数字化矿山平台规划的分析

2014-04-20田心

中国煤炭 2014年7期

田心

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京市西城区，100120）

随着我国煤矿自动化程度的逐渐提高，实现矿井的数字化生产与管理是确保煤矿安全生产、减员增效和绿色节能的重要举措。由于目前我国煤矿数字化程度和所要完成的功能不同，自动化平台构架也不尽相同，提出一个相对完整又具有一定先进性的平台构架作为实现数字化矿井的建设核心很有必要。本文以陕煤集团小保当煤矿矿井数字化规划为例，重点介绍了 “4层+2个支撑系统”的数字化矿山平台逻辑构架体系、拓扑特点及应用情况。

1 自动化平台现状及发展

目前我国矿井单一自动化系统已经基本实现，绝大多数单系统例如主排水和主运输等都已实现了自动化控制与管理。但到目前为止，虽然高速网络及软件技术得到了飞速发展，但数字化矿山建设在绝大多数矿井仍然处于浅层次的综合自动化水平，主要实现了地面的远程监测监控。只有在单系统自动化的基础上，通过高速网络接入各单系统使数据得到充分的融合，建立合理的联动机制才能完成从单系统自动化到综合自动化的转变。

但是从综合自动化向数字矿山发展，涉及到空间数字化及管理信息化两方面的有机融合，再通过三维可视化平台进行展示，同时通过科学合理的管理制度和流程加以应用，在合适的环节建立有效的决策分析系统，才能够为领导层提供生产经营管理的决策依据，自动化平台发展见图1。

图1 自动化平台发展

2 数字化平台规划

目前我国煤炭行业自动化平台构架没有一个相对固定的格式，国内各个矿井根据规模的不同，其平台构架方式和使用功能也都不尽相同。通过对近

年来一些矿井的自动化平台进行比较后，对陕煤集团小保当煤矿矿井数字化自动化平台进行规划。

2.1 系统架构

矿井自动化平台系统整体构架可分为 “4个层次+2个支撑系统”，4 个层次分别代表设备执行层、数据传输层、运营管控层和经营管理层；2个支撑系统代表云计算数据中心、二维及三维可视化展示，平台规划构架图见图2。

图2 平台规划构架图

2.1.1 设备执行层

设备执行层是自动化平台构架的基础，既是数据的采集者，也是决策信息的执行者，包括以下3个层次的内容：

（1）安全生产井上和井下动态实时在线信息的采集。这里主要包括生产环境在线检测系统（如水、火、瓦斯、顶板和人员定位等）、综合自动化系统（如综采工作面控制系统主带式输送机集控系统等）、其它生产指挥信息采集系统（井下工业电视系统等）。

（2）生产技术和运营管理数据的采集。这里主要包括钻孔、地震、机电设备和通风阻力测定成果等非实时的生产数据以及财务管理、运销管理和人力资源管理等运营管理的数据。

（3）执行控制层或管理决策层信息。通过管理决策层的分析和处理，其结果通过控制层和传输层达到执行层，完成对设备的控制、矿体的空间形态和属性的动态修正。

2.1.2 数据传输层

数据传输层采用以太网技术，由工业环网与信息网组成，采用网闸加防火墙技术进行安全隔离。其中工业环网包括安全、控制和视频等独立的环节，整个矿井采用有线和无线结合的方式实现全网络覆盖。

2.1.3 运营管控层

运营管控层通过对综采工作面、主煤流运输、辅助运输、供配电、安全保障、生产辅控和调度通信等环节协同控制，完成生产调度、设备及人员等管理，并提供矿井安全的通风、防瓦斯、防火灾、防水害、防顶板灾害以及防游离煤尘等决策。运营管控层主要包括以下8个部分：

