田 心

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京市西城區(qū)，100120）

隨著我國煤礦自動化程度的逐漸提高，實現(xiàn)礦井的數(shù)字化生產(chǎn)與管理是確保煤礦安全生產(chǎn)、減員增效和綠色節(jié)能的重要舉措。由于目前我國煤礦數(shù)字化程度和所要完成的功能不同，自動化平臺構架也不盡相同，提出一個相對完整又具有一定先進性的平臺構架作為實現(xiàn)數(shù)字化礦井的建設核心很有必要。本文以陜煤集團小保當煤礦礦井數(shù)字化規(guī)劃為例，重點介紹了 “4層+2個支撐系統(tǒng)”的數(shù)字化礦山平臺邏輯構架體系、拓撲特點及應用情況。

1 自動化平臺現(xiàn)狀及發(fā)展

目前我國礦井單一自動化系統(tǒng)已經(jīng)基本實現(xiàn)，絕大多數(shù)單系統(tǒng)例如主排水和主運輸?shù)榷家褜崿F(xiàn)了自動化控制與管理。但到目前為止，雖然高速網(wǎng)絡及軟件技術得到了飛速發(fā)展，但數(shù)字化礦山建設在絕大多數(shù)礦井仍然處于淺層次的綜合自動化水平，主要實現(xiàn)了地面的遠程監(jiān)測監(jiān)控。只有在單系統(tǒng)自動化的基礎上，通過高速網(wǎng)絡接入各單系統(tǒng)使數(shù)據(jù)得到充分的融合，建立合理的聯(lián)動機制才能完成從單系統(tǒng)自動化到綜合自動化的轉變。

但是從綜合自動化向數(shù)字礦山發(fā)展，涉及到空間數(shù)字化及管理信息化兩方面的有機融合，再通過三維可視化平臺進行展示，同時通過科學合理的管理制度和流程加以應用，在合適的環(huán)節(jié)建立有效的決策分析系統(tǒng)，才能夠為領導層提供生產(chǎn)經(jīng)營管理的決策依據(jù)，自動化平臺發(fā)展見圖1。

圖1 自動化平臺發(fā)展

2 數(shù)字化平臺規(guī)劃

目前我國煤炭行業(yè)自動化平臺構架沒有一個相對固定的格式，國內(nèi)各個礦井根據(jù)規(guī)模的不同，其平臺構架方式和使用功能也都不盡相同。通過對近

年來一些礦井的自動化平臺進行比較后，對陜煤集團小保當煤礦礦井數(shù)字化自動化平臺進行規(guī)劃。

2.1 系統(tǒng)架構

礦井自動化平臺系統(tǒng)整體構架可分為 “4個層次+2個支撐系統(tǒng)”，4 個層次分別代表設備執(zhí)行層、數(shù)據(jù)傳輸層、運營管控層和經(jīng)營管理層；2個支撐系統(tǒng)代表云計算數(shù)據(jù)中心、二維及三維可視化展示，平臺規(guī)劃構架圖見圖2。

圖2 平臺規(guī)劃構架圖

2.1.1 設備執(zhí)行層

設備執(zhí)行層是自動化平臺構架的基礎，既是數(shù)據(jù)的采集者，也是決策信息的執(zhí)行者，包括以下3個層次的內(nèi)容：

（1）安全生產(chǎn)井上和井下動態(tài)實時在線信息的采集。這里主要包括生產(chǎn)環(huán)境在線檢測系統(tǒng) （如水、火、瓦斯、頂板和人員定位等）、綜合自動化系統(tǒng) （如綜采工作面控制系統(tǒng)主帶式輸送機集控系統(tǒng)等）、其它生產(chǎn)指揮信息采集系統(tǒng) （井下工業(yè)電視系統(tǒng)等）。

（2）生產(chǎn)技術和運營管理數(shù)據(jù)的采集。這里主要包括鉆孔、地震、機電設備和通風阻力測定成果等非實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及財務管理、運銷管理和人力資源管理等運營管理的數(shù)據(jù)。

（3）執(zhí)行控制層或管理決策層信息。通過管理決策層的分析和處理，其結果通過控制層和傳輸層達到執(zhí)行層，完成對設備的控制、礦體的空間形態(tài)和屬性的動態(tài)修正。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層采用以太網(wǎng)技術，由工業(yè)環(huán)網(wǎng)與信息網(wǎng)組成，采用網(wǎng)閘加防火墻技術進行安全隔離。其中工業(yè)環(huán)網(wǎng)包括安全、控制和視頻等獨立的環(huán)節(jié)，整個礦井采用有線和無線結合的方式實現(xiàn)全網(wǎng)絡覆蓋。

