矿井综合自动化信息系统的设计

[摘 要] 为了实现矿井生产环节中的信息化和自动化管理，依托矿井工业以太环网络，设计了矿井综合自动化信息系统，并对系统结构和综合自动化信息软件平台进行了详细设计，从而实现了矿井各个生产环节和层面上的综合自动化管理。通过矿井生产全过程的监控，实现了矿井综合信息的自动化管理，提升了煤矿企业的核心竞争力。

[关键词] 矿井； 综合； 自动化； 信息平台

1 引言

综合自动化、信息化是煤矿实现高产高效的有效手段，对于提高煤矿的生产运行状况、安全水平、事故灾害预测预报以及生产业务管理具有重要的作用[1]。矿井综合自动化和信息化监测监控信息平台是将先进的自动控制、通讯、计算机技术、信息技术和现代管理技术结合，将企业的生产过程控制、运行与管理作为一个整体进行控制与管理，提供整体解决方案。针对目前煤矿的实际需求，以高效、可靠、安全的自动化网络系统来进一步完善矿区综合自动化，最终达到矿区的综合信息化、企业的控制最优化，从而提高企业核心竞争力。

所以无论从企业利益考虑还是从技术角度分析，都需要一种可操作性高的，具有普适性、高移植度、高集成度的自动控制解决方案[2]。通过建立这样一个综合自动化信息系统，在其上面搭载各种用途的设备、各种类型的子系统，从而实现资源共享、高度集成的自动化体系。

2 系统总体设计

2.1 设计目标

系统的总体设计目标：依托矿井工业以太环网的高速控制网络，通过矿井生产过程控制，实现数据采集自动化、业务信息集成化、信息管理网络化，最终实现煤矿管理决策的科学化、现代化和智能化。

2.2 平台设计

该平台设计建立在充分体现煤矿企业效益的基础上，主要分为信息管理层、接入层和设备层等3个主体层次，涵盖了煤矿企业经营管理、安全监控、生产控制、设备监控等多个方面的设计，实现了矿井各个生产环节和层面上的信息自动化监控，平台的总体架构如图1所示。

系统以矿井综合自动化信息化平台为主体，以矿用光纤工业以太环网和工业现场总线等技术共同构建的综合数字化信息传输平台。提供了各种通用的数据接口，在此之上，设计了相应的人员定位、安全监测、火灾束管监测、矿压监测等多种在线监控系统；根据实际企业需求，还设计了包括物资仓库管理系统、人员档案系统、行政管理系统等多个辅助综合管理系统；通过工业以太网平台统一传输到信息中心平台上进行统一的管理。从而实现矿井的“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节上的信息化和自动化管理。

系统总体上要求稳定性强，人机界面友好，操作简单，维护方便。系统硬件上要具备防爆、防雷、防尘、抗电磁干扰、抗高温、抗水等基本特性，以适应矿井的实际工作环境。

2.3 系统结构

根据系统信息通信要求，系统总体结构划分为三层：信息管理层、传输控制层、设备控制（接入）层。系统总体结构如图2所示，相应的信息结构模型如图3所示。

信息管理层主要完成安全监控、生产组织管理和其它业务（包括语音通信、短信通知、远程瓦斯监控等）。包括网络管理服务器、数据库服务器、WEB服务器、视频服务器和个人计算机、工业以太网设备、相关的管理软件，网络由基于TCP/IP的Ethernet组成，Ethernet贯穿于全矿各管理职能部门。

传输控制层主要是信息通信的基础平台。

设备控制层是由各个专业的生产过程监测、监控子系统构成，完成煤炭生产各个环节的过程监测及自动化控制。这些子系统采用的技术和结构形式可以多种多样，例如，可以是基于PC的分布式系统、PLC系统，也可以是智能化的机电一体化的设备，通过总线方式接入综合自动化信息监控层网络节点联网。该层主要功能是实现人员定位，并对矿井安全生产的全过程进行在线控制与监测。

设备接入层包括通信调度、人员考勤定位、瓦斯（传感器）监控、视频监控、工业自动化（传感器）监测、应急救援通信等。控制层包括信息层和控制层网关设备、信息中心的中央控制站、传输网络、现场控制分站、现场操作员站等组成。系统的主干网络采用光纤传输，能够把矿井的设备控制层中的各子系统连接到该系统平台上。传输控制层将不同厂家生产、采用各种不同技术方式、用于不同生产过程的监控子系统或单元所产生的各类不同标准的信息进行汇总，并进行加工，使其可以共享，改变目前通讯不畅，信息不能共享的状况。达到信息资源利用的最佳化。同时，通过各专业子系统对各生产过程进行监控和调度操作。通过传输控制层，向下能对矿井内各控制子系统控制命令和编程下载等功能，并能监视各子系统内设备的运行状态，收集所需的生产和安全参数；向上则能够连接信息管理网。

