开题报告.docx

中国矿业大学信电学院一、综述1、研究课题的目的和意义建立一个统一的、开放的信息化集成平台；完成已有系统的数据集成与新系统的建设；形成统一的信息化结构，以及系统间数据和应用的集成规范；实现“管控一体化”；实现生产监控数据与管理信息的整合，进而提高管理信息系统数据的准确性和实时性；在新的平台和规范下，完善井下自动化监控系统；提高矿井的安全生产管理水平；整体提升矿井的自动化水平，也就是完成矿区整体布线系统；加强矿区网络化建设，使矿区数据网达到可靠、安全、高效的目标。当煤矿信息化系统建设完成并稳定运行后，将实现可监可测得煤矿生产自动化，从而进一步提升煤矿的安全生产能力。2、课题的研究现状及研究成果煤炭生产企业所属煤矿的信息化发展滞后，大部分煤矿还没有建立起自己的局域网，及时有的煤矿建成了局域网，但内部的信息资源未能开发，整个网络未能发挥出应有的效益，造成资源的极大浪费。（1） 煤矿信息化的整体水平不高。 整体上，我国煤矿行业依然是劳动密集型产业，生产、管理的自动化及信息化水平较低。大中型矿井生产设备老化，小型矿井生产技术装备水平极低。（2） “信息孤岛”制约着煤矿信息化的实现。煤矿机电一体化产品虽然实现了设备的自动化，但由于缺乏必要的通信功能而处于“自动化孤岛”的状态；煤矿安全监控系统没有同意的通信协议，各系统处于封闭状态，系统之间信息不能共享； 煤矿内部管理思想保守，各部门采用封闭的数据格式或软件。煤矿内部“信息孤岛”的存在，不仅制约了整体效益的发挥，也提高了系统的建设和维护运营成本不利于煤矿整体信息化的实现；煤矿生产管理专用的IT产品少。由于煤炭生产自身的特点，要求生产自动化系统本身具有高度的可靠性和安全性，通用的ERP、MIS等系统难以在煤矿使用。目前适合煤矿生产特点和需求的IT专用软硬件产品比较缺乏，难以满足煤矿生产和安全的需要；注重硬件投资，忽视信息资源的开发。许多煤矿在进行信息建设时，只注重硬件投入，建立起了局域网，而忽视了内部的信息资源的开发，没有本矿的数据库，整个局域网没有信息可传送。二、研究内容1、研究方向进行办公区和分支机构的信息化建设，建成高速宽带互联主干网，实现各分支机构主要部门信息系统的互联。然后进行矿井的信息化建设建成工业级以太网，能够实时提取井下工作面的情况，监控瓦斯排放量，且赢简历故障的冗余倒换机制，为煤矿工人的安全生产提供可靠保障。2、研究内容办公业务网主要由核心网和网上应用系统组成，横向连接矿区内部办公区及生活区，是网络信息交换枢纽中心所在地、信息共享集散地和内部信息服务区域，是信息传输和资源共享的保障。根据业务流量的实际需要，在确保安全的基础上采用光纤技术实现互联互通，确保业务系统的全面正常运行。信息网平台应涵盖整个办公区域，从处理业务类型的角度，网络平台应具备视频业务、音频业务和数据业务的处理能力，从支持应用的角度，网络平台应能满足各类业务系统应用的需要。随着信息化建设的日益深入，无论是政府还是企事业单位，相互之间的信息沟通与协同工作越来越重要。每个单位都希望能和异地的分支机构、上下级部门等保持实时联系，希望自己深处异地仍能了解和处理单位事务。管理者希望嫩能够够在任意的地方都能掌控全局，监控企业运行，从而达到提升管理效率、防范风险的目的；同时利用OA作为信息化平台使各种信息数据能够共享，减少信息孤岛，充分发挥信息化的优势。井下业务网主要由具有安全性能的工业以太网构成。在井下工业生产过程中，很多现场不可避免的存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这个工业现场的只能装置以及通信设备都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业一台网可以将企业传统的3层网络系统，即信息管理成、过程管理层、现场设备层合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更强，并可 Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率。工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵于非法操作等网络安全的威胁，一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络于外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。3、系统研究方向矿井网络化信息平台主要由生产检测监控系统、管控一体化平台、综合生产分析评估系统等组成。