三大平台集成煤矿自动化系统

把现有的自动化系统整合到统一的综合自动化平台上,利用信息化提高机械设备的利用效率和安全生产管理水平,已成为义棠煤矿迫在眉睫的任务。

山西义棠煤业有限公司始建于1956年,在2003年时圆满完成了120万吨矿井改扩建工程,跻身于山西省大型煤炭企业行列。该煤矿属于地方国有煤矿,煤层距地面约400米,属于深度煤层。从安装施工和设计的角度来说,煤矿具有非常好的设计条件,属于新建矿井,目前井下巷道分布简单、设备相对集中,便于集中控制和联网,非常适合开展矿井综合自动化系统的实施。

义棠煤矿的目标是建设矿井供电自动化控制、数字工业电视、通风安全监测、井下小灵通通信、矿井主煤流计量等17个系统。如果这17个系统不进行综合自动化的集成,将会处于相互独立的状态,各系统自成体系,形成“信息孤岛”; 并且通信线路和组态软件存在重复投资,系统维修维护困难、整体可靠性差。这将导致对各种自动化系统不能综合利用,无法统一监测、统一调度,会严重影响生产力水平的提高。

因此把现有的自动化系统整合到统一的综合自动化平台上,利用信息化提高机械设备的利用效率和安全生产管理水平,已成为义棠煤矿迫在眉睫的任务。2007年9月,义棠煤矿通过三大平台实施了计算机信息化和全集成综合自动化系统建设。

网络传输平台

在义棠煤矿的自动化监控中心, 各个子系统都与附近的自动化系统相联,包括井上35kV变电站、 矿井皮带监控、 瓦斯监测、通风机电控、主排水泵电控、 锅炉控制、地面装车自动监测等。每台交换机配有12个100Mbit/s RJ45以太网接口、2个1000Mbit/s光纤接口、1个C-PLUG 卡和2个电源模块,另外在地面的筛选车间和井下的1#、2#变电所、两部卡轨车的交换机上都各配备1个百兆模块(含2个100兆光纤接口)。在地面西风井、西下山3#皮带、综采工作面、地面筛选安装了4台百兆小交换机,它们通过光纤与骨干交换机相联,形成星形网络结构。

在工业以太网的设计上,将其分为两个环,下环为工业以太网控制环,主要实现控制信号在环网上实时、可靠的传输; 上环为终端环,连接各个监控终端。两个环间通过冗余的WinCC实时服务器实现控制数据的交换,两个环之间不存在直接的网络连接,从而保证了传输平台的可靠性和安全性。

集成监控平台

该平台为各自动化系统搭建了一个统一的软件监控平台,各自动化系统在此平台上通过人机界面可实时监测设备状态,并可对各系统的I/O进行控制。同时,通过实时数据库和归档服务器存储历史数据,系统可对各自动化系统的运行状况进行分析和处理。

集成监控平台的核心采用冗余设计的WinCC服务器,WinCC是运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心,它集生产自动化和过程自动化于一体,实现了相互之间的整合。这两台服务器互为冗余、热备,正常情况下两台服务器同步工作; 当其中一台出现故障时,另一台可自动接替工作,不会丢失生产数据,保证了系统的可靠性。另外,系统还专门设计了冗余的归档服务器,对历史数据进行归档和分析处理。

工程师站和操作员站分别通过WinCC服务器实现各自的功能。在工程师站上可以统一对各个自动化系统进行组态编程,并可兼做网管工作站。每个操作站上安装一个自动化监测监控系统,各子系统的操作站通过交换设备与SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition,数据采集与监视控制系统)服务器进行互联,SCADA服务器负责采集各个被监控的系统数据。

子系统接入平台

自动化子系统硬件接入普遍采用以太网接口,但是根据控制点的分布、各自动化子系统和接入技术的特点,目前共有4种接入方式。

1. 上位机接入方式。有些自动化系统比较简单,没有以太网接口,但有上位机,所以可以通过在该上位机增加通信网卡来获得以太网接口。

2. PLC接入方式。有些自动化系统采用PLC(可编程控制器)进行控制,可以对PLC增加以太网模块,与附近的交换机进行物理上的网络联接。

3. 子网络接入方式。有些自动化系统已经很成熟,并且自成网络,对外有统一的网关接口,直接采用这个接口即可接入到网络传输平台中。

4. 扩展接入方式。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RS485/232或现场总线等串行接口,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。

在各个自动化子系统与综合自动化的千兆以太网进行物理上的网络连接以后,下一步要解决的就是通过软件进行数据通信问题,各自动化子系统与SCADA服务器的数据通信有OPC通信方式、驱动通信方式、DDE(动态数据交换)/NetDDE方式和自主开发等4种方式。

集成后的三大特色

●全矿井网络视频

由于在义棠煤矿建设的是千兆工业以太网,因此可以在地面及井下大规模应用数字网络视频技术。在保证高清晰视频图像的前提下,不仅使摄像头的安装和使用变得很方便,而且也节约了大量的光缆敷设和维护费用,并且便于数字视频信号在综合平台上的传输和高度集成。

义棠煤矿在地面和井下一共安装了27路网络摄像仪,井下采用的是隔爆网络摄像仪,所有视频的集中管理、存储和Web浏览功能,都能与DLP大屏进行集成,同时能在自动化系统平台上进行视频集成。视频服务器的每路输出带宽可根据实际情况在128KB~15MB之间调节,并且支持转码流,可以将网络中的高清晰图像转换为一般质量的图像,以方便某些特定场合下用户使用,例如节点网络带宽不足和存储空间不足时,就可解决信息网浏览视频的带宽等问题。另外,系统采用了良好的视频转发机制和网络组播实施策略,用户权限优先级可以灵活设置。

●三网合一

各个自动化子系统通过千兆工业以太网把实时数据传输到地面的监控中心,保证了数据传输的优先性和实时性。由于工业电视系统已经全部实现了数字化,视频数据通过视频编码器转化成数字信号,通过工业以太网进行传输,将网络视频数据高度集成到集控平台上,从而延伸了视频服务功能。另外,语音数据也能够通过工业以太网传输到集控中心的语音调度平台。

这样,义棠煤矿就实现了数据流、视频流、语音流同缆同芯传输,以及数字信号的同网传输,便于综合自动化系统平台的高度集成。这套系统真正实现了三网合一,优化了传输方式,减少了成本,克服了传输通道的瓶颈。在可保证数据稳定传输的前提下,千兆控制网的可用带宽也得到了充分的利用。

●管控一体化

义棠煤矿全集成综合自动化平台高度集成了自动化生产信息,并通过Web 服务器的WinCC Web Navigator为经营管理层提供了过程控制信息,在经营管理层和过程控制层之间建立了能够对生产过程进行直接管理的交互通道,打通了管控之间的屏障,实现了控制信息资源共享,提高了自动化系统数据的准确性和实时性。

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