2.1.3 運營管控層

運營管控層通過對綜采工作面、主煤流運輸、輔助運輸、供配電、安全保障、生產(chǎn)輔控和調(diào)度通信等環(huán)節(jié)協(xié)同控制，完成生產(chǎn)調(diào)度、設備及人員等管理，并提供礦井安全的通風、防瓦斯、防火災、防水害、防頂板災害以及防游離煤塵等決策。運營管控層主要包括以下8個部分：

（1）綜采工作面分控中心。實現(xiàn)對工作面采煤機、三機、支架電液控、泵站和采面供電設備等的自動化控制。

（2）主煤流運輸分控中心。實現(xiàn)對主運輸系統(tǒng)的控制，包括采面膠帶工作面、盤區(qū)大巷膠帶、主斜井膠帶等一系列原煤生產(chǎn)流程相關的子系統(tǒng)集中遠程控制。

（3）供配電系統(tǒng)分控中心。實現(xiàn)對地面及井下各變電所集中遠程控制。

（4）安全保障分控中心。實現(xiàn)對人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下光纖測溫系統(tǒng)、頂板壓力安全監(jiān)測系統(tǒng)、礦燈房信息管理系統(tǒng)等與通風管理相關的系統(tǒng)集中控制和監(jiān)測。

（5）生產(chǎn)輔助分控中心。實現(xiàn)對主通風系統(tǒng)、主排水系統(tǒng)、壓風系統(tǒng)、計量稱重系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng)、機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、機房門禁系統(tǒng)以及工業(yè)電視系統(tǒng)等各類輔助監(jiān)測系統(tǒng)的集中監(jiān)測和控制。

（6）輔助運輸分控中心。實現(xiàn)對地面及井下各類輔助運輸車輛管理監(jiān)測與控制。

（7）調(diào)度中心。實現(xiàn)對地面及井下通信調(diào)度系統(tǒng)及動目標運維系統(tǒng)的綜合管理及監(jiān)控。

（8）決策中心系統(tǒng)。基于在線檢測系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、知識庫和模型庫等，建立水、火、瓦斯和頂板重大危險源預測預警系統(tǒng)，應用GIS 技術、網(wǎng)絡集成技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和數(shù)據(jù)庫技術對重大危險源進行檢測、識別及預測預警，將煤礦井下各類危險源數(shù)據(jù)集成于同一平臺，基于WebGIS統(tǒng)一展示，實現(xiàn)重大危險的早期預測預警，以提高煤礦重大危險源預警能力，降低重大危險源事故發(fā)生率。

2.1.4 經(jīng)營管理層

（1）運營管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于企業(yè)管理網(wǎng)絡平臺和數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)對人力資源、財務、物資、設備、生產(chǎn)計劃、成本管理、安全管理、運銷管理和協(xié)作平臺等數(shù)字化管理。

（2）生產(chǎn)技術綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)對“采、掘、機、運、通”整個生產(chǎn)業(yè)務流程中地質(zhì)、測量、水文、儲量、“一通三防”、采礦輔助設計、機電設計、設備選型等的完全信息化和網(wǎng)絡化管理。該系統(tǒng)包括安全生產(chǎn)信息調(diào)度報表系統(tǒng)、機電設備管理系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、地測管理信息系統(tǒng)以及任務閉環(huán)管理系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)。

2.1.5 云計算數(shù)據(jù)中心

建立運營管控云計算數(shù)據(jù)中心和經(jīng)營管理云計算數(shù)據(jù)中心，云計算數(shù)據(jù)中心包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和災備處理等，該中心主要針對于構架中運營管控層和經(jīng)營管理層兩個區(qū)域。管控層和管理層各建立一個虛擬化云計算數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心采用存儲不同建筑物異地容災備份，兩個數(shù)據(jù)中心采用網(wǎng)閘+防火墻的方式進行隔離。

2.1.6 二維及三維可視化展示

基于三維GIS或三維可視化系統(tǒng)或虛擬礦井平臺，利用實測數(shù)據(jù)構建井上和井下的虛擬環(huán)境，并能夠通過與其它系統(tǒng)的接口 （如瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)等），顯示監(jiān)測和供電等實時數(shù)據(jù)，瀏覽和查詢井下設備的各種參數(shù)和實時狀態(tài)信息，實現(xiàn)數(shù)字礦山主要管控過程的可視化展示、分析和操作。

2.2 拓撲結構

礦井綜合自動化系統(tǒng)所需覆蓋的范圍廣、規(guī)模大、控制距離長、涉及工藝多和信息量大，點對點的控制無法實現(xiàn)現(xiàn)場的實際要求，為了最大限度地保證系統(tǒng)的可靠性和實時性，就必須采用多級異構網(wǎng)絡結構，并保證異構網(wǎng)絡之間的互聯(lián)互通。根據(jù)自動化各組成部分的不同需求，礦井工業(yè)場地和風井工業(yè)場地各設置獨立的環(huán)網(wǎng)結構，目前主流的網(wǎng)絡結構有以下3種：