该平台将矿井各生产环节的计算机监控、工业电视监视系统、通信系统融为一体，在地面中央调度控制室就可以实现对全矿井各生产环境和设备的检测和控制。三、实现方法和预期目标1、矿井信息平台的组成 信息系统需要继承的子系统包括：矿井安全检测子系统：实时监测井下瓦斯浓度和通风状况等各项矿井环境参数；总裁工作面生产检测系统：采集采煤机和全自动液压支架的数据，检测采煤机、液压支架及运输系统的现场情况；主扇风机系统：实现对地面主扇风机参数、主运皮带的工作流程及各重要配接设备的检测，实现井下持续送风送氧功能；主、副井提升检测子系统：通过对西门子提升绞车计算机部分的改造，实现对提升绞车运行参数的实时监控和对绞车状况的诊断，并将数据由上位机上传至调度室，提高矿井提升的安全性；人员定位系统：查询任一指定井下人员和车辆在当前或指定时刻所处的区域。2、子系统的接入要构建信息平台，实现设备层即各子系统的接入是基础。概括的讲，就是要解决好各子系统同工业以太网物理层和协议层两个层面的接入问题。子系统的硬件接入普遍采用以太网接口，但根据各子系统的控制点的分布、控制方式及控制对象的不同及采用基于不同技术的控制器的特点，对已定子系统和待定子系统的情况进行分析，主要采用以下几种接入方式：（1） PLC接入：有些自动化系统如主、副井提升系统和主扇风机系统，是采用PLC进行控制的，可以对PLC增加以太网模块或以太网卡，于附近的交换机进行物理上的网络连接。（2） 上位机的接入：对于煤矿专业性较强的子系统（如安全监控、人员定位等），通过以太网及OPC/DDE/FTP接口协议与该类型的子系统主机相联。（3） 子网络接入：有些自动化系统已经很成熟，并且自成网络，对外友统一的网管接口，直接采用这个接口即可接入到网络传输平台中。（4） 扩展接入：有些自动化系统不仅没有以太网接口，而且也没有上位机，但该系统支持RS458/232或现场总线等接口，可以通过增加串口服务器等转换设备，把其他接口转化成以太网接口。在完成了吴立成的联结后，便是通过软件进行通信的问题。由于各子系统厂家的上层协议不同在数据采集方面应充分考虑对多种通信协议的支持。目前煤炭行业自动控制子系统常用的软件通信协议有如下几种：（1） OPC通信方式：OPC(OLE for Process Contro1)即可存取本地OPC服务器数据，又可存取分布在网上其他节点的OPC服务器，并且具有高效、安全的特点。如果该子系统具有上位机，并且该上位机软件支持OPC SERVER，则可通过上位机软件的OPC方式进行通信。（2） 驱动通信方式：如果SCADA软件支持该自动化系统的PLC驱动，或者该PLC有基于OPC SERVER的驱动，则可以通过SCADA软件直接与PLC通信进行数据交换。（3） DDE/NetDDE方式：DDE即可存取本地DDE服务器数据，又可存取分布在网上其他节点的DDE服务器，但在速度和安全性方面比OPC要差一些。（4） 自主开放方式：对于以上条件都不满足的情况可以通过自主软件开发，将原有子系统的协议转化成OPC协议。3、软件体系结构 系统软件采用组态化设计，将矿井安全检测子系统、各生产环节自动控制子系统以及系统自身完全整合。组态软件通过I/O驱动，从I/O现场设备获得实时数据对其进行必要的加工后，一方面以多种姓社只管的现实在计算机屏幕上；另一方面按照控制策略和操作员的指令将控制数据传给I/O设备，实施控制和调整控制参数。系统软件机构如图2所示，其中实时数据库和I/O驱动是其重要组件。（1） 数据库实时数据库是组态软件的核心和引擎，历史数据的存储和检测、事故报警处理与存储、数据的运算处理都是由实时数据库完成，图形界面系统、I/O驱动等组件以实时数据库为核心，通过高效的内部协议相互通信，共享数据。（2） I/O驱动I/O驱动是组态软件与各种设备交互的桥梁和纽带，输入输出系统与实时数据库相对独立，但其可靠性和实时性是实时数据库实时运行的前提和保证，同时各种设备种类繁多，通信方式也各不相同，需要抽象出硬件设备的统一结构。（3） HMI的设计HMI是操作员查看煤矿生产过程中的各种参数和执行各种控制操作的窗口，在进行HMI设计时，要注意画面的结构层次和整体布局，既要保证控制快速直接，又要方便画面间的切换。通过灵活运用iFIX提供的各种动画，使画面更加形象直观的动态实时显示生产过程。副井提升系统的监控画面如图所示。可以通过柱状图的填充比例来反映某一模拟检测量的变化，通过画面中某一对象是否可视、字体颜色变化、对象的前景色和背景色变化等来反映某一开关量的状态。通过对HMI的合理设计，使信息平台具备以下功能：（1） 一体化监控功能：各子系统信息通过标准的数据交换方式与综合监控中心进行数据存取，并将各子系统的信息进行综合处理。