3 综合自动化和信息化软件平台

3.1 设计原则

结合煤矿综合自动化信息化监控系统建设需求，建立全矿井信息中心，信息中心设有矿井各生产职能部门的控制终端，分别由专人对矿井的各生产环节控制。

系统以矿井工业以太环网为信息传输网络，真正实现先进的工业控制网络结构，使整个系统配置合理，信息共享，提高指挥效率和生产率，达到减人提效的目的。在信息中心实现对矿井安全生产设备的集中控制和监测。往下能对矿井内控制系统控制命令，并能监视各子系统内设备的运行状况以及所需的生产和安全参数，往上能够上联集团公司的广域网，实现矿井与公司之间的生产和管理信息及时交换，实现管理一体化。信息中心能够做到对井下电气设备进行集中监视和控制。井下各系统的控制实现无人值守，充分满足现场运行、检修要求。信息中心可根据现场情况起停设备，设备的监视控制均在信息中心进行，从而实现全矿的管控一体化。

3.2 平台设计

系统平台的设计参照SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统的建设思想[3]。SCADA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。SCADA系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它包含两个层次的含义：一是分步式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机HMI（Human Machine Interface）系统。

基于 PC 的操作员控制和监视系统正处于快速发展阶段。WinCC是使用最新软件技术的市场领先创新软件[4]。它可以提供 Windows NT、Windows 2000/XP和Windows 2003标准环境下安全控制过程所需的所有功能。WinCC是一种按照价格和性能分级、能高效控制自动化过程的过程可视化系统（SCADA）。WinCC的特殊功能之一是其整体开放性。它可方便地与标准和用户程序组合在一起使用，建立人机界面，精确地满足实际需要。系统集成商使用 WinCC作为系统扩展的特定平台，经过开放式接口，可开发其自己的应用系统。可用于办公环境和制造业，以提供成熟和可靠的运行机制及高效的组态。同时，WinCC系统可以提供大量的扩展功能，可以胜任复杂的多任务处理，因此，本系统采用WinCC进行集成平台的设计。

3.3 软件平台接口

根据系统的实际需求，采用OPC、DDE/NetDDE、ODBC和FTP协议进行数据接口对接。OPC是过程控制中的对象连接嵌入技术，在设计数据接口方面就采用微软的OLE技术，并提供相应的控件、动态链接库，即支持OPC接口技术，这一技术已成为工业界系统互联的缺省方案，给工业监控编程带来了便利，通过在管控网络单元的服务器中设计有OPC客户模块，可直接与具有OPC服务器的现场单元系统存取数据。

NetDDE是基于网络的动态数据交换（DDE）技术[5]，既可存取本地DDE服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的DDE服务器，它比OPC在速度和安全性方面要逊色。但对一些动态刷新系统（如监测系统）它仍不失为一种简单有效的方法。

ODBC是开放数据库联接的是一套API，在API上可以编写应用在各种 RDBMS 服务器上互操作的应用。ODBC 提供一个与产品无关的在前端应用和后端数据库服务器之间的接口，允许用户可以书写可以运行于来自不同厂商的数据库服务器上的应用。管控网络单元的服务器可存取共享的数据库达到与现场单元系统的数据交换。这对于既无OPC服务器又无DDE服务器的现场单元系统是一种行之有效的方法。

而FTP文件传输协议为系统各个主机间的文件共享提供了支持。控制连接使用类似TELNET 协议在主机间交换命令和消息。这对于既无OPC服务器又无DDE服务器的现场单元系统是一种稳定、有效的接口方案。

3.4 控制网络

综合工业自动化控制系统的顺利实施是建立在可靠的网络平台基础之上的，稳定可靠的网络平台是矿井生产的重要保证。本系统采用的接口协议，均是在自控、以太网络、计算机应用方面标准协议，标准协议的采用为与综合自动化其他系统地互联、互通奠定了基础；而模块化的设计思路，为系统的扩展和数据整合奠定了基础；同时，客户机/浏览器的系统结构，免去了客户机维护，减少了系统的管理成本和日后的升级维护成本。

随着以太网技术在工业自动化场合的广泛应用，许多控制器、PLC、智能仪表、DCS 系统已经带有以太网接口，这些都标志着工业以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方向。采用的基于工业以太网的集成式全分布控制系统，具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和互操作性的特点，因此，本方案采用工业以太网技术进行综合自动化控制网的设计。

4 结语

该系统利用计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术等把煤矿矿井建设成先进的“管控一体化矿井”，采用了多种现代化信息与自动化技术，建立了全矿井监测、控制、管理的集成化，大大提高了矿井的自动化控制水平，提升了企业的现代化管理水平。

[参考文献]

[1] 吴同性，李超亚. 耿村煤矿综合自动化矿井创建实践 [J]. 中州煤炭，2011（7）：95-96.

[2] 林立云. 信息平台在煤矿开采中的应用 [J]. 煤炭技术，2013 32，（2）：84-85.

[3] 宁桂峰. 矿井综合自动化信息集成平台设计研究[J]. 煤矿开采， 2008（6）：11-13.

[4] 王猛，汪云甲，陈国良，等. 煤矿开采损害信息管理系统的设计与实现 [J]. 煤炭技术，2012，31（3）：172-174.

[5] 孙学军. 基于Web Services 的煤矿信息事例平台设计 [J]. 煤矿开采，2011，16（4）：29-32.