（1）综采工作面分控中心。实现对工作面采煤机、三机、支架电液控、泵站和采面供电设备等的自动化控制。

（2）主煤流运输分控中心。实现对主运输系统的控制，包括采面胶带工作面、盘区大巷胶带、主斜井胶带等一系列原煤生产流程相关的子系统集中远程控制。

（3）供配电系统分控中心。实现对地面及井下各变电所集中远程控制。

（4）安全保障分控中心。实现对人员定位系统、安全监控系统、井下光纤测温系统、顶板压力安全监测系统、矿灯房信息管理系统等与通风管理相关的系统集中控制和监测。

（5）生产辅助分控中心。实现对主通风系统、主排水系统、压风系统、计量称重系统、水处理系统、锅炉供热系统、机房环境监测系统、机房门禁系统以及工业电视系统等各类辅助监测系统的集中监测和控制。

（6）辅助运输分控中心。实现对地面及井下各类辅助运输车辆管理监测与控制。

（7）调度中心。实现对地面及井下通信调度系统及动目标运维系统的综合管理及监控。

（8）决策中心系统。基于在线检测系统、综合自动化系统、知识库和模型库等，建立水、火、瓦斯和顶板重大危险源预测预警系统，应用GIS 技术、网络集成技术、物联网技术和数据库技术对重大危险源进行检测、识别及预测预警，将煤矿井下各类危险源数据集成于同一平台，基于WebGIS统一展示，实现重大危险的早期预测预警，以提高煤矿重大危险源预警能力，降低重大危险源事故发生率。

2.1.4 经营管理层

（1）运营管理信息系统。该系统基于企业管理网络平台和数据仓库，实现对人力资源、财务、物资、设备、生产计划、成本管理、安全管理、运销管理和协作平台等数字化管理。

（2）生产技术综合管理系统。该系统实现对“采、掘、机、运、通”整个生产业务流程中地质、测量、水文、储量、“一通三防”、采矿辅助设计、机电设计、设备选型等的完全信息化和网络化管理。该系统包括安全生产信息调度报表系统、机电设备管理系统、办公自动化系统、地测管理信息系统以及任务闭环管理系统等5个子系统。

2.1.5 云计算数据中心

建立运营管控云计算数据中心和经营管理云计算数据中心，云计算数据中心包括统一的数据仓库、数据处理、数据挖掘和灾备处理等，该中心主要针对于构架中运营管控层和经营管理层两个区域。管控层和管理层各建立一个虚拟化云计算数据中心，数据中心采用存储不同建筑物异地容灾备份，两个数据中心采用网闸+防火墙的方式进行隔离。

2.1.6 二维及三维可视化展示

基于三维GIS或三维可视化系统或虚拟矿井平台，利用实测数据构建井上和井下的虚拟环境，并能够通过与其它系统的接口（如瓦斯监测系统和ERP系统等），显示监测和供电等实时数据，浏览和查询井下设备的各种参数和实时状态信息，实现数字矿山主要管控过程的可视化展示、分析和操作。

2.2 拓扑结构

矿井综合自动化系统所需覆盖的范围广、规模大、控制距离长、涉及工艺多和信息量大，点对点的控制无法实现现场的实际要求，为了最大限度地保证系统的可靠性和实时性，就必须采用多级异构网络结构，并保证异构网络之间的互联互通。根据自动化各组成部分的不同需求，矿井工业场地和风井工业场地各设置独立的环网结构，目前主流的网络结构有以下3种：

（1）现场总线网络。这种方案是将全矿井的控制系统都通过控制网总线连接，结构简单，通过网关连接至自动化环网。

（2）工业以太网络。这种方案是目前主流技术，各交换节点通过EtherNet连接，提供高速数据交换，具有很高的可靠性。

（3）GEPON 网络。GEPON 是一种无源光纤传输网络，可在一根光纤中同时双向传输各种信息，井下设备简单，分光器无源；系统带宽利用率高，适合相对占用带宽的视频传输。

图3 系统总体拓扑结构

在上述3种网络中，现场总线网和工业以太网应用于绝大部分自动化网络的构架，标准开放且支持的厂家多。GEPON 可提供全套设备的厂家较少，且受最远交换节点距离限制。工业环网平台根据业务应用不同，分别设置控制通信环网、视频环网和安全环网，在井上和井下分别设置独立的冗余环。井下自动化线缆在敷设中可事先埋入，系统总体拓扑结构如图3所示。