全集成的數字化礦山管理信息系統

王 穎

(山西省交通信息通信公司，山西 太原 030003)

1 發展與現狀

近年來，煤礦行業的信息化，自動化技術應用范圍快速擴展，應用水平不斷提高，目前在用的各種管理、監測監控、自動化、通訊系統有30 多種。具有代表性的系統有:從管理層面看有MIS、辦公自動化系統等;從自動化層面看有綜采工作面自動化控制系統、主副井提升自動化控制系統、選煤廠自動化系統等;從監測監控層面看有瓦斯通風監控系統、井下人員跟蹤定位系統、視頻監測系統等;從通訊的層面看有井上井下有線和無線通訊系統等;還有其他用途各異的一些系統。這些系統的應用，一方面提高了煤礦的經營、生產、安全、管理水平，另一方面，如此種類繁多，數目龐雜的計算機系統也給使用單位帶來很大的困擾，甚至麻煩。從投資的角度看，每個系統都要配備相當數量的計算機及配套設備，搭建自己的通訊網絡，設備資源不能共用共享，造成巨大的投資浪費;從信息的使用效率來看，各種系統反映的數據標準各異，很難交換共享，使用范圍窄，存在大量的“信息孤島”，形成新的“信息壁壘”。從操作使用的難易程度來看，不同的系統用戶界面各不相同，操作模式千差萬別，使用者不得不花費大量的時間和精力來學習每個系統的使用方法，這成為企業管理人員和操作人員相當的負擔;從后期的維護管理來看，如此數量龐大的設備、電纜，其管理維護難度可想而知。因此，建設一個統一的系統平臺，將現有各種系統的功能整合到統一的系統平臺中，刪繁就簡，實現最大限度的硬件、軟件、數據資源共享，既是當下煤礦行業迫切的需求，也是煤礦自動化、信息化、智能化未來的發展方向。

本文介紹全集成的數字化礦山管理信息系統的設計與實現，這個系統應用西門子公司先進的全集成(TIA)自動化技術，充分考慮礦井行業生產過程兼有離散性和連續性，安全可靠性要求極高，監測監控項目眾多，生產區域廣大，生產環境復雜的特點，根據“管控一體化”的思想，采用統一的數據倉庫，統一的網絡通訊平臺，統一的軟件組態編程，構架涵蓋“采、掘、運、風、水、電、安全”等生產安全環節的統一網絡信息平臺，充分利用千兆工業以太網資源，將企業管理、生產、安全涉及到的數據、語音、圖像三種基本信息同網傳輸，實現“三網合一”，用一個系統完成原來由多種系統搭配完成的功能。

2 關鍵技術

本系統實現的關鍵技術為西門子的全集成(TIA)自動化技術和千兆工業以太網技術。西門子是全球自動化技術的領跑者，全集成自動化的概念由西門子公司率先提出，目前已經成為業界公認的發展方向和行業宏觀標準。全集成自動化通過統一的數據庫管理、統一的通訊和統一的軟件組態編程三項核心技術，可以大大簡化系統的結構，減少了大量的接口部件，為用戶提供了統一、優化、集成的產品和方案。

2.1 統一的數據庫管理

全集成自動化采用全局統一的數據庫，所有的系統信息都存儲于一個數據庫中而且只需輸入一次。數據一旦被輸入，在整個系統中都可以使用，保證了符號和變量在項目中取得一致性，不僅可以減少數據的重復輸入，節約人力、財力，更重要的是，它還可以降低出錯率，提高系統診斷效率，大大增強了系統的整體性和信息的準確性。

2.2 統一的通訊

全集成自動化實現了從現場級、控制級到管理級協調一致的通訊，所有的部件之間的數據交換可以暢通無阻。因為PROFIBUS和PROFINET 工業以太網提供了通用的數據通道，在系統各個部件中，無論是控制器、人機界面、還是工業PC 中都集成了通訊接口，通訊連接非常方便。由于符合開放的標準，即使是第三方設備也可順利地接入系統的通訊網絡。

2.3 統一的編程和組態

全集成自動化基于WinCC的HMI/SCADA 系統軟件在功能上，滿足了一個自動化項目從設計、硬件組態、編程、測試、開車到操作診斷和遠程維護的全部需求。所有的部件都使用WINCC 軟件進行組態，統一化的用戶圖形界面和面向對象的設計，使用起來輕松自如。

