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嵌入式系统/自动化软件 |
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矿井综合生产自动化系统建设 |
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作者：关于GE智能平台 |
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应用背景：寺河矿是国家“九五”期间重点建设项目，矿井位于沁水煤田东南边缘，工业场地位于沁水县嘉峰镇殷庄村。矿区西侧紧邻侯月铁路，距候月铁路嘉峰车站1公里，距阳城电厂20余公里，并有铁路专用线直接相连。
寺河矿于1996年12月30日开工建设，引进国外先进生产设备及工艺，2002年11月8日通过国家验收正式投产。2006年经山西省煤炭工业局核定矿井生产能力为1080万吨/年，是晋城煤业集团首个千万吨级矿井。全矿在册正式员工3856人（截止到2008年6月底），目前井下有两个综采队，三个连采队、二个连掘队、一个预备队、一个瓦斯抽放队；辅助生产单位有洗煤厂、井下机电队、地面运行工区、运安工区等单位；设置有调度室、生产技术室、机电科、通风科、地测科等职能科室。矿井六证齐全，安全装备和生产条件符合国家相关规定，全矿特殊工种都经过培训并持证上岗，可以满足矿井安全生产需要。
矿井设计为斜井盘区开拓方式，综合机械化开采。采区布置分为东区、西区、北区三个部分，目前只开采东区，同时正在积极做好西区和北区的开采准备工作。寺河矿井田面积约为230平方公里，南北走向长约12公里，东西倾斜宽约23公里，地质储量为15亿吨。全井田可采煤层分为3#、9#、15#共3层煤层，总厚度10.32米。其中，主采煤层3号煤平均厚度为6.31米，可采储量2.1亿吨。煤种为低硫、低—中灰、高发热量、高机械强度的无烟煤，为优质化工原料和动力用煤。
矿区瓦斯储量102.63亿m3，其中3号主采煤层瓦斯储量达54.15亿m3。吨煤瓦斯含量东井区为9.03立方米，西井区为16.6立方米，矿井绝对瓦斯涌出量为486.6立方米/分钟，是国内乃至世界罕见的高瓦斯矿井。在治理瓦斯过程中,我们始终坚持“先抽后采、以风定产、监测监控”十二字方针，牢固树立“成在瓦斯、败在瓦斯；瓦斯不治，矿无宁日”的瓦斯治理理念，建有先进完善的瓦斯抽放系统、通风系统和监测监控系统。采用瓦斯三级治理模式，通过采用井上下联合抽采的办法，构筑了立体网络式抽放体系，使煤层瓦斯降至到了8m3/吨以下，确保了安全生产。井下抽放出的瓦斯主要用于发电，亚行贷款的12万千瓦煤层气发电厂已建成试运发电,是当前亚洲规模最大的煤层气发电厂。除此之外，抽出来的瓦斯还广泛用于民用燃气和CNG(压缩煤层气)清洁能源汽车项目和工业用气，取得了良好的安全效益、经济效益和环境效益。
寺河矿自建矿伊始，就确立了建设国内领先、国际一流现代化矿井的战略目标，引进了世界先进技术和装备：综采采用长壁工作面一次采全高采煤工艺，采煤机为德国艾柯夫公司SL-500型采煤机；掘进采用连采、连掘工艺，连采机从美国久益公司进口，掘进机采用美国12CM27-10E型连采机及配套设备；辅助运输全部采用胶轮车运输；寺河矿选煤厂始建于1996年，2002年 12月投产，设计入洗能力为800万吨/年，经过2004-2006年的技术改造，入选能力增至1500万吨/年；选煤采用重介分选工艺，主洗系统主要设备从朗艾道公司引进；装车采用美国KSS定量装车系统，装车能力达到5000吨/小时，主导产品为洗中块、洗小块、洗末煤、标末煤，2005年曾获“全国十佳选煤厂”荣誉称号。在积极采用世界先进设备的同时，寺河矿实施科技创新战略，不断加强与煤炭科研院校的合作力度，在瓦斯治理、掘进工艺、综采设备等方面积极开展“产、学、研”合作，取得了一大批丰硕的科技成果，投产六年来，先后被授予“全国煤炭工业‘双十佳’煤矿”、“全国煤炭工业科技创新示范矿”、“全国煤炭工业特级高产高效矿井”等荣誉称号。
为使晋城煤业集团寺河矿井的信息化建设达到业内先进水平，更好地发挥企业信息化建设作用，提高机械设备的利用效率，提高安全生产和管理水平，开发信息资源的价值，企业需进行综合信息管理系统的建设，其必要性可以概括如下：
•早期的生产自动化监测监控系统处于相互独立的状态，各系统自成体系，信息不能互通，形成“信息孤岛”现象。
•通讯线路重复投资建设，费用过高，不仅系统维护量大，且整体可靠性差，维修、维护困难。
早期的各生产自动化子系统无法实现网络共享，无法统一监测，无法统一调度，严重影响了生产力水平的提高。
由于各自动化子系统采集信息不能综合利用，所以很难从系统工程的角度来整体对企业进行统一的自动化管理，难以有效的整合各种资源和发挥自动化的最大效益。