综合信息化平台负责将实时分析后的信息提供给系统中的用户。（2） 故障报警功能：系统可以获得实时报警信息，显示到调度中心客户操作站。对于可以反馈报警信号的在线设备，记录设备的故障活着通断情况。（3） 操作及事件记录功能：系统的控制操作都记录到数据库当中，通过查询可以查看到事件事件、操作人员、节点名称等信息。（4） 授权管理系统：通过该授权管理系统实现对整个监控平台的人员权限设置。（5） 报表系统：各个系统的生产数据将在生产报表中体现。每个生产系统的报表分为日报、月报、年报3种类型。可以根据事件、系统等进行查询。（6） Web留蓝功能：采用Web发布平台，将生产数据实时发布到信息网。管理者根据权限的规定可以通过浏览器看到相应的流程数据和画面。4、预期目标系统建成后，不仅使矿井各系统的可靠性大大提高，而且设备的效率也得到了充分发挥，达到减员增效的目的。同时，它对矿井的安全、稳产高产也会起到决定性的作用。该系统具有信息传输率高适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，使矿井在“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节全面实现信息化，并将煤炭生产、管理的各个环节统一在一个网络平台上，形成统一、完整的有机整体，为矿井信息化的应用和发展奠定了基础。5、重点与难点（1） 系统的经济性升级扩容网络系统必须经济适用并且具有很高的性能价格比。（2） 系统的可靠性和稳定性 系统的高可靠性和稳定性是网络系统应用环境正常运行的首要条件，应在保证系统可靠性的基础上，进一步提高系统的可用性。网络的高可靠性、稳定性就是保证网络可以在任何时间任何地点提供信息访问服务。设备要有可靠的质量，并支持热插拔特性及线路、电源备份，以保持一个稳定的运行环境。（3） 系统的实用性和可管理性当今世界，通信技术和计算机技术的发展日新月异，网络设计既要适应新技术发展的潮流，保证系统的先进性，选择代表世界先进水平的技术和设备，不使投资的设备在短时间内落伍，同时也要兼顾技术的成熟性、标准型和实用性，降低由于新技术和新产品部成熟等因素给用户带来的风险。 网络设计中，选择先进的网络管理软件是必不可少的。通过这个管理平台监控主机、网络设备的状态，从而简化管理工作，提高主机系统和网络系统的利用效率。（4） 系统的可扩展性和开放性在网络设计时，首先要满足现有规模网络用户应用的需求，同时考虑未来业务的发展和规模的扩大。设备应采用开放技术，支持标准协议，具有良好的互联互通性。另外还应具有灵活的端口扩充能力和模块扩充能力，满足网络规模扩充的需要。在矿井内部采用统一的网络体系结构和网络协议（5） 系统的安全性安全性是网络运行的生命线。网络构架方面，应根据矿井网络的要求，实现内外网的隔离。合理的网络安全控制可以使应用环境中的信息资源得到有效的保护，网络可以组织任何非法操作，网络设备可进行基于协议、基于IP地址的包过滤功能，不同的业务划分到不同的虚网中。（6） 网络的可靠性可靠性在网络设计中体现在两个方面：一方面是网络拓扑的设计，尽量使网络上不存在单点故障，局域网络设计采用双核心甚至多核心方案，网络设计应采用多层结构，即核心/汇聚/接入，在增加带宽的同时，分散流量，减少风险。设备之间采用多链路连接，通过多种技术，如STP、RSTP、MSTP、VRRP、链路捆绑以及实现冗余设计，全网状连接甚至负载分担。广域连接采用多链路技术，通过线路的冗余及VRRP等路由器冗余协议实现广域连接的可靠性。另一方面，连接网络的设备必须关键部件冗余，比如接口卡、电源、电扇、交换引擎甚至背板等部件；部分部件（接口卡等）支持热插拔；可实现软件、配置的在线升级，不影响网络正常运行。（7） 网络的安全性安全威胁无处不在，简单的防火墙安全方案已远远不能保护网络，我们在尽情享受网络带来的巨大便利性的同时，需要保护自身不受侵犯，需要更安全、更全面的解决方案。首先，阻挡来自于Internet的安全威胁，除了防火墙之外，我们需要更深层的防护，比如主动入侵检测/防御系统IPS/IDS，VPN网关等。其次，局域网内部同样面临安全威胁，不同部门、不同类型的应用、不同的人员、不同的工作范围决定了不同的使用权限。VLAN、VPN、ACL等网络技术可提供不同形式的保护，同时可以将防火墙、IPS/IDS引入，保证内网的安全。第三接入安全。接入设备可以通过各种认证技术，比如802.1x、RADIUS、EAPOL等，将安全威胁屏蔽在网络之外。另外，防病毒也是网络安全建设必须考虑的重要问题，独立的防病毒软件已不能防范在网络中传输的病毒，只有网络设备的介入，才能更好的地域病毒的攻击，保护信息