郭家湾矿井综合自动化系统方案探讨

        府谷县华能神府矿区府谷县华能神府矿区郭家湾煤矿位于陕西省府谷县西北部的悖牛川河东岸，行政区划隶属府谷县大昌汗乡管辖。矿井采用单水平平硐开拓，现有主平硐，长196m。矿井共划分为三个采区，以一个水平开采全井田，以一个综合机械化工作面，配两个机械化作业线集中生产；矿井煤炭自工作面到地面筒仓均采用带式输送机连续运输；矿井辅助运输采用先进的无轨胶轮车运输方式。
        郭家湾煤矿从一九八六年开始筹建，一九九二年正式投产。矿井设计年工作日330d，每天四班作业，其中：三班生产、一班准备，日净运输时间16h。矿井生产能力为900kt/a。矿井服务年限24.1a。其中3-1号煤服务年限14.4a，4-1号煤服务年限9.7a。
一、系统概述
        目前郭家湾煤矿的自动化水平已实现分系统自动控制，但尚未达到全矿数据的集中监控以及全局管理，基于此状况，提出建设煤矿企业综合自动化系统的需求。
        煤矿综合自动化方案的内容主要是建设统一的工业网络传输平台，将矿井的各个子系统汇聚到集成监控平台，充分考虑子系统的接入与整合，节省投资、资源共享，提高系统功能，并可与矿信息管理网实现无缝联接，从而为信息化矿井建设奠定坚实的技术基础。
        综合自动化系统由地面生产调度指挥中心、地面工业以太环网、井下工业以太环网和设备控制层组成。系统建成后，可实现矿井主要生产环节（如：原煤生产、运输、提升、供电、通风、压风、排水、选煤厂等）的远程集中监控；同时建设一套包括：工业电视监控系统、大屏幕显示系统、安全监测监控系统、人员定位安全管理系统、通信系统等在内的煤矿生产经营综合自动化管理平台，实现整个矿井的生产信息、管理信息的集成化管理，为生产调度、决策指挥的信息化提供有力保证，为矿井预防和处理各类突发事故和自然灾害提供有效手段。
        煤矿综合自动化系统的建设最终实现：
        - 实现企业的经营决策、生产管理和过程控制信息有机集成；
        - 实现科学的经营管理，优化生产计划（资源配置和加工方案）、生产调度、工艺操作和过程控制；
        - 确保安全生产，降低原材料和能源消耗，提高产品产量、质量和附加值,提高产品市场适应能力；
        - 提高企业经济效益和企业的竞争能力。
        为了实现集中监控以及全局管理目标，由公司内部组成专业团队全面了解了目前市场上各大自动化、信息化软件厂商及其产品、方案和服务，明确了系统需要满足数据采集、传输、存储、分析、展示以及实时监控的稳定性、可靠性、及时性等指标要求。最终，亚控科技凭借其卓越的产品、尖端的技术、完整的产品线、完整的解决方案、丰富的行业经验和典型案例以及贴心的本土化服务赢得了郭家湾煤矿的认同，郭家湾煤矿与其成功签约建设远程运营管理系统。
二、系统建设基本要求
        监控平台架构实现全矿井各子系统总集成，具有智能电气仪表、安全保护系统、电力监控系统的深度集成功能，提供标准接口接入子系统，高度集成的人机界面，完成各类数据的汇总，并进行分类处理和提炼加工，为信息层综合展示提供基础。具有与集团联网功能，支持集团安全管理的需要。具体需实现以下功能：
1、数据交换
        建立数据中心，通过数据交换代理实现各个子系统相关数据的集中，并反馈相应结果。即分布式的数据集成和集中式的数据共享，支持异构环境中的服务、消息以及基于事件的交互，并且保证数据交换和传输中的安全。
2、数据采集接口
        调度集成监控平台采集方式采用国际化标准软件接口方式，方便各子系统厂家的开发式交流，使子系统无缝接入综合管控平台中，数据接口硬件采用RJ45以太网口，软件接口采用OPC接口。
3、实时运行参数监测
        采用基于面向对象控制和监控方式，对各监控系统采用组态、图形、报表的形式，实时显示、采集生产工况参数，实现视频、安全信息、设备信息的高度集成。
4、实时过程控制，历史数据查询，设备故障及模拟量超限报警
       分析采集的参数，各系统自动完成过程控制，或由调度员操作控制；生产实时监测数据均可以存储于系统数据库中，可以实现历史回显、历史趋势分析，及直方图、饼图等进行综合分析；当设备故障或模拟量超限时，生产监测及管理网络同步显示故障设备名称，并可实现语音报警，实时打印故障功能。服务器将该故障信息存入故障信息数据库，供以后统计分析。
5、生产实时画面监测
       工业电视信号可直接接入监测终端，当出现异常（故障、违章、检修）时，可联动弹出监测点视频画面，供操作人员参考，并可以通过网络上传集团公司。