3 系統總體設計

根據大型煤礦自動化系統建設的要求以及“管控一體化”的思想，運用西門子全集成自動化技術，整個系統采用三層網絡結構，將煤炭生產、安全、管理的各個環節，統一在一個網絡平臺上，形成統一、完整的有機整體。系統網絡傳輸平臺采用工業級光纖以太環網技術，即:主干網采用千兆以太光纖環網，子網采用百兆光纖環網，確保系統的先進性、可靠性，并充分利用千兆以太網資源，實現三網合一(數據、圖像、語音同網傳輸)。

圖1 系統總體結構圖

3.1 信息層

涵蓋了公司層、二級單位管理層、作業層。公司輸出管理理念和管理規則，所有二級單位管理及作業層面根據公司的管理要求嚴格執行，通過信息反饋和信息共享，實現目標管理和考核。

3.2 MES 層

在經營管理系統和自動化控制系統之間建立聯系，實現企業管理信息系統與工業控制現場的無縫連接。各種圖形、圖像、報表信息都可以通過Web的方式在任何一臺終端統一瀏覽，統一界面，從而建立統一的數據倉庫，在集成化的數據管理中，數據一旦被輸入，在整個系統中都可以使用。

3.3 控制層(本設計的重點)

生產控制層將不同廠家生產、采用各種不同技術方式、用于不同生產過程的監控子系統或單元所產生的各類不同標準的信息進行匯總、加工，使其可以共享，改變目前通訊不暢，信息不能共享的狀況。同時，通過各專業子系統對各生產過程進行監控和調度操作。

3.4 設備層

生產過程監測監控層是由各個專業的生產過程監測、監控子系統構成，完成煤炭生產各個環節的過程監測及自動化控制。這些子系統采用的技術和結構形式可以多種多樣，例如，可以是基于PC的分布式系統、PLC 系統，也可以是智能化的機電一體化的設備，通過總線方式接入綜合自動化信息監控層網絡節點聯網。

4 全集成網絡傳輸平臺設計

根據煤礦信息化建設的需求，系統網絡傳輸平臺采用工業級光纖以太環網技術，在西門子PROFINET 1000M 工業以太網的基礎之上實現視頻、監控數據和話音通信的三網合一。

圖2 礦井千兆工業以太網系統圖

整個網絡系統分為三層，其基本情況如下:煤礦地面綜合調度控制中心建立以監測與控制為主的管理以太網，有獨立的網關、防火墻，并可以向集團公司局域網(INTERNET)提供煤礦全礦安全、生產等信息，并支持授權的遠程訪問。

煤礦地面控制系統即井上部分，建立1000M 西門子工業以太網作為全礦主干網，主干網采用冗余環網技術，通過西門子工業級交換機SCALANCE X－400為全礦各個子系統提供方便靈活的工業以太網接口，包括洗煤廠、電廠和地面變電所等都可以通過工業以太網接口接入到工業以太網中。

井下控制子系統同樣以1000M 西門子環型冗余光纖工業以太網為主干網，實現井下安全生產過程控制自動化。

另外根據需要搭建基于西門子SCALANCEX－200 系列工業級百兆以太網交換機的井下百兆光纖子網和井上百兆光纖子網，分別負責井下輔助運輸系統、采煤工作自動化系統、洗煤廠監控系統、地面消防系統等工作。井上、井下各子網分布設計，獨立運行，均采用冗余雙環網布局，每個100M子網絡分別通過兩臺OSM 光纖交換機與1000M 光纖主干網建立雙冗余通訊連接，完全避免了主干網絡中心節點癱瘓導致整個系統通訊中斷的風險，大大增強了網絡的故障容錯能力。

現場設備采用PROFIBUS 總線技術接入。PROFIBUS是當今世界上應用最廣泛的現場總線，其全球市場占有率達到50%以上，排名第一，總安裝節點數已超過1000 萬個，來自270 多個生產廠商的2100 多種設備支持PROFIBUS 總線，擁有極好的開放性和兼容性，且支持本質安全和總線供電，在我國煤礦井下已經有大量應用。

本網絡傳輸系統具有以下特點:

(1)快速冗余技術 網絡發生故障后的高速重構時間對工業應用是至關重要的，否則網絡上連接的終端設備會將通信連接清除，這可能引起工廠生產過程的失控或緊急停車。為了達到所要求的高速響應時間，SIMENS 工業網絡交換機(SCALANCE X－400)自帶冗余管理器(RM)，通過冗余管理器的邏輯斷點的自愈，保證重新配置網絡，建立通訊僅需短短的零點幾秒。