企业业务管理各子系统没有统一数据标准、业务规范，不能有效整合底层自动化数据及企业管理数据为领导决策提供合理的依据。
客户需求
矿井综合信息化目标：通过优化矿井生产相关的资源综合管理调控能力，建立晋城煤业集团寺河矿井监测、控制、管理一体化的、基于网络的信息化系统集成，以实现全矿井生产各环节的过程控制自动化、安全生产综合调度指挥和业务运转网络化、行政办公无纸高效化。
1）应用计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术、和煤矿生产工艺技术，实现企业的经营、生产决策、安全生产管理和设备控制等信息的有机集成。
2）应用计算机技术、网络和自动控制技术实现在矿调度指挥中心监测井下环境参数，集中控制井上、下机电设备，减少井下作业人数，达到减人增效和提高矿井安全水平的目的。
3）通过应用软件，实现生产计划、生产安全调度、生产过程控制最优化，并能实现对关键设备的状态监测和故障分析。
4）保证煤矿生产安全，提高产量和质量，提高企业经济效益和竞争能力。
5）利用先进的技术和合理的方案，使系统具有良好的性价比。
系统建设完成后，应能够使晋城煤业集团寺河矿井上下各生产环节的生产工况信息和视频信息在一个统一网络平台上运行，在异构条件下进行联通与共享，能够使不同功能的应用系统联系起来，协调有序运行，使各自独立的监控系统信息实现共享。
系统建设完成后能够对全矿井安全、生产的主要环节进行实时监测、监视和必要的控制，实现全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥的信息化、科学化，为矿井安全生产、有效预防和及时处理各种突发事故和自然灾害，提供有效手段，为企业信息化的应用和发展奠定基础。
解决方案
系统概述
集中监测与控制系统在煤矿综合自动化系统和安全生产管理信息化系统中起着承上启下的作用。集中控制系统既是煤矿综合自动化的核心，也是安全生产管理信息化的数据源的重要提供者。在煤矿综合自动化和安全生产管理信息化工程的网络拓扑中，集中控制系统贯穿了控制网和管理网两层网络。
子系统包括：底层硬件设备、副井提升子系统、井下皮带监控子系统、通风子系统、电网子系统、安全监测子系统等等。各子系统及其OPC Server、数据采集器、数据服务器及有着紧密的联系。各子系统负责底层硬件设备数据的采集及执行控制命令，并作为OPC Server。数据采集器从各子系统的OPC Server中采集实时数据并实时的发送至数据服务器中的工业库中。工业库负责数据的存储，并为集中控制系统监控中心（人机界面）提供实时数据。控制网中的数据服务器通过单向防火墙将数据传送到管理网中的工业库镜像服务器中，为其他数据分析软件提供数据源。WEB服务器可将集中控制系统监控中心以网页的形式发布，支持多用户远程访问，其数据源来自工业库镜像服务器。集中控制系统的结构
系统数据流
自动化系统采用GE Intelligent Platform的Proficy HMI / SCADA – iFIX软件，以完成采集现场设备数据的任务，并将这些信息通过工业库进行存取，用以进一步数据处理和报表查询，通过Portal3.0 WEB软件可将集中控制系统监控中心以网页的形式发布，支持多用户远程访问。
系统数据流如下图所示：
图1.2系统数据流图
系统硬件设计
集中控制系统可分为自动化子系统、子系统OPC Server、数据采集器、工业库服务器（控制网）、集控中心、工业库镜像服务器（管理网）、WEB服务器、浏览器客户端等几部分。
• OPC Server中采集实时数据并实时的发送至数据服务器中的工业库中。工业库负责数据的存储，并为生产统计及系统、设备性能分析提供历史数据
• 控制网中的数据服务器通过单向防火墙将数据传送到管理网中的工业库镜像服务器中，为其他数据分析软件提供数据源。
• WEB服务器可将集中控制系统监控中心以网页的形式发布，支持多用户远程访问，其数据源来自工业库镜像服务器。集中控制系统的结构
• 客户端
采集现场控制器（如：PLC）或网络中另一台运行上位机 软件的计算机中的数据，并将采集到的数据以动态画面和生产报表的形式显示在屏幕上。
系统软件描述
矿井综合自动化平台软件建立在GE Intelligent Platform的Proficy软件产品的基础上，这包括HMI监控软件、工业库，Portal3.0 WEB发布软件等
应用于矿井综合自动化平台软件建立的主要软件产品如下：
• 服务器（SCADA Server）
– 从现场PLC、仪表采集数据
• 用 I/O Driver
– 产生报警，控制
– 存储现场PLC、仪表实时数据到过程数据库
• 客户端 (View Node)
– 从SCADA Server访问数据
– 以图形画显示实时生产过程