6、区域生产作业环境评估
       通过对各子系统已接入的环境参数进行重组和计算得出每个区域的评价结果，也可结合现有其它系统（如：通风瓦斯预测、安全量化评估管理系统、人员监测系统等）进行区域状态的综合评定，并在图中实时显示，系统可输入算数、逻辑等各种表达式进行运算得到评价结果。可以起到矿井安全多层防护作用，加快安全事故隐患排查效率，达到事前预警，从而提高矿井灾害预防能力。实现目标：平台操作人员能简单地、一目了然了解矿井各区域安全情况和实时人数，通过屏幕上红色、橙色、绿色等颜色直观地判断目标区域是否安全。
7、系统或设备联动
       实现设备启动、停车或异常时，相关系统及时弹出信息，关联显示当前状态，确保设备运行安全和稳定。如胶带机启车时，相关电气设备运行数据的及时显示和胶带机机头或机尾摄像头图像的显示。实现目标：设备异常或启停是，操作人员无需更进一步操作，即可在一个统一界面上观察到该状态操作人员必须观察的运行数据、实况图像等。
8、生产效能评估
       通过对当前和历史数据进行分析和统计，得出全矿各系统在某段时间内累计影响生产的时间以及影响生产的主要因素，通过历史追忆的形式分析得出全矿井的能耗比、各生产环节的故障率，从而减少各类故障和资源浪费，实现节能增效。实现目标：生产投入与产出透明展示，能耗、效益直观显示；
9、自动预警功能
       通过矿用监控数据中心接入各个子系统，然后对已接入的测点进行自动分类监测、处理，由已接入测点的设置和一段时间内的历史数据，根据预警值算法计算得出该测点的预警参考值，并由此参考值对测点的实时值进行处理得到测点的预警状态。实现目标：在没有达到报警状态前就掌握目标的变化趋势，让各种超限报警消失在萌芽状态。
10、应急预案管理
       矿井生产的情况瞬息万变，一旦发生异常需要及时处理以保障人员和设备安全，降低风险。应急预案管理可在异常事件发生时，自动按照预案的设计启动处理流程而不需要人员的干预，同时调度人员根据实际情况做出的判断，也可以通过该管理平台向外发布，进行及时的应急指挥。实现目标：矿井各类预案进入系统，进行无纸化处理，遇到紧急情况按系统提示一步步进行处理，不至于慌乱。
11、GPRS短信报警
       平台具备GPRS短信报警功能，自动将监测报警信息通过GPRS发送到相关人员手机上，便于领导及时了解安全生产情况，制定相关决策，保证安全生产。当测点有故障、报警时，监控中心会自动将故障、报警的详细内容以短信的形式发送到预设的手机上。
12、操作功能要求：
       ◇ 在冗余功能：采用双服务器(互为冗余) ，两台服务器间自动实现数据的同步，并互为热备，实现双机热备用，当其中一台计算机出现故障时，可自动切换到另一台计算机，以防止数据丢失或控制失控。
       ◇ 系统容量：系统输入/输出点位支持可采集无限个监控点，巡检周期符合行业规定。
       ◇ 显示功能：能实时显示各类接入的子系统如各胶带机、通风机、泵房、变电所等相关设施及所有信息状况，并能方便地进行多画面切换；当被测参数超限、保护动作及设备运行状态改变后发出语音、文字告警提示。
       ◇ WEB功能：能将各子系统显示的各类实时动态图形（符合要求的）转换为HTML或XML，供客户通过IE浏览。同时在综合监控集控中心组态综合实时动态图形供用户浏览。
       ◇ 控制功能，故障自诊断功能，报警功能：具有远程启动、停止、复位和测试功能，并具有可进行地面远程编程、故障(保护)屏蔽及控制方式转换等功能；提供网络故障判断提示，可将故障定位在交换机级；能为用户提供各类监测系统的实时报警信息包括超限报警、开关报警、系统在线设备的故障记录。系统能自动统计出昨日、当日、当前的报警故障个数，并可点击查看相应详细信息，可以按子系统、类别、等级、日期段等条件查询和统计历史报警或故障信息。
       ◇打印统计功能：能实时或按时间段打印各类接入的子系统如胶带机、通风机、泵房、变电所等相关设备的运行参数(如运行时间、电机电流等)和运行状态(如开停状态、故障类型、故障发生时间等)；对数据进行综合处理，满足报表统计、曲线图、柱状图显示并能打印输出。系统能选择日期查看某测点历史数据的曲线，在曲线的值坐标上可以自定义刻度。
       系统可以查询任何系统中设备的开停情况，如开时间、次数等，可查看累计量信息及统计图表，还可查看整个系统的网络故障信息可方便用户管理。
       ◇ 操控界面，实施管理，报表曲线，事故追忆：
