的数据以便查询。 3实时查询 有了海量的存储，有了压缩算法，我们还需要有一个便捷的查询手段。 Historian 虽然是一个实时数据库，但是她也兼顾关系型的优点。除了直接支持用标准的 SQL 语句查询数据，还对现有的 SQL 语言做了一定的扩展，提供了专用的关键字，用来实现返回等间隔的数据。查询的速度也非常的快，主要是因为Historian 每天都存储一个目录，所以在查询时的效率会提高。 4事件系统 虽然 Historian 提供快速的数据采集，也有相当优秀的数据压缩率，也支持实时查询，但是 Historian 所能做的还不只是这些，她还内嵌了一个便捷的事件系统。一旦系统有故障产生，系统就会触发数据库中的事件，事件系统会依据不同的情况执行不同的动作。比如当每天早上八点钟时就计算昨天的产量和消耗，再比如当某个开关量从 0 变为 1 时，系 统就记录几个相关的模拟量值，做一个快照功能等等。 利用事件用户可以方便的从数据库中直接获取需要的相关数据，简单的统计数据或是提醒机制（ Email方式）。只要配置事件系统就可以诊断状态和设备分析，达到事半功倍的效果。 5内嵌 MS SQL Server Historian 是一个实时数据库，但是她还兼有关系型数据库的特点，因为内嵌了一个 MS SQL Server 数据库。 Historian 数据库把所有的配置信息，所有的事件信息等都存储在 MS SQL Server 数据库中。一旦需要访问数据的时候，用户可 以直接访问 MS SQL Server 来获得数据，也可通过 OLE-DB 的方式访问 Historian数据库。从下图中可以看出 InSQL Server 和 MS SQL Server 之间的架构关系，也体现出 Historian 是一个实时关系型数据的全新特性。两者缺一不可，相辅相成。有了内嵌的 MS SQL Server，还可以和其他数据库实现连接，为用户编程提供了方便。 6支持冗余 Historian 支持冗余，并且提供多种不同的冗余方案。通过内部的 IDAS（ IndustrialSQL Data Acquisition Server）服务实现。一种方式称为失效切换：当有一组数据源出现问题时， Historian 会自动找到备用数据源，并把所有测点全部切换到备用节点上去。另一种方法称为存储转寄：当现场只有一组数据源，而其中的网络又由于某种原因断开了，系统会在数据源上自动缓存数据，当网络 再次连通时，再把损失的数据传回Historian 数据库中，以保证数据库的完整性。 对于有些特别的情况，整个系统需要有一定的备用余量，则以上两种冗余方案则都不能满足需要。用户还可以调用 Historian 的存储过程来实现复杂的冗余，整个过程也相当的容易，只要有一定数据常识的人员就可以完成。从整体上来说 Historian 的冗余还是考虑的相当细致和周到，为用户提供了许多的访问和切换的手段。 Historian 不仅支持数据的冗余，还支持自身的冗余，两个 Historian 之间也能通过软件配置达到数据库的同步，的 确为用户提供了诸多的方便。 总体上来说 Historian 是一个相当优秀的实时关系型数据库软件，这不仅体现在性能上，在价格上也有一定的优势。对于 25000 点的数据库与 20 个客户端而言， Historian 只需花费其他软件的 25%，而且接口友好，不仅支持 OPC/Suitelink， ODBC，还支持 MS SQL 编程接口。 3.5 增强型接口功能 现有各系统软件平台的不统一以及接口问题，受各种因素影响，煤矿现有的各分系统基本上都是不同厂家在不同时期利用不同技术的产物，这就给数据的共享提出了难题，就是如何获 取这些不同系统的数据。借助 Wonderware 软件强大的接口开发能力，我们能针对上述种种系统开发不同的接口和组件，保证数据的采集和传输，这已经在兖矿等大型矿业集团得到了很好的应用。 Wonderware 系统平台实际上能够与任何煤矿子系统进行有成本效益的通信。从用于控制设备、应用和系统（包括自动化设备、控制系统、 HMI 系统、历史数据库、关系型数据库、质量与维护系统、企业业务系统和生产执行系统 (MES)）的大量连接器及通信服务器中选择。 Wonderware 系统平台提供了所需要的数据集成性和通信安全性，从而将所有 的自动化孤岛连接在一起。 软件与设备连通性服务包括： 轻松地进行信息集成利用全球统一的命名空间， Wonderware 系统平台可明确地将应用节点从设备通信管理中分离，因而能够轻松地管理和更新它们。它具有独立的通信路径，并使这些路径可用于全球的任何应用，因此，对于相同 的应用，允许通信和设备命名不同，并且能够在任何机器或应用上重复使用。 利用最新的技术和工业标准，轻松地导入和迁移传统系统及外部系统配置。轻松地将非结构化的设备通信模型转化成结构化系统，以提高应用与系统的可维护性与大量的 32 位 I/O Server 通信软件连接，可用于数百台最常用的控制设备、可编程控制器、远程终端设备和分布式控制系统包括及国内的更多公司。 开放的通信接口，可满足与任何一家国内或国外设备通讯要求。 3.6 友好的 HMI Wonderware 市场领先的 HMI 监控软件解决方案可以让工厂人员 能够： 在最低的总体生命周期成本下方便地设计、建立、部署和维护最灵活和安全的监控解决方案。