（1）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。這種方案是將全礦井的控制系統(tǒng)都通過控制網(wǎng)總線連接，結構簡單，通過網(wǎng)關連接至自動化環(huán)網(wǎng)。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)絡。這種方案是目前主流技術，各交換節(jié)點通過EtherNet連接，提供高速數(shù)據(jù)交換，具有很高的可靠性。

（3）GEPON 網(wǎng)絡。GEPON 是一種無源光纖傳輸網(wǎng)絡，可在一根光纖中同時雙向傳輸各種信息，井下設備簡單，分光器無源；系統(tǒng)帶寬利用率高，適合相對占用帶寬的視頻傳輸。

圖3 系統(tǒng)總體拓撲結構

在上述3種網(wǎng)絡中，現(xiàn)場總線網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)應用于絕大部分自動化網(wǎng)絡的構架，標準開放且支持的廠家多。GEPON 可提供全套設備的廠家較少，且受最遠交換節(jié)點距離限制。工業(yè)環(huán)網(wǎng)平臺根據(jù)業(yè)務應用不同，分別設置控制通信環(huán)網(wǎng)、視頻環(huán)網(wǎng)和安全環(huán)網(wǎng)，在井上和井下分別設置獨立的冗余環(huán)。井下自動化線纜在敷設中可事先埋入，系統(tǒng)總體拓撲結構如圖3所示。

2.3 平臺軟件系統(tǒng)

2.3.1 平臺軟件的特點及選型

煤炭行業(yè)有著其特殊性，與其他制造業(yè)不同，在信息集成和控制方面，不僅僅是生產(chǎn)過程，還要協(xié)調(diào)生產(chǎn)和組織安全。目前主要數(shù)字化礦山建設基礎軟件平臺一般有3種技術。

（1）各類組態(tài)+定制。采用組態(tài)SCADA 采集支持的通訊協(xié)議豐富，對底層設備接入的實時性和兼容性較好；除了遠程監(jiān)測監(jiān)控外，如進行一些優(yōu)化功能應用，需從底層進行二次開發(fā)，沒有專門的建模工具，開發(fā)難度大，一致性和可復制性差。

（2）PSI mining。基于SUN 公司的Solaris操作系統(tǒng)是一套SCADA 系統(tǒng)，不是一套自動化系統(tǒng)平臺，適合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和展現(xiàn)。該系統(tǒng)開發(fā)了一些針對煤礦的應用功能，但易用性 （客戶體驗）、實用性和可靠性需要進一步考量。

（3）ABB 800XA。先進的協(xié)同過程自動化系統(tǒng)，其基于協(xié)同過程自動化 （CPAS）的思路：人員、系統(tǒng)、設備的協(xié)同；Aspect Object技術，易于集成，提高集成效率、規(guī)模及集成度；Video 集成；電氣集成；信息管理及數(shù)據(jù)決策分析；電力和自動化集成；支持通訊協(xié)議豐富。

2.3.2 平臺軟件系統(tǒng)內(nèi)容

數(shù)字化礦山平臺軟件支撐主要包括安全生產(chǎn)運營管控基礎平臺、煤礦企業(yè)經(jīng)營管理基礎平臺、三維可視化平臺三大部分。

3 平臺構架特點

綜上所述，平臺構架有以下幾個特點：

（1）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心、統(tǒng)一的二維和三維展示。根據(jù)礦井管理分工的不同，整個應用平臺根據(jù)運營和經(jīng)營，分為偏向于控制的運營管控平臺和偏向于管理的經(jīng)營管理平臺，符合煤礦的管理特點。

（2）管控平臺根據(jù)應用對象的不同，以實際生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)為紐帶，劃分成三大中心和八大環(huán)節(jié)，平臺兼顧集中與分布控制特點，改變了原有煤礦自動化常規(guī)子系統(tǒng)的設計及劃分方法。

（3）采用控制和管理分開的兩個云計算數(shù)據(jù)中心設計，包括存儲移動災備設計，所有的應用部署于私有云中，保障整個信息化應用平臺的穩(wěn)定和彈性擴展。

（4）工業(yè)環(huán)網(wǎng)按業(yè)務應用采用多環(huán)設計，包括控制、視頻和安全等完全硬件獨立的環(huán)網(wǎng)，并且配置了環(huán)網(wǎng)交換機光纖斷電續(xù)接功能，保障光網(wǎng)絡的連續(xù)性。

4 結語

上述平臺構架已應用于煤炭工業(yè)建設 “十二五”示范礦井——陜煤集團小保當煤礦數(shù)字化礦山的規(guī)劃方案，目前煤礦數(shù)字化平臺還有許多問題有待解決，隨著信息化的不斷發(fā)展，一些更新的技術會融入其中，這需要一個不斷完善提高、不斷深化發(fā)展的過程，最終達到安全運行、高效生產(chǎn)、科學管理和減人提效的目的。

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