煤矿综合自动化系统的设计与研究

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[摘要]煤矿综合自动化也被称为CIMAS（Computer　Integrated　Mine　Automation　System），是利用自动控制技术、网络技术、通信技术和计算机技术等先进技术，将煤矿的生成全过程建成现场总线加上工业以太环网为网络平台的矿井综合自动化系统。本文结合工作实际，从综合自动化系统设计的目标出发，并就煤矿综合自动化系统设计的内容进行了研究与探讨。

[关键字]煤矿；综合自动化；设计；研究

煤矿综合自动化系统主要包括了风机在线监测监控子系统、电力监测子系统、瓦斯抽放监测子系统、主副井提升监测子系统、胶带机监测子系统和机车调度系统等等。综合自动化系统将各自动化子系统在异构条件下进行有效的集成与整合，实现对生产状态的实时评估，以及业务数据的综合分析。并通过对生产和安全中主要设备的监测与控制，以达成全矿井生产调度、数据采集和决策指挥的信息化管理，提高矿井预防和处理各种自然灾害和突发事故的能力。

1.煤矿综合自动化系统的建设目标

1.1采用多媒体通信技术、数据库技术、计算机网络技术和视频监控技术等多种先进技术，建立集合全矿井管理、控制和监测于一体化，并以网络为基础的大型开放式综合控制系统，进而实时矿井生产和建设中的各个环节的自动化控制。

1.2建立基于矿井生产和建设各个环节的就地自动化、远程自动化和综合自动化的三级自动化体系，以最大程度的实现生产安全和减员增效的目的。

1.3建立矿井集中自动控制中心，使其成为矿井生产建设中各个环节的控制中心，以及实时数据信息传输的枢纽，为矿井生产的工程调度、综合过程控制、设备人员管理和故障分析等一系列工作提供全面的实时信息，并为矿井预防和处理自然灾害和突发事故提供信息基础。

1.4充分利用各种网络安全技术，以最大化保障自动化系统的网络安全，并确保系统的安全、顺利运行。

2.煤矿综合自动化系统的设计与研究

煤矿综合自动化系统的设计内容，主要包括了网络传输平台和子系统接入平台这两方面内容。煤矿综合自动化系统的网络架构示意图，见下图1。

2.1网络传输平台的设计

通过建立全矿井的综合自动化网络系统，在主干网络采用单模光纤传输，将矿井的设备控制层各子系统连接到系统平台上。并在监控中心建设终端环，对矿井内各控制子系统控制命令，监控各子系统中设备的运行状态，收集所需的生产与安全参数，同时通过Web服务器连接信息管理网，实现生产管理信息的沟通与交换。

（1）网络传输平台的要求：应具有高度的可靠性、实时性、安全性和开发性。

（2）网络传输平台的特点：采用PROFINET技术标准，具有极高的可用性；提供工控领域的全线产品，拥有产品一致性的特点；具有开发性的标准协议；备件和备品的通用性较强。

（3）网络传输平台主要设备的技术要求和配置

①传输光缆：光缆均使用单模，井下主光缆使用36芯光缆作为网络的传输线路；地面光缆则使用12芯光缆作为千兆工业以太网的传输链路。

②交换机：核心交换机配置不少于4个千兆光纤接口，并支持强大的端口扩展能力和网络路由功能；环网交换机配置不少于2个千兆光纤接口，并支持强大的端口扩展能力，接核心环网交换机不少于3个千兆光纤接口。支持虚拟局域网技术（VLAN），质量服务（Qos），多播过滤功能（IGMP），流量限制功能。

③服务器：使用双机热备方式的高性能服务器，亦或是部件级冗余的工业标准容错服务器，在满足功能需要的基础上，完成简单维护。对服务器所有部件均要求能做到热插拔，即CUP、电源、硬盘、内存、风扇或主机板等设备出现故障时，能在不停机的基础上进行更换，从而使硬件故障所导致的非计划停机时间能缩短在每年5分钟以内。

2.2子系统接入平台设计

（1）子系统接入的要求

对子系统接入硬件的要求为：上位机需使用OPC方式；PLC应具有支持ProfiNet的以太网模块；使用标准化的以太网接口；具有良好的兼容性、可靠性和扩展性；某子系统的通讯或元器件出现故障时，不影响其他子系统的的通讯和整个网络的传输性能。

对子系统接入软件的要求是：子系统的生产厂商应提供所有需要的I／O变量、组态图形、数据类型、名称等；子系统的软件通讯协议支持标准OPC通讯协议；上位机的软件支持标准的OPC接口，且数据的通讯延时不得大于0.5秒。

（2）硬件接入方式

根据控制点的分布、各自动化系统的特点和接入技术的特点，可考虑以下四种接入方式，并且需要原厂家提供软件通讯协议和以太网接口。

①PLC接入方式：自动化系统采用PLC进行控制，可以在PLC上增加以太网模块，与交换机进行物理上的网络联接。

②上位机接入方式：对自动化系统较为简单，没有以太网接口，但有上位机，可以在该上位机上增加通讯以太网卡，与附近的交换机进行物理上的网络联接。

③扩展接入方式：对于自动化系统没有以太网接口，也没有上位机，但该系统支持RS484或ProfiNet等现场总线，则可以增加转换设备，通过扩展方式转化成以太网接口与交换机进行物理上的网络联接。

④子网络接入方式：对于自动化系统已经很成熟，并且自成网络，对外有统一的以太网接口，则可通过RJ45口与交换机进行物理上的网络联接。

（3）软件接入方式

当各个自动化系统与综合自动化的千兆以太网进行物理上硬件网络联接后，则需要解决通过软件进行数据通讯，各自动化系统可采用以下四种通讯方式：OPC通讯方式、驱动通讯方式、DDE／NetDDE方式。最为合适的是采用OPC通讯方式，并使用原厂家提供的OPC接口。

①OPC通讯方式：如该自动化系统具有上位机，且该上位机软件支持OPC　SERVER，则可通过上位机软件的OPC方式进行通讯。

②驱动通讯方式：如组态软件支持该自动化系统的PLC的驱动，或者该PLC有基于OPC　SERVER的驱动，则可以通过组态直接与PLC通讯进行数据交换。

③DDE／NetDDE方式：DDE／NetDDE通讯方式是一种标准的网络接口，是Ms　Windows操作系统提供的一种动态数据交换信息通讯机制，它允许两个应用程序通过连续自动的交换数据来进行对话。

3.总结：

煤矿综合自动化系统的建立，集合不同厂家的硬件设备与软件产品，实现了各综合自动化系统之间的相互配合和协调操作，使工业控制现场和企业信息系统之间无缝连接，进而加强了各种自然灾害和突发事故的处理能力，实现了矿井生产建设的网络化、信息化和科学化。随着煤矿综合自动化系统的不断普及与应用，必然会推动我国煤矿向着高产、高效、安全的现代化方向不断前行。