从单一设备扩展到多个网络的监控站点；集成工厂设备、数据库和控制系统；实现数据级的强大安全性，并且可以面向系统的每一个用户；快速地扩展生产和绩效管理解决方案；可以在工厂所有级别按照通用的 HMI 监控工具进行标准化。 显著降低您系统的生命周期成本， Wonderware 的高度优化的应用开发方法允许一次配置应用模板，就可以在整个应用的重用。这个革命性的应用开发方法允许一个组织能容易地推动标准并同时降低项目风险，以及缩短任何一个 项目的开发和测试周期。 从一个单一的设备到多个工厂的规模灵活性， Wonderware软件提供最大可能的规模灵活性 从一个单一的设备到多个工厂的网络 面向所有的监控应用需要提供一个统一的应用架构。 面向广泛的应用范围提供前所未有的规模灵活性， ArchestrA应用平台已经测试和验证了 1 百万个 I/O 的系统。你可以从一个单一的节点开始，然后在你需要扩展时能方便地通过在更多计算机上简单地分配组件来扩展系统。这一灵活性节省了与将来的应用增强和系统扩展有关的时间和精力。 与任何工厂设备或系统进行集成 Wonderware 提供与大量的工厂级数据源、自动化系统、数据库和应用的开放集成和连接。另外， ArchestrA 架构还提供一整套构建在你以前在自动化控制投资之上的自动化和信息化平台。 与访问点无关的强大安全性基于最新 Wonderware 软件的系统提供内建的和易配置的操作安全性，从而可以实现面向每个数据元素和用户的控制，同时允许与已有的 IT 安全基础架构进行集成。 传统的监控和 HMI 软件包通过脚本来加强窗口级的安全。这些窗口级的安全模型通常难以进行管理。而且，窗口级的安全是不安全的，同时无法满足煤炭行业的需求。通过对于 运行环境中由用户产生的改变的完全跟踪， Wonderware 提供了一个数据级的无与伦比的安全模型。这能提供一个在控制硬件级之上的安全的，同时独立于客户端的访问层。 3.7 强大的业务分析及领导查询管理系统 煤炭企业的业务分析及领导查询管理系统主要核心由 Wonderware 的 ActiveFactory提供的一套趋势、分析和报表数据的报表客户端系统，从而可以使存储在 Wonderware 的 Wonderware Historian 实时煤炭企业数据库的数据的价值最大化。 ActiveFactory 通过简单的点击式 的对话可以使一个组织中的所有级别的个人方便地访问企业和过程数据。 向 Web 或者公司内部网络发布有价值的实时的和历史的各个矿厂数据的能力。发布的报表和趋势还可以被企业技术工人和管理人员任意地改动。他们可以快速的进行故障排查，研究潜在的工艺低效率和免去查找这些数据所消耗的大量时间的过程。以 Web 方式访问各个矿厂现场的历史和实时信息通过 Wonderware 的Wonderware Information Server 就可以简单地实现。另外， ActiveFactory 可以使移动的工作人员在煤炭企业的任何地方访问 实时的数据趋势和报表。 煤炭企业的业务分析及领导查询管理系统可提高企业生产效率最高达 25%, AMR 研究显示包括ActiveFatory 的智能解决方案代表着低风险、高回报的机会，可以提高生产效率高达 25%, 获得有竞争力的优势。 优化企业工艺以获得效率更高和运行成本更低。 ActiveFactory 软件持续帮助地提升项目，这对保持竞争力是至关重要的。 面对工艺问题更快速地响应，通过 ActiveFactory 软件实时的数据传送可以使制造商对影响利润的工艺问题作出更快的响应。当进行故障排查时在数据查找上需要的 时间会更少。 优化生产工艺， ActiveFactory 提供研究和开发工艺优化策略所需的实时和历史的企业数据快速地开发查询和报表来记录成功的工艺提高的努力过程。 提高法规兼容性， ActiveFactory 软件能够成本有效地提供给你符合法规的详细的企业数据；降低不能通过法规检查的风险；满足你的客户对符合法规的需要；降低后续的应用支持的成本， ActiveFactory 软件使用最新的技术来降低用在日常维护上的时间和金钱。查询工具无需 SQL 经验，同时可以无需专门的 IT 支持使任何人能够快速地生成强大的 IndustrialSQL Server 数据查询。 4， WonderWare SystemPlatform 煤矿安全生产信息化应用案例 4.1 WonderWare SystemPlatform 煤矿安全生产信息化在兖矿中的应用 1， 背景资料与系统实施现状 兖矿集团成立于 1976 年，是中国重要的煤炭生产和出口基地，连续七年被国家煤炭工业技术委员会评为 科技进步十佳企业 。集团控股的兖矿煤业股份有限公司是亚洲金融危机中唯一到境外发行股票并在纽约、香港和上海三地成功上市的中国煤炭企业。 为强化对安全生产的调度指挥力度，贯彻 安全 第一，生产第二 的思想。兖矿集团将安全生产调度指挥系统列为 2005 年集团公司信息化重点建设项目。 WonderWare 平台系统将信息技术与调度指挥相结合。实现数据监测、数据分析、图像与语音集成、调度指挥决策等综合功能。并建立大范围的信息查询和发布体系。系统建成后对集团公司安全生产管理起到了极大的促进作用。 2， 系统概述 系统采用数据库技术、网络技术和工业控制自动化技术等先进手段将分布于广域范围的多个矿井现场的安全检测信息和束