(2)冗余雙環網技術 使用SCALANCE X－ 400 構成1000Mbit/s的光纖冗余環網，其網絡重構時間嚴格小于300ms。采用交換機產品集成的Standby 熱備端口，增強了在多點故障出現時的系統容錯能力，大大增強了系統通訊的可靠性。

(3)千兆光纖傳輸技術1000Mbit/s 通訊速率滿足了日趨龐大以及三網合一(控制網、視頻網、音頻網)的通訊需求。光纖工業以太網通過光纖來構建，具有極高的抗干擾能力，對電磁場不敏感。光纖通訊大大擴展了網絡的傳輸和通信距離，可以達到150km的范圍。

(4)模塊化交換機技術SCALANCE X－400 一改以往普通交換機端口數固定的缺點，提供模塊化的設計，用戶可以根據需要靈活地選擇所需要的交換機的端口數量，最多可提供26個端口。極大地方便了系統的擴容和重構，非常適合煤礦的實際需求?；灸０迮浜瞎饫w接口模塊，可提供2×1000Mbit/s ST 光纖接口+4×100Mbit/s SC/BFOC 光纖接口;使用擴展模板，可獲得額外8×100Mbit/s RJ45 接口;或者配合使用光纖接口模塊，可獲得額外8×100Mbit/s SC/BFOC 光纖接口。

(5)網絡管理及實時故障診斷技術SCALANCE X－400支持SNMP 協議，可實現遠程實時在線故障診斷，因此，用戶可實現對全廠網絡的遠程監控，當故障發生時，用戶可在第一時間實現故障的診斷和定位。

(6)冗余24V 供電、模塊可熱插拔。

圖3 冗余環網拓撲示意圖

5 軟件編程組態設計

上位機軟件統一使用西門子的組態軟件WinCC。WinCC 即WINDOWS_CONTROL_CENTER(視窗控制中心)是一個強大的全面開放的系統，最多可管理64k個外部標簽。在任何情況下WinCC 都可以生成漂亮而便捷的人機對話接口。其獨特的優勢特別適合于自動化系統的編程組態:

(1)與自動化系統的無縫集成:WinCC 與PLC 系統緊密結合，通過統一的組態和編程、統一的數據管理及統一的通訊，極大地降低了用戶軟硬件組態的工程量，實現了整個產品范圍內的高度集成。

(2)與自動化網絡系統的集成:從現場總線PROFIBUS到工業以太網，再到PROFINET 技術和基于組件的自動化技術CBA，以及無線通訊解決方案，由于WinCC 內置了基于S5/S7 協議的通訊系統，并提供了大量面向這些系統和技術的組件，從而為WinCC和這些系統的最優化通訊和良好的互操作性提供了保證。

(3)與MES 系統的集成:MES 作為連接企業生產系統和管理系統的橋梁，包含了生產訂單管理、原材料管理、生產運營記錄、設備管理、生產規范管理系統等，通過適配系統，WinCC 可以輕松地集成在該系統下。換言之，實施了基于WinCC的HMI/SCADA 系統，就為實施MES 系統打下了堅實的基礎。

本系統使用西門子的SIMATIC WinCC 作為其SCADA服務器，配置兩臺WinCC 服務器，兩臺服務器進行冗余配置，當一臺主WinCC 服務器出現故障后，備用服務器可以立即接管對過程數據的采集，主服務器恢復正常后，備用服務還可填充主服務器被丟失的數據。

6 結束語

本系統的設計充分考慮了礦井行業生產管理特點，應用西門子公司先進的全集成(TIA)自動化技術，實現了統一的數據倉庫，統一的網絡通訊平臺，統一的圖形化界面;充分利用千兆工業以太網資源，將企業管理、生產、安全涉及到的數據、語音、圖像三種基本信息同網傳輸，實現“三網合一”;用一個系統完成原來由多種系統搭配完成的功能，代表和引領了數字化礦山的發展方向。本設計方案的第一個成功實施案例是山西潞安集團的漳村煤礦，此獲得煤炭行業的高度認可和贊同，此后迅速推廣到全國各大煤炭企業，取得了極好的社會經濟效益。