• Portal3.0 WEB软件
通过Portal3.0 WEB软件可将集中控制系统监控中心以网页的形式发布，支持多用户远程访问。
• 工业库
将现场采集的数据信息通过工业库进行存取，用以进一步数据处理和报表查询
系统功能介绍
• 数据采集
负责根据现场生产设备（如上位机、PLC）采集数据，以图形画显示实时生产过程，并将数据保存到数据库服务器，为分析提供历史数据。
• 数据存储
将设备运转、设备操控、设备的历史数据以及系统配置信息保存在工业库服务器，为生产统计及系统、设备性能分析提供历史数据。
• 实时监测
实时监测井下生产与安全状况：对井下设备运行状况动态监测、对井下安全监控系统的瓦斯、一氧化碳等传感器的数据实时监测、选取工业视频实时监测、并可以对井下人员位置实时跟踪监测。及时发现、处理报警信息，自动对超限、断电等异常情况声光报警，并提供报警事故处理方法，报警历史信息可以图文一体化地查询、统计、分析。
• 设备动态监测
系统通过获取井下自动化设备的实时数据，将井下生产状况以图文一体化方式可视化地展现在办公桌面上。调度员及生产调度管理者通过生产调度系统便可足不出户地实时掌握一线生产状况。通过设置各种自动化设备的报警参数，系统能够对各种生产异常状况自动报警，提醒调度员及时处理生产现场的异常状况。
如下图所示，通过和井下自动化系统的接口，利用组态技术把传输皮带的各个重点监测点的数据展示出来，利用组态技术模拟皮带传输的情况，并显示皮带的转速、启动时间、运转时间等信息。对煤的生产过程从采煤机－皮带－煤仓－提升－选煤厂等整个生产流程进行全过程监测。
利用组态技术将井下水泵的数据显示出来，用动态图模拟水泵运行情况，表格实时显示水泵的运行参数。
用模拟图模拟输配电系统，用鲜明的颜色表示开关的启停
• 报表
包含了小时产量报表、日产量报表、详细报警信息报表、设备开停报表、监测数据报表、汇总报表、工具更换报表等。
例如，报警信息报表将列出故障的开始时间、结束时间等信息。
• 历史、实时曲线察看
系统可以使查看某测点的实时数据曲线。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
• 安全管理
系统提供了一套稳定安全管理机制，明确的区分开管理员与操作员并自动将相应的权限赋予不同身份人员。
• 控制联动
1) 定时启动、关闭控制；
2) 根据其他子系统信息，直接控制其系统；
3) 有条件限制的自动启动。
整合以后的自动化平台模糊了子系统的边界，形成了一套软级别的DCS系统，这给平台的控制联动带来了可能，平台丰富的脚本功能（VBA），是进行控制联动的核心；原先各个子系统的控制仅限于本系统内；由于各子系统的硬件是由不同的厂家安装，由不同的设备组成，如果在硬件层面上使各个子系统发生联动控制就需要各子系统的硬件间有通讯并且还要规定一个主控系统，这个工作是非常困难且不实际的，所以将这个工作转移动了自动化平台的软件系统。通过软件向各个可控子系统发出控制指令。
• 报警功能
平台将各子系统的实时数据统一存储在数据库中，也就是异构数据的同构化，相对于整个平台再不是一个个的子系统而是一个大的整合后的独立平台，这对数据的管理提供便利的数据源，所有测点的报警门限可灵活设置，报警模块对所有的实时数据进行监测，当数据达到报警状态时平台以三种形式表现，接口列表实时显示、设备声光报警、手机报警系统，还可以对相应的报警进行分级管理及报警数据的查询和报表打印。
• 视频联动
当系统出现告警时，视频监视器将切换到相应的摄像头，并可控制外接警报器报警和控制现场设备实现报警联动，还可触发录像，将监控现场的情景同步地记录在案。实现系统间的互联。能从其他应用系统获取需要的信息并处理，并将相关的视频信息和告警信息传送给其他应用系统。
实施结果
在这个系统中，我们选择应用了GE Proficy统一的系统平台，具有开放的系统接口、标准化的系统接口，使我们的客户：
• 拥有一个高效可靠的生产管理系统
• 拥有一个易于扩展升级的模块式系统结构
• 拥有一个能够对生产全过程进行跟踪和分析的系统
• 拥有一个专为煤矿业设计和集成的具有丰富经验的系统
北京阳光金力晋城煤业集团寺河矿井改扩建（二期）工程，通过矿井综合生产自动化系统的成功实施，构成了全矿的综合自动化监控网络，形成了集生产、调运、销售、结算于一体的企业综合信息管理平台，为晋城煤业集团寺河矿井建立了一个集监、管、控于一体的综合型现代化矿井，大大提高了的生产效率、设备管理能力和产品质量，提高企业核心竞争力和同行业竞争能力。(end)
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(3/11/2011) |
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