基于工业以太网的板集煤矿综合自动化解决方案

杨建宇

（国投新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001）

【摘　要】针对公司矿井安全生产需要对各种系统的有关参数和状态集中、高效的监测，以板集煤矿为案例，把生产系统加以整合接入工业以太网综合自动化平台中，研究实现矿井安全生产系统实现生产、安全、信息“管控一体化”的可行性与解决方案。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 煤矿；工业以太网；综合自动化

1　工业网络架构与综合自动化系统组成

板集煤矿千兆工业环网采取三层网络结构，采用业内成熟的自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软件，将安全生产的所有子系统均能通过工业以太网接入到综合平台中，集控中心可实现实时对设备工况进行监测控制，组态画面实现立体仿真监视，子系统基础设备执行元件具备完整的伺服功能，从而增强管理层的自诊断、自适应、自学习等智能控制功能，形成统一控制的智能化整体。

1.1　综合网络平台方案的设计

根据板集煤矿信息化建设的要求，板集煤矿设计三层网络，调度指挥中心网络、1000M赫斯曼工业以太主干网、子系统接入网络。地面综合调度控制中心建立以监测与控制为主的管理以太网，可向公司的提供全矿安全生产信息，支持授权的远程访问。综合控制系统包括井上部分和井下部分，以千兆工业以太网作为全矿主干网，通过赫斯曼工业级交换机为各子系统提供工业以太网接口，地面、井下均可接入。地面综合调度控制中心主要由操作员站组成，软件平台在采用组态软件基础上进行二次开发而成，采用对应系统立体仿真模型组态其监控画面。每一台操作员站的监测与控制工作进行相应授权，以提高系统安全可靠性。

地面千兆工业以太环网由工业交换机组成，各子系统接入附近的交换机。后期扩展的系统可以通过相关的接口模块和交换机接入到系统中。地面主网络通过地面网关交换机接入调度指挥控制中心网络。

1.2　井下工业环网的设计

井下千兆以太环网也是通过地面网关交换机接入调度指挥控制中心。井下设计以工业以太网光纤环网为主要控制网络，通过井下防爆交换机形成千兆以太环网，构成井下安全、生产过程控制自动化的统一的网络平台。

1.3　矿井与集团公司的数据共享

集团公司和矿井的数据共享可以通过两种方式实现：

1）建立B/S 结构的Web方式，以授权的方式通过矿局域网实现集团公司对矿井各生产安全子系统实现远程监测。

2）提供基于COM/DCOM的标准OPC Server接口通过矿调度指挥中心建立与集团公司调度室的数据通信接口，实现集团公司对矿井各种安全生产信息实现远程监测。

2　主要自动化子系统的建设与接入设计

每例子系统都需要从最底层控制设备做起，完善传感器的控制范围，增强执行元件的位移、速度、力矩等伺服控制功能，提高控制器的PID等智能控制能力，为智能接入提供坚实基础。主要子系统的接入阐述如下：

（1）压风机、锅炉房等地面系统：现场控制站采用西门子S7-300系列PLC，使用Profibus-DP通讯，与上位机通过MPI通讯，上位机采用西门子Wincc组态软件。由CP343-1以太网模块接入至综合智能平台,增加NSC2200E前置机系统进行综保数据采集集中及协议转换整合入110kV变电所监控系统。

（２）主、副井提升监控系统：副井提升接入方法为配置光线收发器通过光纤AC-800M PLC接入设置于主井提升控制室内的主环网交换机上。主井接入方法为通过光纤收发器由S7 400 PLC接入设置于主井提升控制室内的主环网交换机上。

（3）井下供配电系统：井下供配电系统由井下中央变电所监控系统和采区变电所监控系统两大部分组成。中央变电所、采区变电所均采用德国贝克的PHDI、PHDO高压隔爆开关。高压隔爆开关均配置MPE综保模块，可以监测各种电气参数及控制开关分合闸，提供标准接口接入到PE4200AT总线适配器（每个可接入四个开关），总线适配器串接接入至Promos Plus现场总线进而接入至MMC。集控中心通过OPC驱动实现与各开关的实时通讯。