       界面友好，全汉字图形组态，支持动化技术、图形缩放技术、多级窗口技术等，数据、曲线实时显示，能进行多画面切换；系统可在监测状态监测各类数据，也可在编辑状态下设置各个报警值；系统提供实时、历史报表曲线。实时曲线画面反映一定时间间隔的实时数据的变化趋势。历史曲线画面反映过去某个时间段的实时数据变化趋势。通过曲线报表将子系统的各个主要设备参数连续的记录并保存，以便以后的查询，调用管理；按时间顺序，将各个历史动作的顺序、时间记录下来，供事后分析用；在设备参数超过预警门限时，系统自动将设备主要参数记录下来，供事后分析用。
13、支持分区监控模式，实现远程现场作业指挥的管理。
14、资源信息管理
       支持设备维护工作订单、历史工作订单、设备状态、预防性维护、设备备件、故障报告、设备档案信息等功能。具备停车管理功能。实施维护操作，操作员被告知资产故障已被纠正过程控制与维护操作的无缝集成和互动。
三、系统方案架构
       郭家湾煤矿集中监控系统建设实现构件化、模块化和平台化，以保证各系统及子系统的各项功能，满足可持续性开发需求，每一个应用程序都做到高度模块化，以便支持可能的跨平台的移植能力，同时具备可扩展的技术框架和标准的对外接口，为与系统外的应用系统和二次开发预留接口。
        郭家湾煤矿集中监控系统拓扑结构如图1所示。

       系统采用亚控的高端组态软件King SCADA软件，搭建统一的软件监控平台。在此平台上通过人机界面（HMI）可实时监测子系统设备工况，并可对各子系统的I/O进行控制。将全网监测数据存入工业实时历史数据库KingHistorian,同时通过信息分析平台对各子系统的设备状况进行分析、查询、统计。通过WEB发布使管理人员通过矿信息管理网上的PC终端，用IE浏览器访问工业以太网的Web服务器，可在信息网浏览和查询控制网的系统信息和进行必要的权限控制。
四、系统特点
● 高可用性和冗余功能： King SCADA组态软件采用C/S架构和B/S架构，在集控中心设立两台服务器(互为冗余)，两台服务器间自动实现数据的同步，并互为热备，当主服务器故障时，从服务器可在1S内实现自动接替主服务器的工作，以防止数据丢失。
● 操控界面：界面友好，全中文图形组态，支持动画技术、图形缩放技术、多级窗口技术等，数据、曲线实时显示，能进行多画面切换，系统支持32000*32000分辨率的大画面过程数据浏览，可以进行不失真的无极缩放。
● 监控功能：能实时、准确地采集各子系统的数据，并以组态画面和组态图表的形式表现出来，在任何一个操作站上，各专业的操作人员有各自的权限，可根据不同权限监视自动化系统设备运行工况，并可根据要求控制现场的设备。
● 打印功能：能实时或按时间段打印各子系统相关设备的运行参数和运行状态，如开停状态、故障类型、故障发生时间等。
● 实时管理界面的功能：系统具有编辑态、置数态和运行态三个状态，在编辑态下可修改系统的一些消息类别、用户文本块和报警临界值，在置数态下可对一些动态变量进行修改，在运行态下只能对实时模拟量数据进行监视。
● 报表曲线功能：系统提供实时、历史报表曲线。实时曲线画面反映一定时间间隔的实时数据的变化趋势。历史曲线画面反映过去某个时间段的实时数据变化趋势。通过曲线报表将子系统的各个主要设备参数连续的记录并保存，以便以后的查询，调用管理。
● 历史事件记录功能：按时间顺序，将各个历史动作的顺序、时间记录下来，供事后分析用。
● 实时报警功能：当设备故障或模拟量超限时，监控子系统与自动化平台同步显示故障设备名称、报警测点名称及数值。
● 事故追忆功能：在设备参数超过预警门限时，系统自动将设备主要参数记录下来，供事后分析用。时间段长度可由系统维护人员在系统数据库中修改，事故前追忆点数和事故后延续点数也可在参数中修改。
● 控制功能：具有本地和远程启、停功能。
● 故障自诊断功能：具有强大的系统自诊断与故障报警功能，可准确判断设备故障类型、位置，并能提供图像和声音报警提示以及打印输出。
● 系统维护和可扩展性：在工程师站上可以进行组态编程，同时兼做网管工作站，当子系统监控需求变化时可以很方便的进行调整。同时，为待建子系统留下接口，可以方便地组态和集成。
● 控制灵活性：各专业子系统即可独立操作，也可在平台上统一集控。

 
五、总结
        郭家湾煤矿综合自动化系统井上井下两个环网，把井上井下的各个子系统的数据及画面统一到综合自动化平台。对煤矿的人员监控（人员定位）、环境监控（瓦斯）、设备监控（主井、副井、通风机等监控）的综合监控。实现整个矿井的生产信息、管理信息的集成化管理，为生产调度、决策指挥的信息化提供有力保证，为矿井预防和处理各类突发事故和自然灾害提供有效手段。