（4）井下车辆管理系统：井下和地面平巷轨道运输系统的控制管理和矿车定位系统由德国贝克的mincos系统来实现。道岔扳道装置采用气动设备，通过无线遥控的方式由机车司机进行控制。配合基于井下WLAN无线局域网实现的井下机车的定位，mincos可以对轨道控制提供闭锁和对轨道运输信号系统进行控制，实现旧有信集闭系统的所有功能。依靠WLAN井下无线局域网的定位和数据传输功能，通过对由手持机PDA传输到系统中的机车运载物料数据的分析，可以方便的对井下物料运输和材料的使用情况进行跟踪核对。

（5）采煤工作面与掘进工作面自动化系统：系统设备由工作面操作台上的主控站MINING MASTER来进行协调控制，实现配合工作。mining master通过modbus和ast总线实现了对工作面供电系统的信息采集。通过profibus采集cst软启动和液压支架系统的信息，由Profibus结合无线方式采集采煤机的监控信息，通过AST总线和工业以太网实现工作面其他系统的信息采集。系统高度集成后可识别所有在运行中出现的故障。通过对故障的种类和位置进行判断，为矿井的生产调度和管理提供方便。

（6）虹膜考勤、地磅称重、安全监控、人员定位、矿压监测系统：均采用基于TCP/IP与以太网结构的多级结构系统，实现在以太网范围内的远程监控。第一级主站接入到矿井地面环网，经以太网传输至矿井调度集控中心实现远程监控。

3　子系统VLAN规划示例

根据（井下）不同子系统的网络需求，在核心交换机上划分适量的VLAN。VLAN1~VLAN50用于地面工广与生产系统使用。井下子系统VLAN划分如表1所示。

4　系统特点与主要指标

（1）系统特点：千兆工业以太环网为煤矿搭建“三网合一”的信息传输提供了有力支撑。环网重构时间应该小于300ms。针对各子系统建立虚拟局域网，同时保证既独立传输和高效运行，防控网络广播风暴。集成化的编程组态，使操作管理人员易于上手维护。丰富的网络管理功能，便于故障的定位和及时排除。

（2）主要指标：带宽：1000M；通信协议：TCP/IP协议；交换机数：暂列50个；拓朴结构：总线、星形和环形；冗余性：可以形成千兆环网，总长可达150RM，出现故障时重新组态路由时间<0.3S；交换机接口：2个1000Mbit/s RJ45接口，12个100Mbit/s RJ45接口；

2个1000Mbit/s ST光纤接口，4个100Mbit/s SC/BFOC光纤接口；通讯方式：1000M工业以太网；诊断功能：能对故障进行快速定位；系统无故障运行时间：> 1/8000小时；使用寿命：10万小时以上。

5　小结

利用网络技术和自动化技术对生产和管理模式进行业务流程再造，可以实现扁平化管理。可以通过构建以矿井工业以太网为基础的统一高速信息传输平台、以监测监控数据信息融合为基础的统一的软件集成平台、以智能数据处理和联动为基础的统一的技术管理平台，来努力为煤矿企业探索实现生产过程自动化、安全监控数字化、企业管理信息化和信息管理集约化的智能化矿井。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

［１］钱建生,李鹏,顾军,张智宏.基于防爆工业以太网的煤矿综合自动化系统[J].中国煤炭,2006(3).

［２］李明河,金林.可编程控制器原理与应用[M].合肥工业大学出版社,2009,1.

［３］郑家宋,丁从师,高毅,吕磊,张先胜,张现余.口孜东煤矿矿井自动化系统应用研究[J].工矿自动化,2014(4).

［责任编辑：邓丽丽］